- •Федеральное агентство морского и речного транспорта
- •Предисловие
- •Лекция 1 Электростатика
- •1. Закон сохранения электрического заряда.
- •2. Закон Кулона.
- •3. Электрическое поле и его напряженность.
- •4. Поле диполя.
- •Лекция 2
- •1. Теорема Остроградского – Гаусса.
- •2. Применение теоремы Остроградского - Гаусса к расчету электростатических полей.
- •1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости.
- •2. Поле двух бесконечных параллельных разноименно заряженных поверхностей.
- •3. Поле равномерно заряженной сферической поверхности.
- •4. Поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити).
- •Лекция 3
- •1. Работа по переносу заряда в электростатическом поле. Потенциал поля.
- •2. Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом.
- •3. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля.
- •Лекция 4 Электрическое поле в диэлектрике.
- •1. Поляризация диэлектриков.
- •2. Напряженность поля в диэлектрике. Поляризованность.
- •3. Электрическое смещение. Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля в диэлектрике.
- •4. Сегнетоэлектрики.
- •5. Пьезоэлектрики.
- •Лекция 5
- •1. Проводник во внешнем электрическом поле.
- •2. Электроемкость уединенного проводника.
- •3. Конденсаторы.
- •4. Параллельное соединение конденсаторов.
- •5. Последовательное соединение конденсаторов.
- •Лекция 6 Электрический ток
- •1. Электрический ток. Сила и плотность тока.
- •2. Сторонние силы. Электродвижущая сила (эдс) и напряжение.
- •3. Закон Ома. Сопротивление проводников.
- •4. Работа и мощность тока. Закон Джоуля- Ленца.
- •5. Правила Кирхгофа.
- •Лекция 7 Классическая электронная теория проводимости металлов.
- •1. Природа электропроводности металлов.
- •2. Кристаллическая решетка металлов. Электронный газ.
- •3. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов.
- •1. Закон Ома.
- •2. Закон Джоуля-Ленца.
- •3. Закон Видемана-Франца.
- •4. Недостатки классической электронной теории проводимости металлов.
- •Лекция 8 Магнитное поле.
- •1. Магнитное поле.
- •2. Закон Био-Савара-Лапласа.
- •3. Закон Ампера.
- •4. Единица магнитной индукции.
- •Лекция 9
- •1. Магнитное поле движущегося заряда.
- •2. Эффект Холла.
- •3. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле.
- •Лекция 10
- •1. Явление электромагнитной индукции.
- •2. Закон Фарадея.
- •3. Самоиндукция. Индуктивность контура.
- •4. Взаимная индукция.
- •5. Энергия магнитного поля.
- •6. Циркуляция вектора магнитной индукции.
- •7. Магнитное поле соленоида.
- •Лекция 11 Магнитное поле в веществе.
- •1. Магнитные моменты атомов.
- •2. Диамагнетики.
- •3. Парамагнетики.
- •4. Ферромагнетизм.
- •Лекция 12
- •1. Свободные гармонические колебания в электрическом колебательном контуре.
- •2. Переменный ток.
- •1. Переменный ток, текущий через резистор сопротивлениемR.
- •4. Цепь переменного тока, содержащая последовательно включенные резистор, катушку индуктивности и конденсатор.
- •5. Резонанс напряжений.
- •6. Мощность, выделяемая в цепи переменного тока.
- •Лекция 13 Уравнения Максвелла.
- •1. Первое уравнение Максвелла.
- •2. Второе уравнение Максвелла.
- •Лекция 14
- •1. Электромагнитные волны. Скорость их распространения.
- •2. Объемная плотность энергии электромагнитного поля. Перенос энергии электромагнитной волной. Вектор Умова - Пойтинга.
- •3. Шкала электромагнитных волн.
- •4. Эффект Доплера для упругих и электромагнитных волн.
- •Лекция 15
- •1. Работа выхода электронов из металлов.
- •2. Контактная разность потенциалов
- •3. Термоэлектрические явления.
- •4. Элементы зонной теории проводимости. Возникновение энергетических зон.
- •5. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории.
