1. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции.

Электрическое поле — особая форма материи, существующая вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде в электромагнитных волнах.

Напряженность. Каждый заряд создает вокруг себя электростатическое поле, взаимодействие зарядов обьясняется действием поля на заряд. Напряженность электростатического поля это- векторная силовая характеристика поля. вектор напряженности совпадает с направлением силы действующей на единичный положительный заряд , мысленно помещенный в данную точку поля.

Принцип суперпозиции: Если поле создается системой зарядов, то напряженность поля в точке, будет ровна сумме напряженностей создаваемых в данной точке каждым зарядом в отдельности. принцип суперпозиции.

2. Теорема Гауса для электростатического поля. Расчет поля бесконечной заряженной плоскости, нити, кольца.

Терема Гауса.Поток вектора напряженности через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов находящихся внутри данной поверхности, деленная на электрическую постоянную.

Плоскости. Поверхность цилиндр. Поток вектора Е= Поля заряженной пластины является однородным Е=сonst поверхностная плоскость заряда Ф=Фбок+2Фосн=

Нити. Линейная плотyость заряда . В качестве круговой поверхности выбираем цилиндр вмещающий проводник. Тогда поток вектора Е равен. Ф=Фбок+2Фосн=2Фосн=22E*Sбок=2E=

Фбок=

3. Работа по перемещению заряда в электростатическом поле. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля.

Работа по перемещению заряда будет перемещать заряд из точки 1 в точку 2 в поле заряда q.

Работа по перемещению заряда = так как электростатическое поле явл потенциальным а а кулоновские силы кансервативными. Работа по замкнутому контуру в потенциальном поле равна 0.

Циркуляция. Т.К работа по перемещению по замкнутому контуру =0 А12=0 если r1=r2 теорема о циркуляции вектора е. Так как работа по заданному контуру =0 если q=1 циркуляция вектора е.

4. Потенциал электростатического поля. Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности.

Потенциал это энергетическая характеристика электростатического поля. Потенциал поля точечного заряда. . если q0<0 To Потенциал поля создаваемого системой заряда в данной точке равен алгебраической сумме потенциалов создаваемых в данной точке каждым зарядом в отдельности. . Потенциал электростатического поля равен работе по перемещению единичного заряда из данной точки поля в бесконечность.

dA=q*Edl dA=-q=-q(2- Edl=-d E=- при перемещении зарядов в 3-х мерном пространстве это выражение примет вид E=

E=-grad знак – означает что напряжения поля всегда направлено в сторону движения потенциала.

Эквипотенциальные поверхность-поверхность равная потенциалу. Для точечного заряда эквипотенциальная поверхность это сфера. Работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна0. Поверхность любого проводника является эквипотенциальной поверхностью.

5. Электрический диполь, его поле. Поведение диполя в электрическом поле.

Электрический диполь это система двух равных по величине зарядов +q и –q, находящихся на расстоянии l друг от друга. Электрический дипольный момент Р=ql.

Теперь изучим поведение диполя во внешнем электрическом поле. Пусть диполь помещен в однородное электрическое поле (см. рис. 1.16).

На диполь действует момент электрической силы

 

где , , , откуда или

 (1.45)

где электрический момент диполя .

6. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков .

Вещества которые не проводят электрический ток. Т.к у них нет свободных зарядов. Диалектрики делятся на 3 группы. Полярные, неполярные, ионные. Полярные- диэлектрики у молекул которых центр масс положительных и отрицательных зарядов не совподают. P=ql

Неполярные –диэлектрики молекулы которых центр масс пол и отр зарядов совпадают.дипольный момент =0.

Ионные диэлектрики можно рассматривать как наложение решеток положительных и отрицательных ионов. При внесении в электрическое поле под решетки смещаются относительно друг от друга создавая свое поле. При внесении во внешнее поле диэлектрики поляризуются. Поляризация явления смещения пол и отр зарядов в противоположные стороны под действием внешнего электрического поля. Пол полярных диэлектриков наз дипольной или ориентационной.

