- •Конспект лекций
- •От авторов
- •Введение
- •Лекция 1. Электростатика в вакууме и веществе. Электрическое поле
- •1.1. Предмет классической электродинамики
- •1.2. Электрический заряд и его дискретность. Теория близкодействия
- •1.3. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей
- •1.3.1. Границы применимости закона Кулона
- •1.3.2. Принцип суперпозиции электрических полей. Электрическое поле диполя
- •1.4. Поток вектора напряженности электростатического поля
- •1.5. Теорема Остроградского-Гаусса для электрического поля в вакууме
- •1.6. Работа электрического поля по перемещению электрического заряда. Циркуляция вектора напряженности электрического поля
- •1.7. Энергия электрического заряда в электрическом поле
- •1.8. Потенциал и разность потенциалов электрического поля. Связь напряженности электрического поля с его потенциалом
- •1.8.1. Потенциал и разность потенциалов электрического поля
- •1.8.2. Связь напряженности электрического поля с его потенциалом
- •1.9. Эквипотенциальные поверхности
- •1.10. Основные уравнения электростатики в вакууме
- •1.11. Некоторые примеры электрических полей, порождаемых простейшими системами электрических зарядов
- •1.11.1. Электрическое поле, порождаемое бесконечно длинным, равномерно заряженным стержнем
- •1.11.2. Поле бесконечно протяженной, однородно заряженной плоскости
- •1.11.3. Поле двух бесконечно протяженных, равномерно заряженных плоскостей
- •1.11.4. Поле заряженной сферической поверхности
- •1.11.5. Поле объёмно заряженного шара
- •Лекция 2. Проводники в электрическом поле
- •2.1. Проводники и их классификация
- •2.2. Электростатическое поле в полости идеального проводника и у его поверхности. Электростатическая защита. Распределение зарядов в объеме проводника и по его поверхности
- •2.3. Электроемкость уединенного проводника и ее физический смысл
- •2.4. Конденсаторы и их емкость
- •2.4.1. Емкость плоского конденсатора
- •2.4.2. Емкость цилиндрического конденсатора
- •2.4.3. Емкость сферического конденсатора
- •2.5. Соединения конденсаторов
- •2.5.1. Последовательное соединение конденсаторов
- •2.5.2. Параллельное и смешанное соединения конденсаторов
- •2.6. Классификация конденсаторов
- •Лекция 3. Статическое электрическое поле в веществе
- •3.1. Диэлектрики. Полярные и неполярные молекулы. Диполь в однородном и неоднородном электрических полях
- •3.1.1. Диполь в однородном электрическом поле
- •3.1.2. Диполь в неоднородном внешнем электрическом поле
- •3.2. Свободные и связанные (поляризационные) заряды в диэлектриках. Поляризация диэлектриков. Вектор поляризации (поляризованность)
- •3.4. Условия на границе раздела двух диэлектриков
- •3.5. Электрострикция. Пьезоэлектрический эффект. Сегнетоэлектрики, их свойства и применение. Электрокалорический эффект
- •3.6. Основные уравнения электростатики диэлектриков
- •Лекция 4. Энергия электрического поля
- •4.1. Энергия взаимодействия электрических зарядов
- •4.2. Энергия заряженных проводников, диполя во внешнем электрическом поле, диэлектрического тела во внешнем электрическом поле, заряженного конденсатора
- •4.3. Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии электрического поля
- •4.4. Силы, действующие на макроскопические заряженные тела, помещенные в электрическое поле
- •Лекция 5. Постоянный электрический ток
- •5.1. Постоянный электрический ток. Основные действия и условия существования постоянного тока
- •5.2. Основные характеристики постоянного электрического тока: величина /сила/ тока, плотность тока. Сторонние силы
- •5.3. Электродвижущая сила (эдс), напряжение и разность потенциалов. Их физический смысл. Связь между эдс, напряжением и разностью потенциалов
- •Лекция 6. Классическая электронная теория проводимости металлов. Законы постоянного тока
- •6.1. Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах
- •6.2. Электрическое сопротивление проводников. Изменение сопротивления проводников от температуры и давления. Сверхпроводимость
- •6.3. Соединения сопротивлений: последовательное, параллельное, смешанное. Шунтирование электроизмерительных приборов. Добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам
- •6.3.1. Последовательное соединение сопротивлений
- •6.3.2. Параллельное соединение сопротивлений
- •6.3.3. Шунтирование электроизмерительных приборов. Добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам
- •6.4. Правила (законы) Кирхгофа и их применение к расчету простейших электрических цепей
- •6.5. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной и интегральной формах
- •6.6. Энергия, выделяющаяся в цепи постоянного тока. Коэффициент полезного действия (кпд) источника постоянного тока
- •Лекция 7. Электрический ток в вакууме, газах и жидкостях
- •7.1. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия
- •7.2. Вторичная и автоэлектронная эмиссия
- •7.3. Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации
- •7.3.1. Несамостоятельная и самостоятельная проводимость газов
- •7.3.2. Закон Пашена
- •7.3.3. Виды разрядов в газах
- •7.3.3.1. Тлеющий разряд
- •7.3.3.2. Искровой разряд
- •7.3.3.3. Коронный разряд
- •7.3.3.4. Дуговой разряд
- •7.4. Понятие о плазме. Плазменная частота. Дебаевская длина. Электропроводность плазмы
- •7.5. Электролиты. Электролиз. Законы электролиза
- •7.6. Электрохимические потенциалы
- •7.7. Электрический ток через электролиты. Закон Ома для электролитов
- •7.7.1. Применение электролиза в технике
- •Лекция 8. Электроны в кристаллах
- •8.1. Квантовая теория электропроводности металлов. Уровень Ферми. Элементы зонной теории кристаллов
- •8.2. Явление сверхпроводимости с точки зрения теории Ферми-Дирака
- •8.3. Электропроводность полупроводников. Понятие о дырочной проводимости. Собственные и примесные полупроводники. Понятие о p-n – переходе
- •8.3.1. Собственная проводимость полупроводников
- •8.3.2. Примесные полупроводники
- •8.4. Электромагнитные явления на границе раздела сред
- •8.4.2. Фотопроводимость полупроводников
- •8.4.3. Люминесценция вещества
- •8.4.4. Термоэлектрические явления. Закон Вольта
- •8.4.5. Эффект Пельтье
- •8.4.6. Явление Зеебека
- •8.4.7. Явление Томсона
- •Заключение
- •Библиографический список Основной
- •Дополнительный
8.4.7. Явление Томсона
В однородной металлической цепи, в которой одновременно имеется разность температур и электрический ток, возникает термоэлектрический эффект, называемый явлением (эффектом) Томсона. Он заключается в том, что когда дрейф электронов происходит в том же направлении, в каком происходит распространение тепла, то в проводнике в дополнение к теплу, обусловленному теплопроводностью и джоулевым теплом, прибавляется (или вычитается при противоположном дрейфе) тепло, переносимое электронами:
, (8.44)
где KТ – коэффициент Томсона, зависящий от материала цепи.
