Jaka wartość służy jako charakterystyka ilościowa prądu elektrycznego. Charakterystyka prądu elektrycznego i warunki jego istnienia. Siła elektromotoryczna, napięcie. Klasyczna elektroniczna teoria przewodnictwa elektrycznego metali


wstrząs elektryczny zwany ruchem skierowanym (uporządkowanym). ładunki elektryczne(rys.13.1). Same te cząstki nazywane są nośnikami prądu.

Prąd może płynąć w ciałach stałych, cieczach i gazach. Jeśli medium jest przewodnikiem z dużą liczbą wolnych elektronów, wówczas przepływ prądu elektrycznego odbywa się z powodu dryfu tych elektronów. Dryf elektronów w przewodnikach, niezwiązany z ruchem materii, nazywa się prąd przewodzenia. Prąd przewodzenia odnosi się do uporządkowanego ruchu elektronów w przewodnikach, jonów w elektrolitach, elektronów i dziur w półprzewodnikach, jonów i elektronów w gazach. Nazywa się uporządkowany ruch ładunków elektrycznych związany z ruchem naładowanego ciała w przestrzeni prąd konwekcyjny.

Dla kierunku prądu akceptowany jest dryf ładunków dodatnich (elektrony przewodzące poruszają się zawsze w kierunku przeciwnym do kierunku prądu (od „+” do „-”)). Może się to wydawać niewygodne, ale teraz nie ma potrzeby rozróżniania kierunku prądu w przewodniku i pole elektrostatyczne powodując ten prąd: kierunki te zawsze się pokrywają.

Obecna siła - wartość skalarną równą stosunkowi ilości energii elektrycznej dq, która jest przenoszona przez dany odcinek przewodnika w czasie dt, do czasu dt:

prąd stały zwany prądem elektrycznym, którego siła i kierunek nie zmieniają się w czasie. Dla prąd stały

gdzie q jest ładunkiem elektrycznym przechodzącym przez przekrój poprzeczny przewodnika w czasie t.

Jednostką prądu jest amper (A).

Określmy prędkość, z jaką odbywa się dryf elektronów w przewodniku z prądem.

Na drodze w czasie Δt przez odcinek przewodnika S przeszło N elektronów o całkowitym ładunku Δq = Ne. Jeżeli prędkość ukierunkowanego ruchu elektronów wynosi υ, to w czasie Δt wszystkie z nich znajdą się w obszarze długości ℓ = υ Δt i objętości V=Sℓ. Zatem,

wyrażając tutaj liczbę nośników prądu pod względem ich stężenia (N = nV = nSℓ)

Stosunek natężenia prądu I do pola przekroju poprzecznego przewodnika S, prostopadłego do kierunku prądu, jest wielkością wektorową nazywana gęstością prądu.

Następnie można zapisać prędkość elektronów w przewodniku

, stąd

Gęstość prądu można obliczyć ze wzoru

j = ne‹υ› (13,4)

Zatem, gęstość prądu w przewodniku jest proporcjonalna do koncentracji w nim swobodnych elektronów i prędkości ich ruchu.

Wektor j jest skierowany wzdłuż aktualnego kierunku, tj. pokrywa się z kierunkiem uporządkowanego ruchu ładunków dodatnich.

Natężenie prądu przez dowolną powierzchnię S definiuje się jako przepływ wektora j, tj.


(13.5)

gdzie dS = n∙dS (n = wektor jednostkowy normalnej do pola dS tworzącej kąt α z wektorem j).

Nazywa się pole elektryczne prądu stałego stacjonarny . W przeciwieństwie do pola elektrostatycznego, stacjonarnego pole elektryczne utworzone przez poruszające się ładunki. Jednak rozkład tych ładunków w przewodniku z prądem stałym nie zmienia się w czasie: w miejsce odchodzących ładunków elektrycznych ciągle pojawiają się nowe. Dlatego pole elektryczne wytwarzane przez te ładunki okazuje się prawie takie samo jak pole ładunków stacjonarnych.

Różnią się tym, że wewnątrz przewodnika nie ma pola elektrostatycznego, natomiast wewnątrz przewodników istnieje również stacjonarne pole prądów stałych (w przeciwnym razie żaden prąd by przez nie nie płynął).