Пол неполярных диэл. Наз электронной или диффармационной.

7. Поляризованность. Зависимость поляризованности от напреженности электрического поля.

Если поместить диэлектрик во внешнее электрическое поле, то он поляризуется, т. е. получит неравный нулю дипольный момент p_V=∑p_i где p_i— дипольный момент одной молекулы. Чтобы произвести количественное описание поляризации диэлектрика вводят векторную величину —поляризованность, которая определяется как дипольный момент единицы объема диэлектрика:   (1)  поляризованность Р зависит от напряженности поля Е линейно . Если диэлектрик изотропный и Е численно не слишком велико, то   (2)  где θ — диэлектрическая восприимчивость вещества, она характеризует свойства диэлектрика; θ – безразмерная величина; притом всегда θ>0 и для большинства диэлектриков (жидких и твердых) составляет несколько единиц (но, например, для спирта θ≈25, для воды θ≈80). 

8. Электрическое смещение. Теорема Гауса для электрического поля в диэлектрике.

Вектор Е на границе с диэлектриком испытывает скачкообразное изменения, поэтому он не очень удобен для описания поля в диэлектрике. Более удобной величиной является вектор электрического смещения D который не зависит от диэлектрической проницаемости среды и на границе с диэлектриком не меняет свое значение.

Cиловые линии векторного электрического смещения изображаются точно так же как и линии напряженности.

Теорема Гауса. E

Поток вектора электрического смещения через любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов находящихся внутри данной поверхности.

9. Сегнетоэлектрики.

Диэлектрики у которых поляризованность внешнего поля не равна 0 наз сигнетоэлектрики.

Сегнетоэлектрик состоит из микроскопических областей (0.1-0.01 мм) называемых доменами, каждый из которых поляризован до насыщения, это означает что внутри каждого домена, все дипольные моменты ориентированы в одном направлении и сумма Рi принимает мах значение. В соседних доменах вектора Р ориентированы хаотически, но если поместить сегнетоэлектрики во внешнее поле, домены начнут поворачиваться вдоль поля. И при каком-то значении поля все домены сориентируются по полю. Поляризованность принимает мах значение. Если начнем уменшать внешнее поле до нуля, то не все домены вернуться в исходное положение из-за трения между ними, и у сегнетоэлектриков останется остаточная поляризованность.

10. Проводники в электрическом поле. Электростатическая защита.

Если проводник поместить во внешнее электростатическое поле или зарядить его, то на заряды данного проводника будет действовать электростатическое поле, под действием которого они начнут двигаться. Движение зарядов (ток) будет длиться до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри данного проводника обращается в нуль.

 электростатическая защита — экранирование тел, например измерительных приборов, от влияния внешних электростатических полей. Для защиты вместо сплошного проводника может быть использована густая металлическая сетка, которая, также эффективна при наличии не только постоянных, но и переменных электрических полей. 

11. Емкость уедененного проводника. Конденсатор. Соеденение конденсаторов.

Электроемкость – количественная мера способности проводника удерживать заряд.

Емкость уединённого проводника определяется зарядом, сообщение которого проводнику изменяет его потенциал на единицу. С=Q/.

Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. При последовательном соединении N конденсаторов заряд на обкладках одинаков, напряжение на всей батарее конденсаторов равно сумме напряжений на каждом конденсаторе в отдельности: U_общ=U₁+U₂+U₃+...+U_N, а общая емкость N конденсаторов 1/С_общ=1/С₁+1/С₂+1/С₃+...+1/С_N. При параллельном соединении конденсаторов напряжение U на всех конденсаторах одинаково и общая емкость С_общ батареи равна сумме емкостей отдельных конденсаторов, С_общ=С₁+С₂+С₃+...+С_N.

12. Емкость плоского, цилиндрического и сферического конденсатора.