- •Лекция 16 Электропроводность полупроводников. Термоэлектрические явления.
- •1. Собственная проводимость полупроводников.
- •2. Примесная проводимость полупроводников.
- •3. Полупроводниковый диод. P-n – переход.
3. Закон Ома. Сопротивление проводников.
Немецкий физик Г.Ом (1787-1854) экспериментально установил, что сила тока , текущая по однородному металлическому проводнику ( то есть проводнику в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению на концах проводника
, (1)
- электрическое сопротивление проводника.
1). Закон Ома для однородного участка цепи.
Цепь не содержит эдс. В этом случае напряжение совпадает с разностью потенциалови (1) | |
Рис.3. |
|
2). Закон Ома для неоднородного участка цепи.
Цепь содержит эдс. В этом случае | |
Рис. 4. |
|
3). Закон Ома для замкнутой цепи.
В этом случае и поэтому . Формула (1) позволяет установить единицу сопротивления Ом (Ом). 1Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течет постоянный ток 1А. | |
Рис.5. |
|
Величина
называется электрической проводимостью проводника. Единица проводимости – сименс (См). 1См – проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1Ом.
Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из которого проводник изготовлен. Для цилиндрического проводника сопротивление прямо пропорционально его длинеи обратно пропорционально площади его поперечного сечения
, (2)
где -коэффициент пропорциональности, характеризующий материал проводника. Он называется удельным электрическим сопротивлением. Единица удельного электрического сопротивления Ом м. Наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро (1,6 10-8 Ом м) и медь (1,7 10-8Ом м). На практике наряду с медными применяются алюминиевые провода, хотя алюминий и имеет большее, чем медь, удельное сопротивление (2,6 10-8Ом м), но зато обладает меньшей плотностью по с равнению с медью
Закон Ома можно представить в дифференциальной форме. Подставив выражение для сопротивления (2) в закон Ома (1) получим
, (3)
где величина
,
обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью вещества проводника. Ее единица – См/м (сименс на метр). Учитывая, что - напряженность электрического поля в проводнике,- плотность тока, формулу (3) можно переписать в виде
. (4)
Так как носители заряда в каждой точке движутся в направлении вектора напряженности то направления исовпадают, и (4) можно записать в виде
. (5)
Выражение (5) – закон Ома в дифференциальной форме, связывающий плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Это соотношение справедливо и для переменных полей.
При последовательном соединении проводников их сопротивления складываются,
,
а при параллельном соединении – суммируются обратные значения сопротивлений,
.
Опыт показывает, что в первом приближении изменение удельного сопротивления, а следовательно, и сопротивление с температурой описывается линейным законом
,
,
где и- соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника прии 00С,- температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов ( при не очень низких температурах) близкий к 1/273 град -1. Поэтому температурная зависимость сопротивления металла может быть представлена в виде
,
где - термодинамическая температура.
Качественная температурная зависимость сопротивления металла представлена на рис. 6 (кривая 1).
В последствии было обнаружено, что сопротивление многих металлов ( например, Al, Pb, Zn и др.) и их сплавов при очень низких температурах = 0,14 – 20 К, называемых
критическими, характерных для каждого вещества, скачкообразно уменьшается до нуля (кривая 2), то есть металл становится абсолютным проводником. Впервые это явление, называемое сверхпроводимостью, обнаружено Г. Камерлинг – Оннесом для ртути. | |
Рис. 6. |
|
Явление сверхпроводимости объясняется на основе квантовой теории. Практическое использование сверхпроводящих материалов затруднено из-за низких температур. Поэтому в настоящее время ведется интенсивный поиск высокотемпературных сверхпроводящих соединений.
На зависимости электрического сопротивления металлов от температуры основано действие термометров сопротивления, которые позволяют измерять температуру с точностью до 0,003 К. Использование же в качестве рабочего вещества термометров сопротивления полупроводников, приготовленных по специальной технологии – термисторов – позволяет отмечать изменение температуры в миллионные доли кельвина и использовать термисторы для измерения температур очень малых объемов (ввиду малых габаритов полупроводников).