- •Кафедра фізики в.В.Соловйов, л.П.Давиденко Конспект лекцій із фізики
- •Полтава 2004
- •Тема: елементи кінематики
- •Лекція іі тема: динаміка частинок план
- •Лекція ііі тема: закони збереження. Тверде тіло план
- •Повний імпульс ізольованої (замкненої) механічної системи не змінюється при будь-яких взаємодіях у ній.
- •Трохи про консервативні системи
- •Швидкість зміни момента імпульсу відносно нерухомої точки о дорівнює результуючому моменту сил усіх зовнішніх сил.
- •Лекція IV тема: механічні коливання
- •Лекція V тема: механічні хвилі
- •Лекція vі тема : елементи механiки суцiльних середовищ
- •Лекція VII тема: макроскопічний стан
- •Лекція viiі тема: статистичний розподіл. Явища переносу
- •Лекція IX тема: основи термодинаміки
- •Лекція X тема: тверді тіла та рідини
- •Лекція XI тема: електростатика план
- •Механізм взаємодії
- •Лекція хii тема: постійний струм план
- •Можна показати, що
- •Лекція хш тема: електричне поле в діелектриках план
- •Лекція х IV тема: магнітне поле план
- •Правило свердлика
- •Лекція XV
- •Тема: електромагнітна індукція.
- •Рівняння максвелла
- •Лекція XVI оптика тема: фотометрія. Інтерференція світла
- •Лекція XVII тема: дифракція
- •Лекція XVIII тема: електромагнітні хвилі в речовині
- •Лекція XIX квантова фізика тема: теплове випромінювання
- •Лекція хх тема: квантова природа світла
- •Лекція ххi тема: будова атома. Теорія бора
- •Лекція ххii тема: елементи квантової механіки
- •Лекція ххiii
- •Лекція ххiv тема: атомне ядро
Лекція хii тема: постійний струм план
1. Умови існування струму і його характеристики.
2. Cторонні сили. Закони постійного струму.
3. Опір, залежність опору металів від температури.
4.Елементи класичної електронної теорії електропровідності металів. Закони Ома та Джоуля - Ленца в диференціальній формі.
5. Правила Кірхгофа.
1.
Електричний струм – це впорядкований направлений рух електричних зарядів. Вирізняють струм провідності. Він зумовлений рухом вільних зарядів. Конвекційний струм виникає при русі заряджених макроскопічних тіл.
До умов виникнення струму слід віднести:
1) присутність вільних електричних зарядів;
2) присутність електричного поля.
Кількісна міра електричного струму – сила струму І.
І = dq / dt ; ( 1 )
Сила струму чисельно дорівнює заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Струм називається постійним, якщо його величина та напрям із часом не змінюються.
І = q / t ; ( 1a )
І =A = Kл / с ; А (Ампер) - основна одиниця Si .
Фізична величина, яка визначається силою струму, що приходить через одиницю площі поперечного перерізу провідника, розташованого перпендикулярно до напрямку руху електричних зарядів, має назву густини електричного струму.
j = dІ / dS ; j = A /м2 ;
.
У випадку постійного струму I = j S.
Можна показати, що
j = q no ,
де q – заряд, no – концентрація, v – швидкість дрейфу носіїв струму
1 2 1
Якщо з’єднати два однорідних провідники, заряджених до потенціалів 1 та 2 , то від 2 до 1 потече струм.
Цей процес буде відбуватися до тих пір, поки не зрівняються заряди, відповідно потенціали 1 і 2 та 1,2 не стане дорівнювати нулю й струм припиниться.
Для того, щоб підтримати у колі постійною різницю потенціалів ( = const), необхідна у колі наявність пристрою, в середині якого відбувався б процес перерозподілу електричних зарядів та їх перенесення до відповідного провідника.
Цей пристрій має назву джерело струму. Воно здійснює роботу з переміщення зарядів силами неелектричного походження. Ці сили називаються сторонніми сили (акумулятор – хімічна енергія; генератор – механічна енергія.)