 Под емкостью конденсатора понимается физическая величина, равная отношению заряда Q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов (φ₁ — φ₂) между его обкладками:  (1) 

плоский

цилиндрический

  сфеерический

13. Энергия электрического поля. Плотность энергии электрического поля.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор. Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда Δq > 0 с одной обкладки на другую (рис. 1.7.1). При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд q, а между ними существует некоторая разность потенциалов  при переносе каждой порции Δq внешние силы должны совершить работу 

 Плотность энергии электрического поля.

14. Условия возникновения электрического тока. Сила и плотность тока.

1)наличие зарядов. 2)наличие замкнутой цепи.3) наличие электродвижущей силы. ЭДС.

Сила тока- скалярная физическая величина равная отношению заряда прошедшего через поперечное сечение проводника за время и промежуток времени

Плотность тока - это количество заряда, протекшего через единичную площадь в единицу времени, то есть - отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника, по которому течёт ток. Является векторной величиной. Модуль плотности тока равен j = I / S,

15. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжения . Напряжение на однородном и неоднородном участках цепи.

Для поддержания на клемах батареи постоянного напряжения положительные заряды ,пришедшие на отрицательный полюс батареи, транспортировать внутри источника на положительный полюс батареи. Силы выполняющие эту работу наз сторонними силами.

Величина равная работе по перемещению заряда и величине этого заряда наз ЭДС.

Величина равная отношению работы сторонних и электрических сил по перемещению заряда вдоль цепи к величине своего заряда будут наз напряжением. Для однородного участка цепи (участок не содержащий ЭДС) напряжения совпадает с разностью потенциалов.   

Для неоднородного участка цепи(содержащий ЭДС) напряжения не совпадают с разностью потенциалов.

16. Закон ома для участка цепи. Сопротивление и проводимость. Сверхпроводимость.

Закон ома для участка цепи. .

Электрическим сопротивлением проводника, которое обозначается латинской буквой r, называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока. сопротивление проводника зависит от: 1) длины проводника, 2) поперечного сечения проводника, 3) материала проводника, 4) температуры проводника.

Чем большим сопротивлением обладает проводник, тем меньшую он имеет проводимость, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот. проводимостью — способностью проводить электрический ток. Величина, обратная сопротивлению называется проводимостью. Величина, обратная сопротивлению называется проводимостью.

Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым[1] электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения.

17. Закон Ома для полной цепи. Закон Ома в дифференциальной форме.

Если замкнутая цепь содержит n последовательно соединенных одинаковых источников ЭДС и внутренним сопротивлением r , то сила тока равна

При параллельном соединении n одинаковых источников тока.

.закон ома в диф форме. Т.к. и , то, исходя из уравнения получаем , где – удельная электрическая проводимость [

18. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-ленца.

работа мощность

.

закон дж-л

Если проводник не подвижен то вся работа по перемещению заряда идет на нагревание проводника.

19. Правила Киргофа для разветвленных цепей. Алгоритм действия по расчету сложных цепей.

Узлом наз точка в которой сходятся 3 или более проводников.

1-е правило кергофа. Алгебраическая сумма токов сходящихся в узле равна 0.

2-е пр . Алгебраическая сумма падений напрежения в контуре ровна алгебраической сумме по ЭДС.

I₁ + I₂ + I₃ + ... + I_n = 0.

Для того чтобы записать второе правило Киргофа необходимо выбрать направление контура. Контуром наз любой замкнутый участок цепи. Если направление тока совпадает с направлением обхода контура, то IR со знаком +, если не совп то -. Если при обходе контура или движение внутри источника от – к + то ЭДС берем с + .

20. Нелинейные электрические цепи. ВАХ нелинейного элемента. Методы построения результирующих ВАХ.

В электрические цепи могут входить пассивные элементы, электрическое сопротивление к-ых существенно зависит от тока или напряжения, в рез-те чего ток не находится в прямо пропорциональной зависимости по отн-ию к напряжению. Такие элементы и электрические цепи, в к-ые они входят, наз. нелинейными элементами.

Нелинейные элементы придают электрическим цепям свойства, недостижимые в линейных цепях(стабилизация напряжения или тока, усиление постоянного тока и др.).  

