Проводники в электростатическом поле

Проводники отличаются от диэлектриков тем, что у них высока концентрация свободных носителей заряда. В металлах ими являются свободные электроны, которые в отличие от связанных электронов способны перемещаться по всему объёму тела. Появление свободных электронов обусловлено тем, что в атомах металлов валентные электроны слабо взаимодействуют с ядрами и легко утрачивают связи с ними. Поэтому металл представляет собой кристаллическую решётку, в узлах которой расположены положительные ионы, окружённые отрицательным электронным газом.

Внесём в электростатическое поле напряжённостью Е₀ металлическое тело. В первый момент внутри проводника возникает поле той же напряжённости Е₀. Оно действует на свободные электроны, и те перемещаются против поля Е₀. По мере перераспределения электронов в проводнике возникает внутреннее поле E', направленное противоположно внешнему полю Е₀. Электроны перемещаются до тех пор, пока результирующее поле внутри проводника не станет равно нулю: Е = Е₀– E' = 0.

Диэлектрики в электростатическом поле

У диэлектриков электроны связаны с атомами и не могут под действием электрического поля свободно перемещаться. Так как концентрация свободных носителей заряда ничтожно мала, электростатическая индукция отсутствует. Поэтому напряжённость поля внутри диэлектрика не обращается в нуль, а лишь в большей или меньшей степени уменьшается.

В этом можно убедиться, поставив следующие опыты. На электрометре закрепим металлическую пластину и зарядим её. Поднесём к заряженной пластине другую металлическую пластину и увидим, что показания электрометра уменьшились. Это объясняется тем, что за счёт электростатической индукции на ближайшей поверхности поднесённого проводника возникает заряд противоположного знака.

Теперь вместо металлической поднесём к заряженной пластине нейтральную диэлектрическую пластину. Вновь увидим, что показания электрометра уменьшились. Значит, и на поверхности диэлектрика в электрическом поле также возникают заряды. Отсюда следует, что диэлектрик, помещённый во внешнее электрическое поле, оказывает на него влияние, создавая своё электрическое поле, уменьшающее внешнее.

В электрическое поле заряженного шара внесём нейтральную диэлектрическую палочку на нити и обнаружим, что палочка поворачивается, располагаясь вдоль силовой линии поля. Значит, палочка становится диполем – концы её приобретают заряды противоположных знаков.

Полярные и неполярные диэлектрики

Если молекула состоит из двух ионов (K⁺Сl^–), один из которых положительный, а другой отрицательный, то центры распределения положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Такие молекулы и состоящие из них диэлектрики называются полярными.

Если молекула состоит из одного или нескольких одинаковых атомов (например, Н₂), то центры распределения отрицательного и положительного зарядов совпадают, и она называется неполярной молекулой, а диэлектрик – неполярным диэлектриком.

Билет 5

Электроемкость. Конденсатор электроемкости простого конденсатора.

Величину С, равную отношению заряда системы проводников к разности потенциалов между ними, называют электрической емкостью (электроемкостью) данной системы проводников:

1) C = , Q = CU

Единицей электроемкости является кулон на вольт (Кл/В)

Систему из двух изолированных друг от друга металлических проводников. Между которыми находится диэлектрик, называют конденсатором, сами проводники – обкладками конденсатора. В зависимости от конфигурации обкладок различают:

- плоский конденсатор (систему из двух плоких параллельно расположенных металлических пластин площадью S каждая. Расстояние между пластинами d много меньше их линейных размеров. В этом случае поле между пластинами можно считать однородным и пренебречь искажениями поля на краях;

- сферический конденсатор, обкладки которого представляют собой 2 концентрические сферы;

- цилиндрический конденсатор, у которого обкладками служат 2 коаксиальных цилиндра.

Билет 6

Конденсаторы и их соединения. Энергия электрического поля конденсатора.

Конденсаторы различной емкости можно соединять в батареи двумя способами: либо последовательно, либо параллельно. Пр разных способах соединения конденсаторов заряды и потенциалы между ними распределяются по-разному:

А) при зарядке батареи последовательно соединенных конденсаторов заряды на каждой из обкладок оказываются равными по модулю, но противоположными по знаку, а разность потенциалов между крайними обкладками батареи равна сумме разностей потенциалов на каждом из конденсаторов в отдельности;

Б) при зарядке батареи параллельно соединенных конденсаторов заряды одного знака перераспределяютя на соответствующих обкладках так, что суммарный заряд одного знака батареи равен сумме зарядов на каждой отдельной обкладке, а разность потенциалов на обкладках всех конденсаторов батареи одна и та же.

