Постоянный электрический ток Электрический ток, сила и плотность тока


Скачать 116.24 Kb.
НазваниеПостоянный электрический ток Электрический ток, сила и плотность тока
Дата публикации10.01.2014
Размер116.24 Kb.
ТипДокументы
referatdb.ru > Физика > Документы

Постоянный электрический ток

Электрический ток, сила и плотность тока


Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов.



рис. 1



Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Для постоянного тока



Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площа­ди поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:



Сила тока



а плотность тока

(1)

Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате (А/м2).

Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора j, т. е.

(2)

где dS=ndS (n — единичный вектор нормали к площадке dS, составляющей с век­тором j угол ).











^

Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение


Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.

Физи­ческая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при переме­щении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э.д.с.), действующей в цепи:

(3)

Сторонняя сила Fст, действующая на заряд Q0, может быть выражена как



где Е — напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q0 на замкнутом участке цепи равна

(4)

Разделив (4) на Q0, получим выражение для э. д. с., действующей в цепи:



т. е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.д.с., действующая на участке 12, равна

(5)

На заряд ^ Q0 помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля Fe=Q0E. Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q0, равна



Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q0 на участке 12, равна



можем записать

(6)

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, поэтому в данном случае

Напряжением U на участке 12 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторон­них сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (6),


^






Закон Ома. Сопротивление проводников


(7)

Уравнение (7) выражает закон Ома для участка цепи не содержащего источника тока. Формула (7) позволяет установить единицу сопротивления — ом (Ом): 1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет постоянный ток 1 А. Величина



называется электрической проводимостью проводника. Единица проводимости — сименс (См): 1 См — проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом.

(8)

где — коэффициент пропорциональности, характеризующий материал проводника и называемый удельным электрическим сопротивлением. Единица удельного элект­рического сопротивления — омметр (Омм).

Закон Ома можно представить в дифференциальной форме. Подставив выражение для сопротивления (8) в закон Ома (7), получим

(9)

где величина, обратная удельному сопротивлению,



называется удельной электрической проводимостью вещества проводника. Ее едини­ца — сименс на метр (См/м).

(10)

(11)






рис. 2
^

Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца


Так как ток представляет собой перемещение заряда dq под действием электрического поля, то, работа тока

(12)

Если сопротивление проводника R, то, используя закон Ома (98.1), получим

(13)

Из (12) и (13) следует, что мощность тока

(14)

Если сила тока выражается в амперах, напряжение — в вольтах, сопротивле­ние — в омах, то работа тока выражается в джоулях, а мощность — в ваттах. На практике применяются также внесистемные единицы работы тока: ватт-час (Втч) и киловатт-час (кВтч). 1 Втч — работа тока мощностью 1 Вт в течение 1 ч; 1 Втч=3600 Bтc=3,6103 Дж; 1 кВтч=103 Втч= 3,6106 Дж.

Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока идет на его нагревание и, по закону сохранения энергии,

(15)

Таким образом, используя выражения (15), (12) и (13), получим

(16)

Выражение (16) представляет собой закон ДжоуляЛенца, экспериментально уста­новленный независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. X. Ленцем

По закону Джоуля — Ленца, за время dt в этом объеме выделится теплота



Количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема, называется удельной тепловой мощностью тока. Она равна

(17)

Используя дифференциальную форму закона Ома (j=Е) и соотношение =1/, получим

(18)

Формулы (17) и (18) являются обобщенным выражением закона Джоуля—Ленца в дифференциальной форме, пригодным для любого проводника.
^








Закон Ома для неоднородного участка цепи


(19)

(20)

Из формул (1) и (20) получим

(21)

откуда

(22)

Выражение (21) или (22) представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме, который является обобщенным законом Ома.

Если на данном участке цепи источник тока отсутствует (=0), то из (22) приходим к закону Ома для однородного участка цепи:



Закон Ома для замкнутой цепи:




^


Правила Кирхгофа для разветвленных цепей


Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:



Например, для рис. 3 первое правило Кирхгофа запишется так:





рис. 3 рис. 4

Второе правило Кирхгофа получается из обобщенного закона Ома для разветвлен­ных цепей. Рассмотрим контур, состоящий из трех участков (рис. 4).

Складывая почленно эти уравнения, получим

(23)

(24)

При расчете сложных цепей постоянного тока с применением правил Кирхгофа необходимо:

1. Выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи;

2. Выбрать направление обхода контура и строго его придерживаться;

3. Составить столько уравнений, чтобы их число было равно числу искомых величин (в систему уравнений должны входить все сопротивления и э.д.с. рассматрива­емой цепи);

(25)

Для контуров АСВA, ACDA и CBDC, согласно второму правилу Кирхгофа, можно записать:

(26)


рис. 4

(27)

а из (26) получим

(28)

Из (27) и (28) вытекает, что

(29)

Таким образом, в случае равновесного моста (IG = 0) при определении искомого сопротивления R1 э.д.с. батареи, сопротивления батареи и гальванометра роли не играют.



рис. 5

(30)

Длины l3 и l4 легко измеряются по шкале, a R2 всегда известно. Поэтому уравнение (30) позволяет определить неизвестное сопротивление R1.