Они бывают неуправляемые и управляемые.

Первые - двухполюсники - предназначены для работы без воздействия на них управляющего фактора (полупроводниковые терморезисторы и диоды), а вторые - многополюсники - используются при воздействии на них управляющего фактора (транзисторы и тиристоры). 

ВАХ нелинейных элементов

Электрические свойства нелинейных элементов представляют ВАХ I(U) экспериментально полученными графиками, отображающими зависимость тока от напряжения, для которых иногда составляют приближенную, удобную для расчетов эмпирическую формулу.

Неуправляемые нелинейные элементы имеют одну ВАХ, а управляемые - семейство таких характеристик, параметром которого является управляющий фактор.

У линейных элементов электрическое сопротивление постоянно, поэтому ВАХ их является прямой линией, проходящей через начало координат.

ВАХ нелинейных имеют различную форму и разделяются на симметричные и несимметричные относительно осей координат (рис. 1, б, в).

Рис. 1. ВАХ пассивных элементов: а - линейных, б - нелинейных симметричных, в - нелинейных несимметричных

Расчет нелинейных электрических цепей

Нелинейные электрические цепи рассчитывают графическим и аналитическим методами, в основу которых положены законы Кирхгофа и ВАХ отдельных элементов цепях переменного тока для преобразования переменного тока в ток постоянного направления.

При графическом расчете электрической цепи с двумя последовательно соединенными нелинейными резисторамиR1 и R2 с ВАХ I(U1) и I(U2) строят ВАХ всей цепи I(U), где U = U1+U2, абсциссы точек которой находят суммированием абсцисс точек ВАХ нелинейных резисторов с равными ординатами (рис. 3, а, б).

Наличие этой кривой позволяет по напряжению U найти ток I, а также напряжения U1 и U2 на зажимах резисторов.

Аналогично выполняют расчет электрической цепи с двумя параллельно соединенными резисторами R1 и R2 с вольт-амперными характеристиками I1(U) и I2(U), для чего строят вольт-амперную характеристику всей цепи I(U), где I= I1+I2, по которой, пользуясь заданным напряжением U, находят токи I, I1, I2 (рис. 3, в, г).

Аналитический метод расчета нелинейных электрических цепей основан на представлении ВАХ нелинейных элементов ур-ями соот-их матем. ф-ций, позволяющих составить необходимые уравнения состояния электрических цепей. Поскольку решение таких нелинейных уравнений часто вызывает значительные трудности, аналитический метод расчета нелинейных цепей удобен, когда рабочие участки вольт-амперных характеристик нелинейных элементов могут быть спрямлены. Это позволяет описать электрическое состояние цепи линейными уравнениями, не вызывающими затруднения при их решении.

21. Классическая электронная теория проводимости металлов, ее ограничения. Вывод закона Джоуля- Ленца из электронных представлений.

Закон Джоуля – Ленца

Кинетическая энергия электрона, которую он имеет к моменту соударения с ионом:

При столкновении с ионом энергия, полученная электроном в электрическом поле полностью передается иону. Число соударений одного электрона в единицу времени равно , где λ – длина свободного пробега электрона. Общее число столкновений за единицу времени в единице объема равно. Тогда количество тепла, выделяющегося в единице объема проводника за единицу времени будет: Последнюю формулу можно представить в виде закона Джоуля-Ленца в дифференциальной форме: где ρ =1/σ – удельное сопротивление металла.

22. Основы зонной теории. Металлы, диэлектрики, полупроводники.

Зонная теория  — один из основных разделов квантовой теории твердого тела, описывающий движение электронов в кристаллах, и являющийся основой современной теории металлов,полупроводников и диэлектриков.

• проводники — материалы, у которых зона проводимости и валентная зона перекрываются (нет энергетического зазора), образуя одну зону, называемую зоной проводимости (таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию);

• диэлектрики — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 3 эВ (для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят);

• полупроводники — материалы, у которых зоны не перекрываются и расстояние между ними (ширина запрещенной зоны) лежит в интервале 0,1–3 эВ (для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые полупроводники слабо пропускают ток).

