При розряджанні конденсатора лампа засвічується.

 

Енергія конденсатора перетворюється в інші форми: теплову, світлову.

Виведемо формулу для енергії  плоского конденсатора. Напруженість поля, створеного зарядом  однієї з пластин, дорівнює Е/2, де Е –

напруженість поля в конденсаторі. В  однорідному полі однієї пластини є заряд q, розподілений по поверхні другої пластини. Згідно з формулою

               W_p  = qЕ d,  для потенціальної енергії заряду в однорідному полі енергія конденсатора дорівнює:

                     W_p = qЕ/2d, де d – відстань між пластинами конденсатора, q – заряд конденсатора.

  Оскільки Е d = U, де U – різниця потенціалів між обкладками конденсатора, то його енергія дорівнює:

 

 

Енергія електричного поля

Згідно з теорією близькодії вся енергія взаємодії заряджених тіл сконцентрована в електричному полі цих тіл. Отже енергія може бути виражена через основну  характеристику поля – напруженість.

 

19 Енергія електростатичного поля.

 

У зв’язку з тим, що електричне поле, наприклад, плоского конденсатора існує лише у обмеженому просторі  об’ємові конденсатора, тому можна вважати, що енергія зарядженого конденсатора тотожна енергії електричного поля

.          

Густина  енергії електричного поля дорівнює

.          

w=  = 

де    напруженість, а    електричне зміщення поля.

Об’ємна густина енергії поляризації діелектрика може бути знайдена шляхом віднімання від об’ємної густини електричної енергії поля у діелектрику об’ємної густини електричної енергії поля у вакуумі при рівних напруженостях Е

,          (

і остаточно

де    вектор поляризації діелектрика.

20 Закон Ома справедливий для провідників, виготовлених із матеріалів, у яких є вільні носії заряду: електрони провідності, дірки або йони Якщо до таких провідників прикласти напругу, то в провідниках виникає електричне поле, що змушуватиме носії заряду рухатися. Під час цього руху носії заряду прискорюються й збільшують свою кінетичну енергію. Проте зростання енергії носіїв заряду обмежене зіткненнями між собою, зі зміщеними з положень рівноваги внаслідок теплового руху атомами матеріалу, з домішками. При таких зіткненнях надлишкова кінетична енергія носіїв струму передається коливанням кристалічної ґратки, виділяючись у вигляді тепла.

В середньому носії заряду мають швидкість, яка визначається частотою зіткнень. Математичною характеристикою таких зіткнень є час розсіяння і зв'язана із ним довжина вільного пробігу носіїв заряду. Обчислення показують, що середня швидкість носіїв заряду пропорційна прикладеному електричному полю, а отже й напрузі.

Таким чином, у матеріалах із вільними носіями заряду сила струму пропорційна напруженості електричного поля. Проходження струму через матеріал супроводжується виділеннями тепла. Детальніше про це у статті закон Джоуля-Ленца.

У сильних електричних полях закон Ома часто не виконується навіть для гарних провідників, оскільки фізична картина розсіяння носіїв заряду змінюється. Розігнаний до великої швидкості носій заряду може іонізувати нейтральний атом, породжуючи нові носії заряду, які теж у свою чергу вносять вклад у електричний струм. Електричний струм різко, іноді лавиноподібно, наростає.

У деяких матеріалах при низьких температурах процеси розсіяння носіїв заряду гасяться завдяки особливій взаємодії між ними та коливаннями кристалічної ґратки - фононами. В такому випадку виникає явище надпровідності

У електротехніці прийнято записувати закон Ома у інтегральному вигляді

де U — прикладена напруга, I — сила струму, R — опір провідника.

Проте опір є характеристикою провідника, а не матеріалу, й залежить від довжини та поперечного перерізу провідника. Тому в фізиці застосовують закон Ома у диференціальному вигляді:

де j — густина струму, σ — питома провідність матеріалу, E — напруженість електричного поля.

Питома провідність залежить від кількості вільних носіїв заряду в провіднику і від їхньої рухливості

21 При движении зарядов в электрической цепи выполняется работа. Численно работа, совершаемая при перенесении электрического заряда q между двумя точками, разность потенциалов между которыми равна U, может быть определена по формуле

 В свою очередь электрический заряд q может быть выражен как произведение величины тока на время:

 

 Подставляя значение заряда, получим

Итак, работа, совершаемая током на каком-либо участке цепи, прямо пропорциональна напряжению на этом участке, величине тока и времени, в течение которого протекает ток.

 Если принять U=1 в, I=1 a, t=1 сек, то А=1 в a сек

Эта единица работы называется джоулем.

