Енергія електричного поля. Робота та енергія електричного струму.
Енергію,
зосереджену в електростатичному полі
нерухомих заряджених тіл, називають
електростатичною.
Щоб
зарядити провідник, треба виконати
роботу проти кулонівських сил
електростатичного відштовхування між
однойменними зарядженими частинками.
Для збільшення заряду на величину dq
треба виконати роботу dA
= j
• dq
, але q
= C
•j
, тому dA
= Cj
• dj
. Загальна робота при електризації
провідника від потенціалу 0 до j
дорівнює сумі елементарних робіт, тобто
інтегралові
За законом збереження енергії, робота електризації йде на збільшення енергії зарядженого провідника. Отже, електричну енергію наелектризованого провідника визначають так:
Cj2
= qj
= q2
=
2 = 2C
де q, j, C - відповідно заряд, потенціал і електроємність провідника.
Електричний струм в металах. Термоелектричні явища.
Струм в металах
Розглядаючи металеві провідники, ми вважали, що струм у металах створюють вільні, не зв’язані з певними атомами електрони - електрони провідності. За сучасними поглядами такими електронами є валентні електрони атомів металу, які найслабше зв’язані з ядрами атомів. У металах валентні електрони легко переходять від одного атома до іншого.
Класична електронна теорія провідності металів створена в 1900 р. німецьким фізиком П. Друде. Ідеї Друде далі розвинув Х. Лоренц, підвівши під них досконалішу теоретичну основу. У своїй теорії П. Друде виходив із припущення, що висока електропровідність металів зумовлена великою кількістю носіїв заряду - електронів, які хаотично переміщуються в об’ємі металу. Електрони провідності утворюють в металі електронний газ, який має властивості одноатомного газу.
В основу класичної теорії провідності металів покладено такі положення.
1.Метал як кристалічне тіло є системою позитивних іонів і вільних електронів. Кристалічну гратку утворюють розташовані правильними і жорсткими рядами іони, які здійснюють теплові коливання навколо положення рівноваги. Всередині іонної гратки хаотично рухаються електрони, створюючи електронний газ.
2.Електронний газ вважається ідеальним газом, взаємодією між електронами можна знехтувати, враховується тільки взаємодія з іонами гратки.
3.Електронний газ підлягає законам одноатомного ідеального газу.
4.Внаслідок хаотичного руху електронів у разі відсутності електричного поля в металі немає домінуючого напряму переміщення зарядів. Електрон набуває енергії впорядкованого руху під дією зовнішнього електричного поля тільки на шляху вільного пробігу.
Труднощі класичної електронної теорії. Класична теорія теплоємності виявилась зручною для пояснення багатьох явищ і властивостей речовини. Але були деякі розходження між теорією і дослідними фактами.
1.Передусім це стосується закону Відемана-Франца, який справджується в обмеженому інтервалі температур і відхилення від якого особливо разючі при низьких температурах.
2.Класична електронна теорія виявилася неспроможною пояснити температурну залежність опору провідника.
3.Суперечність теорії з дослідними даними, що стосується теплоємності твердих тіл.
4.Класична електронна теорія наштовхнулася на великі труднощі при оцінюванні довжини вільного пробігу електронів у металах.
Електричний струм у вакуумі. Термоелектрична емісія.
Вакуум відмінний ізолятор тому, що в ньому немає вільних носіїв заряду. У вакуумі струм не виникає навіть при створені різниці потенціалів.
Для наявності електричного струму в колі необхідно дві умови: існування різниці потенціалів і наявність вільних заряджених частинок.
Візьмемо трубку з двома електродами, в якій створимо вакуум і помістимо її в електричне коло. Так як в трубці відсутні носії струму, то при ввімкнені ключа, тобто появи різниці потенціалів (наявність (+) і (-) на трубці), амперметр, який працює як індикатор, фіксує відсутність струму. Робимо висновок: не виконується одна
З умов - відсутність заряджених частинок. Уявимо, що в трубку поміщено радіоактивний /3 -препарат (випромінювач електронів). При наявності заряджених частинок (електронів) в трубці і відсутності різниці потенціалів стрілка амперметра не відхиляється, це говорить про відсутність електричного струму в колі. Замкнувши ключ в колі з’являється різниця потенціалів, амперметр фіксує проходження електричного струму
Електровакуумний прилад - це прилад, в якому проходження електричного струму здійснюється тільки вільними електронами.
Зауважимо, що електрони можливо отримати не тільки шляхом 3 - розпаду, фотоефекту чи антидинатронного ефекту, але і за рахунок термоелектронної емісії. Емісію, зумовлену тепловим рухом електронів, називають термоелектронною. Явище термоелектронної емісії демонструє