23. Контактная разность потенциалов. Законы вольта.

Работа выхода – энергия, необходимая, чтобы электрон покинул металл. У разных металлов она разная. ;

Контактная разность потенциалов возникает не только при соп­рикосновении разных металлов. Вообще, при соприкосновении двух химически разных тел происходит перераспределение заря­дов на их границе.

Согласно первому закону Вольта установлено, что при соединении двух различных металлов между ними возникает разность потенциалов, зависящая только от их химического состава и температуры

Второй закон Вольта гласит: если составить цепь из последовательно соединенных металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, то разность потенциалов между концами цепи не зависит от химического состава промежуточных проводников. Она равна контактной разности потенциалов, возникающей при непосредственном соединении крайних проводников

Если контакты замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, поддерживать при различных температурах, то в цепи возникает электрический ток, направление которого изменяется при изменении знака разности температур. Результирующая контактная разность потенциалов равна:

DV =  — = a dT.

24. Термоэлектрические явления( явления Зеебека, Томпсона, Пельтье) и их применение.

Зеебека эффект состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает эдс (термоэдс), если места контактов поддерживают при разных температурах. В простейшем случае, когда электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она называется Термоэлементом, или термопарой (См. Термопара).

Пельтье эффект обратен явлению Зеебека: при протекании тока в цепи из различных проводников, в местах контактов, в дополнение к теплоте Джоуля, выделяется или поглощается, в зависимости от направления тока, некоторое количество теплоты Qn, пропорциональное протекающему через контакт количеству электричества (то есть силе тока I и времени t): Qn= Пlt. Коэффициент П зависит от природы находящихся в контакте материалов и температуры (коэффициент Пельтье).

Явление Томсона (1856). Вильям Томсон (Кельвин), исследуя термоэлектрические явления, пришел к заключению, подтвердив его экспериментально, что при прохожде­нии тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье. Это явление получило название явления Томсона. Его можно объяснить следующим образом. Так как в более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой, то, двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если же электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они, наоборот, пополняют свою энергию за счет энергии решетки, в результате чего происходит поглощение теплоты Томсона.

25. Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности.. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью. В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается. в результате переходов электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники – примесными полупроводниками.

Необходимо различать донорные и акцепторные примеси. Примеси, у которых валентных электронов на единицу больше, чем у атомов основного вещества, называются донорными.

Примесь, у атомов которой не хватает достаточного количества электронов, чтобы заместить все валентные связи в решетке основного вещества, называется акцепторной.

Проводимость полупроводника, обусловленная наличием в нём электронов донорной примеси, называется электронной, донорной или n-типа, а сам полупроводник – полупроводником n-типа.

26. Свойства р-n перехода. Полупроводниковый диод и его применение.

  Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р—n-перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и л-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в р-область, а «дырок» — наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечным во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок»      р—n-Контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью:      если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р—л-контакт будет проводить ток, электроны из д-области пойдут в р-область, а «дырки» из р-области в n-область. Полупроводниковый диод состоит из контакта   двух полупроводников р- и n-типа  . Полупроводниковые диоды имеют: небольшие размеры и массу, длительный срок службы, высокую механическую прочность, высокий коэффициент полезного действия, их недостатком является зависимость сопротивления от температуры. Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный.

27. Транзистор. Транзистор как усилитель электрических сигналов.