Wykład nr 20

PRĄD ELEKTRYCZNY DC

Plan


  1. Charakterystyka prądu elektrycznego i warunki jego istnienia. Siła elektromotoryczna, Napięcie.

  2. Klasyczna elektroniczna teoria przewodnictwa elektrycznego metali.

  3. Wyprowadzenie praw Ohma i Joule'a-Lenza z reprezentacji elektronicznych.

  4. Trudności klasycznej teorii elektronów.

  5. Prawa Kirchhoffa.

1. Charakterystyka prądu elektrycznego i warunki jego istnienia.

W elektrostatyka badane zjawiska dzięki opłaty nieruchome. Jeśli z jakiegokolwiek powodu powstaje uporządkowany ruch ładunków i niezerowy ładunek jest przenoszony przez powierzchnię, wtedy tak mówią występuje prąd elektryczny.

Ilościowa charakterystyka prądu elektrycznego to obecna siła – ilość ładunku przenoszonego przez rozważaną powierzchnię w jednostce czasu. Jeśli ładunek jest przenoszony po powierzchni w czasie

, to prąd jest równy:


Jednostką prądu jest amper (A). Za aktualny kierunek kierunek, w którym poruszają się ładunki dodatnie lub kierunek przeciwny do kierunku ruchu ładunków ujemnych. Ładunki swobodne, które poruszają się w ośrodku, nazywamy aktualnych przewoźników.

Elektryczność mogą być dystrybuowane nierówny na powierzchni, przez którą przepływa. Bardziej szczegółowo prąd można scharakteryzować za pomocą wektora gęstości prądu . Niech naładowane cząstki poruszają się w określonym kierunku z określoną prędkością . Wektor gęstości prądu nazywamy wektorem, który pokrywa się w kierunku z kierunkiem prędkości ładunków dodatnich (lub przeciwnie do kierunku prędkości ładunków ujemnych) i wzdłuż całkowita wartość równy stosunkowi prądu

przez elementarną platformę

znajduje się w danym punkcie w przestrzeni prostopadłym do kierunku ruchu nośników, do jego powierzchni.


Liczba obecnych nośników na jednostkę objętości zwany gęstość nośników prądu. Opłata indywidualnego przewoźnika zostanie oznaczona .

Jeśli swobodnymi ładunkami są na przykład elektrony, a ładunki dodatnie są nieruchome (tak jest w przypadku w metalach), To gęstość nośnika zbiegnie się z liczbą swobodnych elektronów na jednostkę objętości.

W
Ryż. 20.1
Wektor gęstości prądu można wyrazić jako gęstość nośników prądu i prędkość ich ruchu. Ilość ładunku przenoszona w czasie przez powierzchnię , prostopadle do wektora prędkości (ryc. 20.1), to

. W tym czasie obszar będzie przecinany przez wszystkie ładunki swobodne w równoległościanie o podstawie i długości

. Jeśli obszar jest wystarczająco mały, gęstość prądu w nim można uznać za stałą, a następnie:

.

W postaci wektorowej:




Prąd płynący przez dowolną powierzchnię



Elektryczny prąd ze względu na ruch wolnych ładunków w przewodnikach o różnym charakterze nazywa się prąd przewodzenia.

Swobodne ładunki w przewodniku zderzają się z atomami przewodnika. Podczas „wolnego biegu” między dwoma zderzeniami nabiera ładunku w przewodniku prędkość kierunkowa wzdłuż zewnętrznej pole elektryczne:


Gdzie natężenie pola elektrycznego w przewodniku. Po kolejnym zderzeniu prędkość zostaje utracona. Następnie, aż do następnego zderzenia, następuje nowy wzrost prędkości kierunkowej.

Z powyższego wynika, że warunki istnienia prądu Jest:

A) obecność bezpłatnych opłat;

B) Obecność pola elektrycznego wewnątrz przewodnika, które utrzymuje ładunki w ruchu.

siła elektromotoryczna, napięcie .

Gdyby na nośnik prądu działały tylko siły pola elektrostatycznego, to pod wpływem tych sił nośniki dodatnie przemieszczałyby się z miejsca o wyższym potencjale do miejsca o niższym potencjale, a nośniki ujemne przemieszczałyby się w przeciwnym kierunku . Ten doprowadziłoby do wyrównania potencjałów, w wyniku czego prąd ustałby. Aby temu zapobiec, muszą istnieć obszary, w których przenoszenie ładunków dodatnich odbywa się w kierunku rosnącym , tj. przed siłami pola elektrostatycznego. Transfer przewoźników w tych obszarach jest możliwy tylko za pomocą siły pochodzenia nieelektrostatycznego, zwane siłami zewnętrznymi. Fizyczna natura sił zewnętrznych może być różna. Na przykład chemiczne (jak w bateriach), mechaniczne, magnetyczne i inne.