Явление Томсона можно объяснить следующим образом. В более нагретой части проводника электроны имеют большую среднюю энергию, чем в менее нагретой. Двигаясь в направлении убывания температуры, они отдают часть своей энергии решетке, в результате чего происходит выделение теплоты Томсона. Если электроны движутся в сторону возрастания температуры, то они приобретают дополнительную энергию за счет энергии решетки, в результате происходит поглощение теплоты (энергии) Томсона.
Заключение
Изложение раздела "Электричество" общего курса физики в виде конспекта лекций закончено. Начав изложение этого раздела с введения, в котором сформулированы основные цели и задачи, в работе последовательно рассмотрены вопросы классической электродинамики, электростатики в вакууме и веществе, понятия электрического поля и его характеристик. Достаточно подробно рассмотрена теорема Остроградского-Гаусса и ее применение. Опираясь на основные законы и понятия электродинамики, проанализировано поведение проводников и диэлектриков в электрическом поле, а также рассмотрены особенности и поведение электрического поля в них, энергетические соотношения при взаимодействиях в электрическом поле, энергия электрического поля. Даны понятия электрического тока, его действий и условий существования. Разъяснены сущность и различия в понятиях ЭДС, напряжения и разности потенциалов, а также установлена связь между этими величинами. В соответствии с программой курса физики представлена классическая электронная теория проводимости металлов, законы постоянного тока и их применение, электрический ток в вакууме, газах и жидкостях. В доступной форме рассмотрена квантовая теория электропроводности металлов, сверхпроводимость, электропроводность полупроводников и явления, возникающие на границе раздела двух сред.
Приведенный перечень вопросов, изложенных в конспекте лекций, позволяет проследить логику в развитии учения об электричестве и эволюцию его идей, а также представить основные периоды и этапы становления этого учения.
Со времени появления первых гипотез, теорий и экспериментов прошло более трехсот лет. За это время учение об электричестве прошло путь от простейших теорий и экспериментов, от макроскопического уровня изучения явлений до исследования материи на уровне элементарных частиц.
Вместе с тем данная работа не рассчитана на очень детальное теоретическое рассмотрение отдельных вопросов, требующее от студентов специальных математических знаний (тензорного исчисления, интегральных уравнений, специальных функций). Необходимые сведения по данному вопросу содержатся в соответствующей научно-теоретической литературе.
В конспекте лекций акцентируется внимание на то, что электрическая энергия играет большую роль в технике. Огромные успехи, достигнутые в технологической революции, и особенно в XX столетии, связаны в основном с развитием учения об электромагнетизме. Однако современная физика и учение об электричестве стоят перед целым рядом нерешенных проблем.
Например, проблемы: плазмы – разработка методов разогрева плазмы до температур порядка 109 К и ее удержание в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции; физики твердого тела – получение материалов с заданными свойствами и, в частности, с экстремальными параметрами по большому "спектру" характеристик, создание высокотемпературных сверхпроводников.
В настоящее время с особой силой подчеркивается практическая важность фундаментальных исследований. Это, в первую очередь, относится к исследованиям в области современной электроэнергетики. Решение стоящих перед ней проблем является важнейшим условием ускорения научно-технического процесса.
Физика, с одной стороны, является фундаментальной основой приобретения новых знаний как в процессе обучения, так и в процессе работы специалиста, а с другой – она является теоретической базой, без которой невозможна успешная деятельность в области знаний "Технические науки". Кроме того, открываемые новые физические явления или новые свойства тел находят техническое применение уже через несколько лет (и даже в процессе обучения студентов в вузе). Все это требует определенной гибкости учебного процесса и его совершенствования, соответственно, темпам развития науки и техники.
Организация лекционного курса на базе экономичной затраты студенческого и преподавательского времени, предусмотренная данной работой, полностью отвечает основным задачам курса физики в вузах нефизического профиля: развитие логического мышления, расширение представлений о многообразии свойств материи, подготовка к усвоению последующих дисциплин рабочего учебного плана.