Транзистор – биполярный прибор, состоящий из трех основных элементов: коллектора, эмиттера и базы. К каждому из элементов подключается, как правило, одна клемма. Биполярный транзистор – основной прибор для усиления электрических сигналов. Сегодня существует два основных типа биполярных транзисторов, которые выделяются в зависимости от того, каким образом происходит чередование областей различного вида проводимости в используемом образце полупроводника: типы n-p-n и p-n-p.  Принцип работы транзисторного усилителя основан на том, что с помощью небольших изменений напряжения или тока во входной цепи транзистора можно получить значительно большие изменения напряжения или тока в его выходной цепи.    Изменение напряжения эмиттерного перехода вызывает изменение токов транзистора. Это свойство транзистора используется для усиления электрических сигналов.    Для преобразования изменений коллекторного тока, возникающих под действием входных сигналов, в изменяющееся напряжение в коллекторную цепь транзистора включают нагрузку. Нагрузкой чаще всего служит резистор или колебательный контур. Кроме того, при усилении переменных электрических сигналов между базой и эмиттером транзистора нужно включить источник постоянного напряжения, называемый обычно источником смещения, с помощью которого устанавливается режим работы транзистора.

28. Электрический ток в газах. Несамостоятельные и самостоятельные разряды. Типы самостоятельных разрядов.

Электрический ток через газ называют газовым разрядом.

Если разряд протекает только при действии ионизатора, то разряд является несамостоятельным. Если разряд может протекать без действия внешнего ионизатора, то его называют самостоятельным. ВИДЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РАЗРЯДА.

1.Тлеющий разряд представляет собой ток малой плотности, возникающий при низком давлении (от сотых долей до нескольких мм. рт. ст. ) и напряжении на электродах порядка нескольких сотен вольт. Тлеющий разряд сопровождается свечением столба газа. Его используют в светящихся рубках рекламы (заполненных неоном, аргоном) , а также в лампах дневного света для возбуждения люминофора, которым покрыта внутренняя поверхность трубки.

2.Коронный разряд представляет собой ток через газ при атмосферном давлении, возникающий под действием неоднородного электрического поля высокой напряженности. Коронный разряд сопровождается слабым свечением и небольшим шумом. Коронный разряд наблюдается вблизи заостренных частей проводников в том случае, когда напряженность электрического поля возле проводника превышает 3 • 106 В/м. Причиной разряда является ударная ионизация газа, происходящая в области, непосредственно граничащей с проводником. Коронный разряд используют в электрических фильтрах для очистки продуктов сгорания топлива. Искровой разряд

Возникает при больших напряженностях эл. поля в газе при 10^3Па. Искра имеет вид изогнутого и разветвленного светящ. тонкого канала. Согласно стримерной теории, возникн. ярко светящ. канала искры предшеств. появл. слабосветящ. скоплений ионизованного газа – стримеров. Стримеры возникают в результате образования электронных лавин посредством ударной ионизации, и фотонной ионизации газа. Лавины образуют проводящие мостики из стримеров, по которым устремляются мощные потоки ẽ, обр. каналы искрового разряда. Из-за выделения большого кол-ва энергии газ в искровом промежутке нагревается до высокой t и светится. Быстрый нагрев газа ведет к повышению давления и возникн. ударн. волн, объясняющих звуковые эффекты при искровом раз-ряде. Использ. для воспламен. горючей смеси в двигателях внутр. сгорания и предохран. эл. линий передачи от перенапряжений (искровые разрядники), применяется для электроискровой точной обработки металлов (резание, сверление). Его используют в спектральном анализе для регистрации заряж. частиц

Дуговой разряд.

Возникает если после зажигания искрового раз-ряда от мощного источника постепенно уменьшать расст. между электродами. При этом I резко возрастает, достигая сотен ампер, а U на разряд-ном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Дуговой разряд можно получить от источника низкого напряжения минуя стадию искры: электроды сближают до соприкосновения, они сильно раскаляются эл. током, потом их разводят и получают эл. дугу. При атмосферном давлении t катода = 3900 К. По мере горения дуги угольный катод заостряется, а на аноде образуется углубление – кратер – наиболее горячее место дуги. По современным представлениям, дуговой разряд поддерживается за счет высокой t катода из-за интенсивной термоэлектронной эмиссии, а также термической ионизации молекул, обуслов-ленной высокой t газа. Дуговой разряд применяется в народном хозяйстве для сварки и резки металлов, получения высококачественных сталей (дуговая печь) и освещения.

29. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Вакуумный диод.

Что такое вакуум?

- это такая степень разрежения газа, при которой соударений молекул практически нет

- электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;- создать эл.ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц;

- действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.Термоэлектронная эмиссия- это испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла.Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него ( т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно).Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака.

Вакуумный диод - это двухэлектродная ( А- анод и К - катод ) электронная лампа. Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление

30. Плазма и ее свойства.

Плазмойназывается сильно ионизован­ный газ, в котором концентрации положи­тельных и отрицательных зарядов практи­чески одинаковы. Различают высокотемпе­ратурную плазму,возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразряд­ную плазму,возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется сте­пенью ионизацииa — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо(a со­ставляет доли процента), умеренно(a— несколько процентов) и полностью(a близко к 100 %) ионизованной плазме. Плазма обладает следующими основ­ными свойствами: высокой степенью иони­зации газа, в пределе — полной иониза­цией; равенством нулю результирующего пространственного заряда (концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова); боль­шой электропроводностью, причем ток в плазме создается в основном электрона­ми, как наиболее подвижными частицами; свечением; сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями; ко­лебаниями электронов в плазме с большой частотой (~=108 Гц), вызывающими об­щее вибрационное состояние плазмы; «коллективным» — одновременным взаи-модействием громадного числа частиц (в обычных газах частицы взаимодейству­ют друг с другом попарно).

31. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции, линии индукции магнитного поля.

Магнитное поле. - это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.свойства:

Постоянное (или стационарное) магнитное поле - это магнитное поле, неизменяющееся во времени .

1. Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами и телами, проводниками с током, постоянными магнитами.

2. Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы и тела, на проводники с током, на постоянные магниты, на рамку с током.

3. Магнитное поле вихревое, т.е. не имеет источника. МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

- это силовая характеристика магнитного поля.

Вектор магнитной индукции направлен всегда так, как сориентирована свободно вращающаяся магнитная стрелка в магнитном поле.

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ:

32. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету магнитных полей прямолинейного проводника с током, кругового тока.

33. Закон Ампера. Взаимодействие двух параллельных проводников с током. Рамка с током в магнитном поле. Магнитный момент рамки с током.

Ампер открыл, что сила dF, с которой магнитное поле действует на элемент проводника dlс током, который находится в магнитном поле, равна  где dl - вектор, по модулю равный dl и совпадающий по направлению с током, В - вектор магнитной индукции.  Направление вектора dF может быть определено, используя (1), по правилу векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор В, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы, которая действует на ток.  Модуль силы Ампера (см. (1)) равен  (2),где α — угол между векторами dl и В. 

Магнитный момент рамки с током: Pm=I*S*n (P и n - вектора) 3. Рамка с током в магнитном поле

Силы Ампера разворачивают рамку с током так, что создаваемое внутри рамки собственное магнитное поле В_собств оказывается сонаправлено с внешним магнитным полем. (Поле В_собств создает ток. текущий в рамке).

Вращающий момент, действующий на рамку в произвольном положении равен:

34. Сила Лоренца. Движение заряженой частицы в магнитном поле. Циклотрон.

Сила Лоренца FЛ = q υ B sin α. При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется.

Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость  V лежит в плоскости, перпендикулярной вектору В то частица будет двигаться по окружности радиуса 

Cила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен 

циклотронах – ускорителях тяжелых частиц. Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся два электрода в виде полых металлических полуцилиндров (дуантов). К дуантам приложено переменное электрическое напряжение, частота которого равна циклотронной частоте. Заряженные частицы инжектируются в центре вакуумной камеры. Частицы ускоряются электрическим полем в промежутке между дуантами. Внутри дуантов частицы движутся под действием силы Лоренца по полуокружностям, радиус которых растет по мере увеличения энергии частиц. Каждый раз, когда частица пролетает через зазор между дуантами, она ускоряется электрическим полем. Таким образом, в циклотроне, как и во всех других ускорителях, заряженная частица ускоряется электрическим полем, а удерживается на траектории магнитным полем. Циклотроны позволяют ускорять протоны до энергии порядка 20 МэВ.