^

Электрические токи в металлах, вакууме и газах

Элементарная классическая теория электропроводности металлов


средняя скорость теплового движения электронов



которая для T=300 К равна 1,1105 м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока.


















^

Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов


1. Закон Ома.



Следовательно, средняя скорость направлен­ного движения электрона

(31)



Подставив значение t в формулу (31), получим



Плотность тока в металлическом проводнике,



удельная проводимость материала

(32)

которая тем больше, чем больше концентрация свободных электронов и средняя длина их свободного пробега.

2. Закон Джоуля — Ленца. К концу свободного пробега электрон под действием поля приобретает дополнительную кинетическую энергию

(33)

(34)

Если n — концентрация электронов, то в единицу времени происходит пz столкнове­ний и решетке передается энергия

(35)

которая идет на нагревание проводника. Подставив (33) и (34) в (35), получим таким образом энергию, передаваемую решетке в единице объема проводника за единицу времени,

(36)

закон Джоуля—Ленца в дифференциальной форме.

3. Закон Видемана Франца.



где постоянная, не зависящая от рода металла.
^

Работа выхода электронов из металла


Разность потенциалов  в этом слое, называемая поверхностным скачком потенциала, определяется работой выхода (А) электрона из металла:



Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ): 1 эВ равен работе, соверша­емой силами поля при перемещении элементарного электрического заряда (заряда, равного заряду электрона) при прохождении им разности потенциалов в 1 В. Так как заряд электрона равен 1,610–19 Кл, то 1 эВ= 1,610–19 Дж.
^


Эмиссионные явления и их применение


1. Термоэлектронная эмиссия — это испускание электронов нагретыми металлами.

рис. 6



рис. 7



где В—коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения.

Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выве­денной теоретически на основе квантовой статистики:



^ 2. Фотоэлектронная эмиссия — это эмиссия электронов из металла под действием света, а также коротковолнового электромагнитного излучения (например, рентгеновс­кого).

^ 3. Вторичная электронная эмиссия — это испускание электронов поверхностью ме­таллов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов.

Отношение числа вторичных электронов n2 к числу первичных n1, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:





рис. 8 рис. 9

4. Автоэлектронная эмиссия — это эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля.
^

§ 106. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд






рис. 10 рис. 11

^



Самостоятельный газовый разряд и его типы



Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.


рис. 11 рис. 12

^ 1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях.



рис.13

2. Искровой разряд возникает при больших напряженностях электрического поля (3106 В/м) в газе, находящемся под давлением порядка атмосферного.

^ 3. Дуговой разряд. Если после зажигания искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд становится непре­рывным — возникает дуговой разряд.

^ 4. Коронный разряд — высоковольтный электрический разряд при высоком (напри­мер, атмосферном) давлении в резко неоднородном поле вблизи электродов с большой кривизной поверхности (например, острия).


^

Плазма и ее свойства


Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором концентрации положитель­ных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

Различают высокотемператур­ную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде.

Плазма характеризуется степенью ионизации  — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы.

В зависимости от величины  говорят о слабо ( составляет доли процента), умеренно ( — несколько процентов) и полностью ( близко к 100%) ионизованной плазме.

Высокотемпературная плазма является равновесной, или изотермической, т. е. при определенной температуре убыль числа заряженных частиц восполняется в результате термической ионизации.

Условием существования плазмы является некоторая минимальная плотность заря­женных частиц, начиная с которой можно говорить о плазме как таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства L>>D, где Lлинейный размер системы заряженных частиц, D — так называемый дебаевский радиус экранирования, представляющий собой то расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.

Похожие рефераты:

Постоянный электрический ток Электрический ток, сила и плотность тока
Если же упорядоченное движение электрических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела...
Постоянный электрический ток. Сила и плотность тока. Электрическое сопротивление
Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц
Методические указания для интернов Тема: Постоянный электрический...
Постоянный ток в методике электросна. Переменный электрический ток. Амплипульсотерапия. Основные виды синусои­дальных модулированных...
Решение задач по теме «Переменный электрический ток»
Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный электрический ток. Действующие значения силы тока и напряжения
Проблемотека к разделу «Электрический ток в различных средах»
С дистиллированной водой, медными электродами – тока нет, досыпать купорос – ток есть! Почему?
Как электрический ток зависит от напряжения?
Определите по графику зависимости силы тока от напряжения, какова сила тока в проводнике при напряжении 6 в и при каком напряжении...
Тема: Электрический ток в газах. Виды газового разряда и их применение....
Воспитательные: содействовать формированию у учеников интереса к более глубокому изучению физических явлений, связанных с понятием...
Школьнику об электробезопасности
Электрический ток пора-жает внезапно, когда человек оказывается «включенным» в цепь прохождения тока. При этом ток повреждает ткани...
Электрический ток, напряжение. Положительное направление тока, напряжения....

Памятка по электробезопасности для населения
Электрический ток поражает внезапно, когда человек оказывается «включенным» в цепь прохождения тока. При этом ток повреждает ткани...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
referatdb.ru
referatdb.ru
Рефераты ДатаБаза