48. Проводники в электрическом поле (общая характеристика).

Проводниками называют материалы, имеющие так называемые свободные заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника под действием сколь угодно малого внешнего электрического поля.

Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действовать электростатическое поле, в результате чего они начнут перемещаться. Это перемещение продолжается до тех пор, пока электростатическое поле внутри проводника не обратится в нуль. Итак, напряженность поля во всех точках внутри проводника равна нулю: =0. Отсутствие поля внутри проводника означает, что потенциал во всех точках внутри проводника постоянен. Вектор напряженности поля на внешней поверхности проводника направлен по нормали к каждой точке его поверхности. Если проводнику сообщить некоторый заряд Q, то нескомпенсированные заряды располагаются только на поверхности проводника. Напряженность электростатического поля у поверхности проводника определяется поверхностной плотностью зарядов: Е= σ/ε₀ε

Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

49. Дайте определение емкости уединенного проводника и конденсатора.

Уединенный проводник – проводник, удаленный от других проводников, тел и зарядов. Его потенциал пропорционален заряду проводника. Разные проводники, будучи одинаково заряжены, имеют различные потенциалы. Поэтому можно записать Q=Cϕ. Величину С называют электроемкостью уединенного проводника. Единица электроемкости – фарад.

Конденсатор – устройство для накопления заряда; состоит из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком. Под емкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отношению заряда Q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов (ϕ1-ϕ2) между его обкладками: С=Q/(ϕ1-ϕ2).

Емкость плоского конденсатора: С=ε₀εS/d, где d – расстояние между пластинами.

Параллельное соединение конденсаторов: C=C1+C2+C3…

Последовательное соединение конденсаторов: 1/C=1/C1+1/C2+1/C3…

50. Энергия электрического поля.

Энергия электростатического поля в конденсаторе: W=СU²/2=Vε₀εE²/2=q²/2C, где V=Sd – объем конденсатора.

Объемная плотность энергии: w=W/V= ε₀εE²/2.

51. Электрический ток: определение, его виды и характеристики.

Электрический ток – это упорядоченное движение зарядов. I=dq/dt; dq – заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время dt.

Ток бывает постоянным, переменным и пульсирующим. Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени. Переменный ток — ток, величина и направление которого меняются во времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Пульсирующий ток — это ток, изменяющий свое значение с течением времени, но не изменяющий (как переменный) направления.

Основные характеристики тока: сила тока, плотность, мощность, частота (относится к переменному току).

Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную — силу тока, и векторную — плотность тока. Сила тока — физическая величина, равная отношению количества заряда, прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени. По закону Ома сила тока I на участке цепи прямо пропорциональна напряжению U, приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его сопротивлению R. Если на участке цепи электрический ток не постоянный, то напряжение и сила тока постоянно изменяется, при этом у обычного переменного тока среднее значения напряжения и силы тока равны нулю. Однако средняя мощность выделяемого при этом тепла нулю не равна. Поэтому применяют следующие понятия: мгновенные напряжение и сила тока, амплитудные напряжение и сила тока,

эффективные напряжение и сила тока.

Плотность тока — вектор, абсолютная величина которого равна отношению силы тока, протекающего через некоторое сечение проводника, перпендикулярное направлению тока, к площади этого сечения, а направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, образующих ток. Согласно закону Ома в дифференциальной форме плотность тока в среде пропорциональна напряжённости электрического поля и проводимости среды: = γ.

Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению: P=I²R

52. Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи. Нарисуйте этот участок цепи.

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, приводящие к возникновению ЭДС, называется однородным.

Сила тока однородного участка цепи прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) на концах участка цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка:

I=(ϕ1-ϕ2)/R12

53. Сформулируйте закон Ома для неоднородного участка цепи. Нарисуйте этот участок цепи.

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, приводящие к возникновению ЭДС, называется неоднородным.

Сила тока неоднородного участка цепи прямо пропорциональна сумме разности потенциалов (напряжению) на концах участка цепи и ЭДС и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка

I=(ϕ1-ϕ2±ε)/R12

54. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи. Нарисуйте эту цепь.

Если цепь замкнута, то разность потенциалов равна нулю.

Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна суммарному сопротивлению цепи:

I= ε/Rсумм= ε/(R+r)

55. Запишите, сформулируйте и объясните закон Ома в дифференциальной форме.

В дифференциальной форме зависимость от геометрических размеров исчезает, и тогда закон Ома описывает исключительно электропроводящие свойства материала. 

Плотность тока равна произведению удельной электрической проводимости и напряженности электрического поля в проводнике:

= γ, где – плотность тока, - напряженность электрического поля в проводнике, γ=1/ρ – удельная электрическая проводимость.