Следовательно, 1 джоуль (дж), или ватт-секунда,-есть работа, выполняемая на участке цепи при напряжении 1 вольт, величине тока 1 ампер за 1 секунду.

Более крупными единицами работы являются:

1 ватт-час (1 вт-ч)=3600 дж;

1 гекто-час (1 гтв-ч) = 100 вт-ч=360000 дж;

1 киловатт-час (1квт-ч)=1000 вт-ч=3600000 дж.

Если в основной формуле выразить ток (или напряжение) по закону Ома то получим соответственно:

 

 

 В зависимости от типа потребителя процесс совершения работы электрическим током сопровождается превращением электрической энергии в другие виды энергии: тепловую (лампа накаливания, электронагревательные приборы), механическую (электрические двигатели), химическую ( электролиз, зарядка аккумуляторов), световую (газосветные лампы)

22 Змі́нний струм — електричний струм, сила якого періодично змінюється з часом.

Здебільшого коливання струму відбуваються за гармонічним законом

I = I₀cos(2πνt − φ),

де I₀ — амплітуда струму, ν — частота, φ — фаза струму.

Миттєве значення потужності електричного струму дорівнює

, повна потужність

, активна потужність

, реактивна потужність

де U — напруга, а Δφ - зсув фаз між напругою і струмом.

Однак практичніше використовувати усереднене значення потужності

,

де I₀ — амплітудне значення сили струму, U₀ — амплітудне значення напруги.

Змінний струм характеризують також діючими значеннями сили струму й напруги

23 Робота виходу електронів з металу

Емісія електронів з металу може спостерігатися при певних умовах. Залишити метал можуть вільні електрони, якщо їм надати енергію, достатню для подолання електричних сил, що перешкоджають виходу. Виникнення цих сил пов’язано з наступними причинами.

Над поверхнею металу постійно існує хмарка негативного заряду, яка утворюється за рахунок електронів, що перетнули поверхню металу та віддаляються на відстань порядку постійної гратки і повертаються назад. Цей негативний заряд над поверхнею металу та позитивний заряд поверхневих іонів створюють подвійний електричний шар, який своїм полем затримує рух електронів від металу.

Таким чином, вільний електрон у металі з енергетичної точки зору знаходиться у потенціальній ямі глибиною _W відносно вакууму. На рис.1а представлена потенціальна енергія електрона всередині металу, при цьому потенціальна енергія електрона в вакуумі приймається за нуль відліку.

                    а                                     б                                     в 

Знаходячись всередині потенціальної ями, вільні електрони беруть участь у тепловому русі і мають кінетичну енергію. Розподіл електронів за кінетичною енергією визначається на основі квантової статистики вільних електронів у металі. Число вільних електронів з енергією між   та   при довільній температурі металу   дається співвідношенням

,                           

де _m – маса електрона, _h – стала Планка,   – температура, _k – стала Больцмана,   – енергія Фермі.

Електрон, який вийшов за межі металу,  викликає появу на поверхні зразку додатного індукованого заряду, звідки між електроном та зразком виникає сила притягання, що перешкоджає віддаленню електронів. Величину цієї сили можна розрахувати за методом дзеркальних зображень. Тому цю силу називають силою дзеркального зображення

24 Конта́ктна різни́ця потенціа́лів — різниця електростатичних потенціалів, яка виникає при контакті двох різних металів. При контакті двох металів частина електронів перетікає з одного з них до іншого, доки не вирівняються хімічні потенціали для електронів. У результаті цього процесу метали отримують заряд, який зосереджується в тонкому (мікроскопічному) шарі вздовж границі. Зарядна поверхні одного з металів додатній, іншого — від'ємний. Електричне поле, яке виникає при цьому, обмежене тонким подвійним шаром. Зазвичай цей шар настільки тонкий, що пропускає електричний струм — електрони тунелюють через нього.

Величина різниці потенціалів, яка виникає внаслідок утворення подвійного шару, визначається із умови вирівнювання хімічного потенціалу електронів:

,

де e — заряд електрона, μ_i — рівень Фермі i-го металу, ϕ_i — його потенціал.

В результаі різниця потенціалів дорівнює

.

Таким чином, контактна різниця потенціалів між двома металами визначається відносним положенням їхніх рівнів Фермі.

Важливою особливістю контакту металів є те, що на поверхні металів існують численні поверхневі рівні для електронів, що зменшує область подвійного зарядженого шару до кількох сталих кристалічної ґратки. При контакті металу й напівпровідника, або при контакті двох напівпровідників заряджені області набагато ширші, створюючи значні бар'єри для проходження електричного струму. Провідність таких контактів одностороння, що широко використовується в напівпровідниковій техніці