Фізична величина, яка дорівнює роботі сторонніх сил і переміщення одиничного позитивного заряду, має назву електрорушійної сили (ЕРС)
= Астор / q ; ( 2 )
= +
Загальна робота із переміщення заряду:
А = Акл + Астор
A / q = Aкл / q + Aстор / q ; Aстор / q = ;
Aкл / q = 1 - 2 – це різниця потенціалів двох точок поля;
A / q = U1,2 – напруга між двома точками поля.
Напруга – це величина, яка дорівнює роботі кулонівських та сторонніх сил із перенесення одиниці заряду між двома будь- якими точками поля.
U12 = (1 - 2) + . ( 3 )
Для ділянки кола німецький фізик Ом установив:
І = U / R; |
(3а) |
де – R опір провідника
Порівнявши ( 3 ) і ( 3а ), маємо:
J = (1 - 2) + / R . ( 4 )
( 3а) – це закон Ома для ділянки кола в інтегральній формі.
( 4 ) – узагальнений закон Ома для ділянки кола з ЕРС.
3.
Чим визначається опір провідника і від чого він залежить?
1) Опір провідника залежить від його геометрії
R = ( L / S) ; |
де - питомий опір |
S
Причина виникнення опору в металевому провіднику – зіткнення електронів із вузлами кристалічної решітки.
= о ( 1+ t); |
о – питомий опір провідника при температурі 0С |
R = Rо ( 1+ t); |
|
– температурний коефіцієнт опору. Це характеристика матеріалу, яка залежить тільки від фізико-хімічних властивостей матеріалу провідника.
4,2K T |
Різке зменшення опору металів при низьких температурах дістало назву надпровідності. Воно було відкрито у 1908 р. голландським фізиком Камерлінг-Онессом. Пояснення цього явища дано американським ученим у рамках теорії БКШ в 1954р. і полягає в тому, що при температурах 4,2К і менше електрони об’єднуються у пари й рухаються по металу не поодинці, а парами (куперівські пари). |
4.
Основи класичної теорії електропровідності були закладені у 1900 р. ученим Друде і були розвинені в роботах Лоренца. В основу цієї теорії були покладені уявлення про те, що електрони у металах за своїми фізичними властивостями подібні ідеальному, одноатомному газу і тому відпорядковуються його законам. З цієї теорії виходить, що густина електричного струму:
j = n e Vсер ; ( 5 )
|
де n концентрація електронів е елементарний заряд ; Vсер швидкість упорядкованого руху електронів; |
n = N / V ; де N кількість електронів; V о’бєм;
е = 1,6 10-19 Кл
Якщо скористуватися другим законом Ньютона
ma = F ; то враховуючи F = eE ; a = v / t , отримаємо:
j = ( e2n / 2m ) Е;
= e2n/2m коефіцієнт електропровідності ;
= 1/ питома електропровідність;
j = . ( 6 )
Закон Ома у диференціальній формі ( 6 )
Густина струму в даній точці поля прямо пропорційна напруженості в даній точці поля.
Експериментально був установлений закон Джоуля Ленца, згідно з яким кількість теплоти, що виділяється при проходженні струму через нерухомий провідник, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника та часу проходження струму.
Q = І2 R t ; ( 7 )
Закон Джоуля Ленца в інтегральній формі :
Q = ( U2 / R) t . ( 7а )
Застосовуючи теорію Друде Лоренца, можна одержати закон Джоуля Ленца у диференціальній форми:
= E2 ; ; ( 8 )
густина теплової потужності струму.
= Q / V t теплота, що виділяється в одиниці об’єму за одиницю часу.
5.
На практиці виникає потреба в розрахунку розгалужених ланцюгів, за допомогою двох правил Кірхгофа.
Вузол це будь-яка точка розгалуженого ланцюга, в якій сходиться не менше від трьох провідників.
Алгебраїчна сила струмів, які сходяться у вузлі, дорівнює нулю.
n
Іi = 0 ; ( 9 )
i = 1
У будь-якому замкненому ланцюгу алгебраїчна сума добутків I R дорівнює алгебраїчній сумі всіх ЕРС цього ланцюга.
n n
Іi Ri = i ; ( 10 )
i = 1 i = 1