- •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.
2. Кристаллическая решетка металлов. Электронный газ.
Как показали опыты Рикке, ионы в металле неподвижны и не являются носителями тока. Ионы в металле не могут перемещаться, так как они закреплены в кристаллической решетке. Ион в кристаллической решетке представляет собой остов атома, от которого отщеплен валентный электрон.
При образовании кристаллической решетки в результате сближения атомов, валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, становятся свободными внутри металла и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах решетки расположены ионы металла, а между ними хаотически движется газ, обладающий согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.
Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. По теории Друде-Лоренца электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, исходя из молекулярно-ктнетической теории, средняя скорость теплового движения электронов равна .
При = 300 К= 1,1 105м/с. Тепловое движение, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока. При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, то есть возникает электрический ток. Среднюю скоростьупорядоченного движения можно оценить из формулы для плотности тока=.10-3 м/с.
Следовательно, средняя скорость упорядоченного движения намного меньше скорости теплового движения, . Это объясняется малой средней длиной свободного пробега электронов между двумя последовательными столкновениями с ионами металла. Поэтому при вычислениях результирующую скоростьможно заменить скоростью теплового движения.
Казалось бы полученный результат противоречит факту практически мгновенной передаче электрических сигналов на большие расстояния. Замыкание электрической цепи влечет за собой распространение электрического поля со скоростью света и вдоль цепи быстро устанавливается стационарное электрическое поле и в ней начнется упорядочение движение электронов.
3. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов.
1. Закон Ома.
Пусть в металлическом проводнике существует электрическое поле напряженностью . Со стороны поля на заряд электрона действует сила. Заряд приобретает ускорение. Таким образом, во время свободного пробега электроны движутся равноускоренно и приобретают скорость
,
- среднее время между двумя последовательными соударениями электрона с ионами решетки.
Согласно теории Друде в конце свободного пробега электрон, сталкиваясь с ионами решетки, отдает им накопленную в поле энергию, поэтому скорость упорядоченного движения становится равной нулю. Средняя скорость электрона будет
.
Среднее время свободного пробега определяется средней длиной свободного пробегаи средней скоростью движения электронов относительно решетки проводника, равной, но. Поэтомуи тогда
,
- закон Ома в дифференциальной форме. Коэффициент пропорциональности
- удельная проводимость металла.
2. Закон Джоуля-Ленца.
К концу пробега электрон под действием поля приобретает дополнительную кинетическую энергию
.
При соударении электрона с ионом эта энергия передается решетке и идет на увеличение внутренней энергии металла, то есть на его нагревание За единицу времени электрон испытывает с узлами решетки столкновений,. Если- концентрация электронов, то за единицу времени будетстолкновений и решетке передается энергия, которая идет на нагревание проводника.
- энергия, передаваемая решетке в единице объема за единицу времени, то есть удельная тепловая мощность тока.
Коэффициент пропорциональности между иесть удельная проводимость. Следовательно, мы получили закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.