Курс лекций по физике - Часть_2 - Электрическое_и_магнитное_поле_Оптика

Электрический ток

В предыдущей теме мы рассмотрели взаимодействие и свойства систем неподвижных зарядов. Перед тем как перейти к взаимодействию движущихся зарядов, нужно научиться описывать их движение, чему посвящена данная тема.

Э л е к т р и ч е с к и м т о к о м называется упорядоченное движение зарядов. Ток характеризуется направлением тока и силой тока .

Н а п р а в л е н и е т о к а совпадает с направлением движения положительных зарядов.

С и л а т о к а равна величине заряда, прошедшего в единицу времени через поперечное сечение проводника

Скорость упорядоченного движения зарядов пропорциональна напряженности электрического поля, которое вызывает их движение

vE .

Коэффициент пропорциональности называется подвижностью носителя за-

талла.

Мы знаем, что электростатические поля могут только вызывать перераспределение зарядов в проводнике, которое сопровождается выравниванием потенциала, при котором движение зарядов прекращается. Для постоянного движения зарядов в проводнике требуются силы не электростатической природы.

Силы, поддерживающие постоянную разность потенциалов и обеспечивающие протекание тока, называются с т о р о н н и м и с и л а м и . Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника против сил электростатического поля, вследствие чего на клеммах источника поддерживается постоянная разность потенциалов, и при подключении к источнику электрической цепи в ней потечет электрический ток.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций, в генераторе – за счет механической

энергии вращения ротора генератора и т. п.

F стор можно ввести напряженность поля сторонних сил

Работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда на участке цепи (1-2) называется э л е к т р о д в и ж у щ е й с и л о й (ЭДС), действующей

на этом участке, и обозначается ε12

(2)

ε12 Aстор (един) Eстор dl ,

(1)

где dl – вектор, направленный по току, длина которого равна длине бесконечно малого участка цепи.

Если участок электрической цепи содержит источник ЭДС, этот участок назы-

вается н е о д н о р о д н ы м у ч а с т к о м ц е п и . Для неоднородного участка цепи

полная работа электростатических и сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называемая н а п р я ж е н и е м , равна

или, окончательно, U ε 1 2 .

Для однородного участка цепи (не содержащего источник ЭДС) напряжение определяется выражением

U 1 2 .

Для замкнутой цепи 1 2 , поскольку работа электростатических сил в замк-

нутом контуре равна нулю, и напряжение равно ЭДС U ε, то есть полная работа по перемещению заряда в замкнутой цепи равна работе сторонних сил.

Сила тока на однородном участке цепи связана с приложенным напряжением з а к о н о м О м а , установленным в 1887 году Г. Омом (G. Ohm, 1787–1854): если под действием сторонних сил на однородном участке проводника создается напряжение U , то на данном участке проводника протекает ток силой I , которая пропорциональна приложенному напряжению

ность в выражение j σE , которое является законом Ома в дифференциальной форме, получим

Коэффициент пропорциональности (величина обратная сопротивлению) называется

с о п р о т и в л е н и е м , которое, как и удельная проводимость, зависит только от природы проводника и не зависит от его формы и размеров. По определению удельное со-

противление материала проводника есть сопротивление участка проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения.

Запишем закон Ома для однородного участка цепи ba (снаружи пунктира)

I b a ,

R

откуда найдем IR b a . Тогда Ir IR ε.

И мы получаем з а к о н О м а д л я з а м к н у т о й ц е п и

При протекании тока (движении заряда) совершается работа. Для этого требуется энергия, поступление которой обеспечивается источником ЭДС.

Энергия, необходимая для переноса заряда dq Idt между точками, напряжение

между которыми U , равна

dW Udq IUdt .

Если ток постоянен ( I = const , U = const ), то выделяемое тепло определяется выражением

Q I 2 Rt U 2 t .

R

В этом случае тепловая мощность равна

P I 2 R U 2 .

R

Полученные выражения, описывающие тепловое действие электрического тока,

носят название з а к о н а Д ж о у л я – Л е н ц а (J. Joule, 1818–1889, Э. Ленц, 1804– 1865).

Если проводник перемещается, то часть энергии будет израсходована на совершение работы

A Pdt Q .

При постоянном токе работа будет равна A IUt I 2 Rt .

При расчете электрических цепей, содержащих разветвленные неоднородные участки, использование закона Ома часто неудобно, так как расчет становится громоздким

Электромагнетизм

В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед (H. Ørsted, 1777–1851) показывал студентам тепловое действие тока. При включении тока отклонилась стрелка случайно оказавшегося рядом компаса. Описание этого опыта вызвало лавину новых открытий. Так родилась новая область физики – электродинамика.

Частью электродинамики (электромагнетизма) является м а г н и т о с т а т и к а ,

изучающая не изменяющиеся во времени (стационарные, или постоянные) магнитные поля, с которых мы начнем наше рассмотрение.

М а г н и т н о е п о л е – силовое поле (подобное гравитационному или электриче-

скому), окружающее токи и постоянные магниты. Магнитное поле не действует на неподвижные заряды, оно может создаваться только движущимися зарядами и действует только на движущиеся заряды.

Магнитные силы, действующие со стороны магнитного поля на движущиеся заряды, могут:

–искривлять их траекторию (если заряд движется в свободном пространстве);

–отклонять проводник (если заряды движутся в проводнике);

–поворачивать контур (если проводник образует замкнутый контур).

Все объекты, на которые действует магнитное поле:

движущиеся заряды,

проводники с током,

контуры с током,

постоянные магниты,

являются источникамитакжемагнитного поля.

изменяющееся электрическое поле,

Последний источник мы упоминаем пока лишь для полноты картины, говорить о нем будем в самом конце темы, когда будет идти речь об электромагнитной индукции. Пока рассмотрим только первые четыре источника.

Для описания магнитного поля нужно ввести его характеристики. Естественно это сделать так же, как, например, в электричестве, по силовому действию поля. Сделать это можно несколькими способами. В качестве объекта, на который действует сила со стороны магнитного поля, можно выбрать любой из объектов или движущийся заряд, или проводник с током, или контур с током, или магнит. Принципиальной разницы нет. Обычно используют какой-нибудь из первых двух способов. Мы рассмотрим оба и покажем их равнозначность.

Воспользуемся сначала первым способом – рассмотрим движущийся заряд.

На заряд, движущийся в магнитном поле, будет действовать сила, которую будем на-

зывать магнитной силой FM . Экспериментально установлено:

вектор силы перпендикулярен вектору скорости ( FM V );

если изменить направление скорости заряда, то сила изменит свое направление, но при этом останется перпендикулярной некоторому направлению, совпадающему с направлением магнитной стрелки, помещенной в точку, где находится заряд;

если изменить величину заряда, то сила по величине пропорциональна величине заряда q ( FM ~ q );