35. Закон полного тока и его применения для расчета полей соленоида и тороида.

Закон полного тока (теорема о циркуляции вектора ): циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром Соленоид представляет цилиндрический каркас, на который намотаны витки проволоки. Рассмотрим бесконечно длинный соленоид, т.е. соленоид у которого ? >> d, где ? - длина, d – диаметр соленоида. Внутри такого соленоида магнитное поле однородно. Однородным называется поле, силовые линии которого параллельны и густота их постоянна.  (2) 

тороида — кольцевой катушки, у которой витки намотаны на сердечник, который имеет форму тора  

,

36. Понятие Магнетика. Орбитальный и собственный магнитные моменты электрона. Диа-, пара-, и Ферамагнетики.

Парамагнетики - вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля и имеют положительную магнитную восприимчивость. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам

Диамагнетики - вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны.

Ферромагнетик — такое вещество, которое при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

, Магнитный момент электрона в атоме складывается из орбитального и спинового моментов: Электрон помимо массы покоя m0 заряда 1 обладает собственным моментом качества движения - s и собственным магнитным моментом s.

М а г н е т и к и – это вещества, способные намагничиваться под действием внешнего магнитного поля Н. В зависимости от величины магнитной восприимчивости χ магнетики делятся на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. Орбитальным магнитным моментом атома называется геометрическая сумма орбитальных магнитных моментов всех

37. Намагниченность. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Магнитная восприимчивость. Закон полного тока для магнитного поля в веществе.

Намагни́ченность — векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела: Здесь, J — вектор намагниченности;  — вектор магнитного момента; V — объём.

Напряжённость магни́тного по́ля -  векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности J.:

Магнитная восприимчивость — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе

Магнитная проницаемость — физическая величина, коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией  и напряжённостью магнитного поля  в веществе

Закон полного тока для магнитного поля в веществе:

38. Ферромагнетики и их свойства. Природа ферромагнетизма. Точка Кюри.

Ферромагнетизм объясняется магнитными свойствами электронов. Электрон эквивалентен круговому току или вращающемуся заряженному телу и поэтому обладает собственным магнитным полем. В большинстве кристаллов магнитные поля электронов взаимно компенсируются благодаря попарной антипараллельной ориентации магнитных полей электронов. Лишь в некоторых кристаллах, например в кристаллах железа, возникают условия для параллельной ориентации собственных магнитных полей электронов. В результате этого внутри кристалла ферромагнетика возникают намагниченные области протяженностью 10-2 - 10-4 см. Эти самопроизвольно намагниченные области называются доменами

В отдельных доменах магнитные поля имеют различные направления и в большом кристалле взаимно компенсируют друг друга. При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит упорядочение ориентации магнитных полей отдельных доменов. С увеличением магнитной индукции внешнего поля возрастает степень упорядоченности ориентации отдельных доменов — магнитная индукция возрастает. При некотором значении индукции внешнего поля наступает полное упорядочение ориентации доменов (рис. 191, б), возрастание магнитной индукции прекращается. Это явление называетсямагнитным насыщением.

1. У слабомагнитных веществ зависимость J от H линейна. У ферромагнетиков эта зависимость более сложная. По мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, наступает магнитное насыщение. Дело в том, что с ростом H увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю. В итоге, когда все моменты ориентированы, наступает «насыщение».

2. Существенная особенность ферромагнетиков – это большие значения , а так же зависимость от H. Вначалерастет с увеличением Н, но затем уменьшается, стремясь к I:

3. У ферромагнетика зависимость J от H определяется предысторией намагничивания. Это называетсямагнитным гистерезисом. Дело в том, что при понижении напряженности Н в ферромагнетике наблюдается остаточная намагниченность.

В итоге при постоянном намагничивании/размагничивании ферромагнетика намагниченность J меняется в соответствии с кривой, называемой петлей гистерезиса.