Nazywa się wartość równą stosunkowi pracy sił zewnętrznych do przeniesienia ładunku do wartości tego ładunku siła elektromotoryczna(EMF).

EMF mierzy się w tych samych jednostkach co potencjał, tj. w woltach (V).

Siłę zewnętrzną działającą na ładunek można przedstawić jako

, Gdzie

- siła pola sił zewnętrznych. Praca sił zewnętrznych na szarżę w pewnym obszarze 1-2:


Dzieląc obie części zgodnie z definicją EMF na ładunek, otrzymujemy:


Dla obwodu zamkniętego:


EMF działająca w obwodzie zamkniętym, Może definiuje się jako obieg wektora natężenia sił zewnętrznych.

Oprócz sił stron trzecich za opłatą siły pola elektrostatycznego

. Siła wypadkowa, działająca w każdym punkcie łańcucha na ładunek, jest równa:

Praca wykonana przez tę siłę nad ładunkiem na odcinku łańcucha 1-2, jest określony przez wyrażenie

. Ponieważ

, A

, to praca jest równa .

R podzielić obie strony przez . Po lewej stronie relacji

oznaczać

. Wartość liczbowo równa stosunkowi pracy i sił elektrostatycznych i zewnętrznych do przeniesienia ładunku do wartości tego ładunku nazywana jest spadkiem napięcia lub po prostu napięciem w danym odcinku obwodu .

Tak więc (ryc. 20.2),



Ryż. 20.2

Notatkaże jeśli na stronie nie ma EMF, to

. (Dla obwodu zamkniętego punkty 1 i 2 są takie same,

i wtedy

.) Można to pokazać

, Gdzie - impedancjałańcuchy i już



To równanie wyraża prawo Ohma dla niejednorodnego odcinka obwodu (z EMF).

2. Klasyczna elektroniczna teoria przewodnictwa elektrycznego metali i jego niewystarczalności.

Budowa wewnętrzna metali scharakteryzowany sieci krystalicznej. W węzłach sieci krystalicznej znajdują się jony dodatnie; w przestrzeni między nimi uspołecznione elektrony poruszają się niemal swobodnie. Zasugerował to niemiecki fizyk P. Drude elektrony prowadzą siebie jako cząstki gazu doskonałego, I proponowane do wykorzystania opisać swoje zachowanie znane wzory kinetycznej teorii gazów.

Darmowy system uspołecznione w sieci krystalicznej elektrony nazywamy gazem elektronowym. W przeciwieństwie do cząsteczek gazu, których zasięg jest określony przez zderzenia cząsteczek ze sobą, elektrony twarz przeważnie nie między sobą, i z jonami tworząc metalową sieć krystaliczną. Te z powodu starć w szczególności, odporność metalu na prąd elektryczny.

Chaotyczny ruch termiczny elektrony w metalach mogą charakteryzować się średnią prędkością

(dla temperatury pokojowej

). W obecności pola zewnętrznego elektrony mają trochę więcej średnia prędkość ruchu kierunkowego. Zazwyczaj

, to jest

.

3. Wyprowadzenie praw Ohma i Joule'a-Lenza z reprezentacji elektronicznych.

Prawo Ohma.

Średnia droga pokonywana przez swobodnie poruszające się elektrony pomiędzy dwoma kolejnymi spotkaniami z jonami sieciowymi nazywa się oznaczać swobodną ścieżkę . Średni czas między dwoma kolizjami

(określona przez prędkość chaotycznego ruchu). Jeśli jest pole prędkość kierunkowa elektrony gromadzi się podczas biegu swobodnego i do czasu następnej kolizji osiąga swoją maksymalną wartość:


.

Prędkość zmienia się w czasie liniowo. Dlatego ją przeciętny za kilometr, wartość stanowi połowę wartości maksymalnej.


gęstość prądu:


Współczynnik proporcjonalności między i oznaczony

(

- przewodność). W rezultacie otrzymujemy Prawo Ohma w postaci lokalnej(parametry odnoszą się do danego punktu przekroju przewodu).



