- •Электричество и постоянный ток Электронный учебник по физике кгту-кхти. Кафедра физики. Старостина и.А., Кондратьева о.И., Бурдова е.В.
- •Оглавление
- •Электричество и постоянный ток
- •1. Электростатика.
- •1.1. Электрические заряды. Закон сохранения электрического заряда.
- •1.2. Закон Кулона.
- •1. 3. Электростатическое поле и его напряженность.
- •1.4. Графическое изображение электростатических полей
- •1. 5. Принцип суперпозиции электростатических полей.
- •1.6. Электростатическое поле электрического диполя.
- •1.7. Поток вектора напряженности электростатического поля
- •1. 8. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме.
- •1. 9. Применение теоремы Гаусса для расчета напряженности электростатического поля.
- •1 Рис.1.12. К определению работы перемещения заряда в электростатическом поле. .10. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда.
- •1.11. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля.
- •1.12. Потенциальная энергия и потенциал электростатического поля.
- •1.13. Связь между потенциалом и напряженностью электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности.
- •1.14. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля
- •1.15. Диэлектрики в электрическом поле
- •1.15.1. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.
- •1.15.2. Вектор поляризации и диэлектрическая восприимчивость диэлектриков
- •1.15.3. Напряженность поля в диэлектрике
- •1.15.4. Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
- •1.15.5. Сегнетоэлектрики
- •1.15.6. Пьезоэлектрический эффект.
- •1. 16. Проводники в электростатическом поле
- •1. 17. Электрическая емкость уединенного проводника
- •1. 18. Взаимная электроемкость. Конденсаторы
- •1. 19. Энергия заряженного уединенного проводника, конденсатора. Энергия электростатического поля
- •2. Постоянный электрический ток
- •2.1. Электрический ток, сила и плотность тока
- •2.2. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
- •2.3. Закон Ома для участка и полной замкнутой цепи
- •2.4. Сопротивление проводника. Явление сверхпроводимости.
- •2.5. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца.
- •2. 6. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей.
- •3. Электрические токи в металлах, вакууме и полупроводниках
- •3.1. Опытные доказательства электронной проводимости металлов.
- •3.2. Основные положения классической теории электропроводности металлов
- •3. 3. Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов.
- •3. 4. Термоэлектрические явления
- •3. 5. Электрический ток в вакуумном диоде
- •3. 6. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
- •3.7. Элементы современной квантовой или зонной теории твердых тел.
2.2. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
Для того, чтобы поддерживать ток в цепи, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом непрерывно отводить приносимые током заряды, а к концу с большим потенциалом непрерывно их подводить. Т.е. необходимо осуществить круговорот зарядов, при котором они двигались бы по замкнутому пути. В замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные носители движутся в сторону убывания потенциала, должны иметься участки, на которых перенос положительного заряда происходит в направлении возрастания потенциала, т.е. против сил электростатического поля. Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сил не электростатического происхождения, называемых сторонними силами.
Природа сторонних сил может быть различна. В генераторе на электростанции заряды разделяются действующими на них силами магнитного поля. В гальваническом элементе происходит разделение зарядов за счет энергии химической реакции и др. Величина, измеряемая работой сторонних сил Аст по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 цепи в точку 2 для создания тока, называется электродвижущей силой (э.д.с.) , действующей на участке 1-2 . Эта величина, в основном, используется для характеристики в источников тока (электрогенераторов, батареек, аккумуляторов), хотя в ряде явлений Э.Д.С. возникает независимо от источников.
Сторонние силы , действующие на заряд q0, можно записать как , где- напряженность поля сторонних сил. Учитывая, что, получаем. То есть можно считать, что э.д.с., действующая в замкнутой цепи, есть циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил, гдеL - длина замкнутого контура, dl - элемент его длины.
Наряду со сторонними, в проводнике действуют и кулоновские силы взаимодействия разделенных зарядов , которые создают свое поле напряженностью. Интегралчисленно равен работе кулоновских сил по перенесению единичного заряда из точки 1 цепи в точку 2.Ранее было показано, что , таким образом,- естьразность потенциалов между концами участка цепи 1 и 2.
Суммарная работа кулоновских и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда на участке цепи 1-2 получила название падения напряжения, или просто напряжения на этом участке ,.
Напряжение на концах участка цепи равно разности их потенциалов, если на этом участке нет источника э.д.с.
2.3. Закон Ома для участка и полной замкнутой цепи
В 1826 г. немецкий ученый Георг Ом экспериментально установил прямую пропорциональную зависимость между силой тока I в проводнике и напряжением U на его концах: , гдеG - электрическая проводимость проводника. Величина, обратная проводимости называется электрическим сопротивлением проводника R. Таким образом, закон Ома для участка цепи, не содержащего источника э.д.с., имеет вид . Учитывая, что в общем случае участок цепи может содержать и э.д.с.,закон Ома следует представить в виде .
Сопротивление проводника зависит от его размеров, формы и материала, из которого он изготовлен. Для однородного линейного проводника , где l - длина, S - площадь поперечного сечения проводника, - удельное электрическое сопротивление, зависящее от материала, из которого изготовлен проводник. Единица сопротивления 1 Ом - это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течет ток в 1А.
Если цепь замкнута, то ,, гдеR - общее сопротивление всей цепи, включая сопротивление источника э.д.с. Тогда закон Ома для замкнутой цепи следует записать , где - алгебраическая сумма всех э.д.с., имеющихся в этой цепи.
Принято называть сопротивление источника тока r - внутренним, а сопротивление всей остальной цепи R - внешним. Окончательный вид формулы закона Ома для замкнутой цепи . В системе единиц СИ напряжение и э.д.с. измеряются в Вольтах (В), сопротивление - в Омах (Ом), удельное электрическое сопротивление - в Ом-метрах (Омм), электрическая проводимость в Сименсах (См).
Рис.2.1.
Отрезок проводника.
Огромные различия в электропроводности веществ позволили создать высокоэффективный метод обработки пищевых продуктов, называемый электростатическим сепарированием. Например, при производственной сушке желатина на алюминиевых сетках в продукт попадают мельчайшие частицы алюминия. Желатин - диэлектрик с удельной проводимостью =10-8-10-10 См/м, алюминий - проводник,=36106 См/м. Такое различие в электропроводности позволяет разделять компоненты посредством поля в электростатическом сепараторе. Электрическая сепарация применяется при очистке муки, подсолнечника, крупы и др. от металлических примесей.
Установлена связь между электропроводностью и качеством некоторых овощей (содержание сахаров, доли биологически активной воды и др.) Поэтому электропроводность является объективным показателем состояния овощей и их устойчивости к длительному хранению.