Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ФИЗИКА_1 / novoe!~.doc
Скачиваний:
9
Добавлен:
05.03.2016
Размер:
2.77 Mб
Скачать

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 0С

R = Rо ( 1+ t);

– температурний коефіцієнт опору. Це характеристика матеріалу, яка залежить тільки від фізико-хімічних властивостей матеріалу провідника.

4,2K 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 4,2К 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