Билет 7

Постоянный электрический ток и его характеристика. Условия, необходимые для существования электрического тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление, как характеристика резистора.

Электри́ческий ток — упорядоченное некомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

Направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов. Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Различают переменный и постоянный токи.

• Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняется во времени.

• Переменный ток — это ток, направление и величина которого меняется во времени.

Условия, необходимые для существования электрического тока: - наличие свободных электрически заряженных частиц; - наличие внутри проводника эл.поля действующего с силой на заряженные частицы для их упорядоченного движения ( свободные электроны по инерции , без действия силы, перемещаться не могут из-за тормозящего воздействия на них кристаллической решетки). Если в проводнике существует эл. поле, то между концами проводника есть разность потенциалов. Если разность потенциалов постоянна во времени, в проводнике течет постоянный ток.

ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ

• (1)

• где U - напряжение на концах участка цепи, R - сопротивление участка цепи. (сам проводник тоже можно считать участком цепи).

Сопротивление проводников зависит от материала, из которого они изготовлены, и их геометрических размеров. Для проводника длиной l c постоянной площадью поперечного сечения S справедливо соотношение

,

где р - постоянная величина, называемая удельным сопротивлением

Единицу удельного сопротивления определяют ом метр (Ом м).

Проводник, сопротивление которого определяется выражением (1) называется резистором.

Билет 8

Электродвижущая сила. Закон Ома для замкнутой цепи.

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура. ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил ( ).

ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в вольтах. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке.

Закон Ома дл замкнутой цепи:

,

где R – сопротивление всех резисторов, образующих цепь (сопротивление нагрузки); r – внутреннее сопротивление источника тока; - э.д.с. источника тока.

Билет 9

Законы последовательного и параллельного соединения резистора.

Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно. При последовательном соединении проводников (рис.1) сила тока во всех проводниках одинакова:

I1 = I2 = I.

 

Рисунок 1. Последовательное соединение проводников.

1.
По закону Ома, напряжения U1 и U2 на проводниках равны

U1 = IR1,   U2 = IR2.

  Общее напряжение U на обоих проводниках равно сумме напряжений U1 и U2:

U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR,

где R – электрическое сопротивление всей цепи. Отсюда следует:

R = R1 + R2.

  При последовательном соединении полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников. Этот результат справедлив для любого числа последовательно соединенных проводников. При параллельном соединении (рис.2) напряжения U1 и U2 на обоих проводниках одинаковы:

U1 = U2 = U.

  Сумма токов I1 + I2, протекающих по обоим проводникам, равна току в неразветвленной цепи:

I = I1 + I2.

  Этот результат следует из того, что в точках разветвления токов (узлы A и B) в цепи постоянного тока не могут накапливаться заряды. Например, к узлу A за время Δt подтекает заряд IΔt, а утекает от узла за то же время заряд I1Δt + I2Δt. Следовательно, I = I1 + I2.

Рисунок 2. Параллельное соединение проводников.

2.
Записывая на основании закона Ома

где R – электрическое сопротивление всей цепи, получим

  При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

Билет 10

Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца.

Под работой тока понимают работу, совершаемую всеми действующими на заряд силами поля при перемещении эл. заряда в цепи.

Работа тока A = U l t,

Если цепь замкнута A = I t

Работа тока в замкнутой цепи совершается только за счет работы сторонних сил в генераторе, которая расходуется на разделение электрических зарядов, создание эл. поля во внешней цепи и поддержание в ней эл. тока.

Единицей работы эл. тока в СИ является джоуль (Дж)

Мощность равна отношению работы к промежутку времени, за который эта работа была совершена. Мощность тока определяют по формуле или P = IU.

Единица мощности тока — ватт: 1 Вт = Дж/с. Отсюда Дж = Вт·с

Закон Джоуля-Ленца

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля.

2) = , где Q – количество теплоты, А – работа.

Билет 11

Электрический ток в чистых полупроводниках. Электрический ток в n-п с примесями р-п типов. Свойства р-п перехода. Полупроводниковый диод.

Полупроводник -- вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается.

Полупроводники чистые (без примесей) Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика. Собственная проводимость бывает двух видов: 1) электронная ( проводимость "n " - типа) При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление уменьшается. Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл.поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

2) дырочная ( проводимость " p" - типа ) При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка". Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда. Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля. Кроме нагревания , разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением ( фотопроводимость ) и действием сильных электрических полей.