Gęstość prądu w przewodniku jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego. Współczynnikiem proporcjonalności jest przewodnictwo. (Uwaga. Porównajmy otrzymany wzór ze znanym

. Przewodność jest odwrotnie proporcjonalna do rezystywności

. gęstość prądu

. Siła pola

(- długość przewodu). Następnie

, Lub

, co jest wymagane.)

Prawo Joule'a-Lenza.

Pod koniec drogi swobodnej elektron uzyskuje dodatkową energię kinetyczną, której średnia wartość wynosi:


(Przypomnienie sobie czegoś:

).

Zderzenie z atomem, elektronem z założenia całkowicie transmituje nabyte przez niego energia sieci krystalicznej. Energia przekazana do sieci idzie zwiększyć energię wewnętrzną metal, przejawiający się w nim ogrzewanie.

Każdy elektron podlega na sekundę przeciętny

kolizje. Oznaczmy zatem liczbę elektronów przewodzących na jednostkę objętości całkowita energia przenoszona przez elektrony w jednostce czasu na jednostkę objętości będzie równe:

Wiedząc to

w rezultacie otrzymujemy prawo Joule'a-Lenza w postaci lokalnej:


Moc cieplna uwalniana na jednostkę objętości podczas przepływu prądu elektrycznego jest proporcjonalna do kwadratu natężenia pola.

Idąc od i

Do I : (,

) otrzymujemy

, Lub


Dostał inna postać prawa Joule'a-Lenza. (Gęstość nasypowa moc cieplna jest równa iloczynowi rezystywności i kwadratu gęstości prądu).

4. Trudności w klasycznej elektronicznej teorii przewodnictwa elektrycznego metali.

Teoria klasyczna była w stanie to wyjaśnić otrzymane wcześniej eksperymentalnie Prawa Ohma i Joule'a-Lenza, ale występują znaczne trudności. Główne z nich są następujące:



Istnieją inne trudności i jest to niewystarczalność teorii klasycznej.

Współczesna teoria kwantowa przewodnictwo elektryczne metali pokazuje, że wszystkie trudności teorii klasycznej wynikają z faktu, że pomysł na elektrony jako gaz doskonały Jest zgrubne przybliżenie. W rzeczywistości elektrony wewnątrz metalu nie są tak wolne, jak sugeruje klasyczna teoria.

We współczesnej teorii kwantowej wykazano, że elektrony wewnątrz metalu, podobnie jak elektrony w atomie, nie mogą mieć żadnej energii, a jedynie całkowicie dyskretne wartości energii - energia elektronów jest kwantowana.

5. Prawa Kirchhoffa

Zauważ, że węzeł to punkt, w którym zbiegają się trzy lub więcej prądów. Na przykład dla rys. 20.3 pierwsze prawo zostanie zapisane w następujący sposób:


.

2. Drugie prawo Kirchhoffa(dotyczy dowolnie wybranej pętli zamkniętej w obwodzie):

Suma algebraiczna iloczynów natężeń prądów w poszczególnych odcinkach dowolnego obwodu zamkniętego i ich rezystancji(suma spadków napięcia) jest równa sumie algebraicznej pola elektromagnetycznego działającego w tym obwodzie.



Aplikacja Przyjrzyjmy się tym prawom w następnej sekcji. przykład. Podano obwód elektryczny (ryc. 20.4)






Dany:


W,

W,

W,


Om

Om….

Om.

Wymagany znaleźć prądy

.

Dla węzła A układamy równania zgodnie z pierwszym prawem Kirchhoffa:


Dla obwodu I zapisujemy równanie zgodnie z 2. prawem Kirchhoffa.


Ryż. 20.4

Ponadto spadek napięcia i EMF są brane ze znakiem „+”, jeśli prądy i EMF pokrywają się z kierunkiem obejścia (dla obwodu I wybraliśmy kierunek obejścia „zgodnie z ruchem wskazówek zegara”. Kierunek EMF jest oznaczony strzałkami na schemacie

). Zatem:

Niech drugi obwód pokrywa się z zewnętrznym obejściem obwodu, a kierunek obejścia jest również zgodny z ruchem wskazówek zegara. Następnie drugie prawo Kirchhoffa dla obwodu II:

Otrzymaliśmy więc układ równań:


Rozwiązujemy ten układ równań liniowych za pomocą wyznaczników (metoda Cramera).






,


,


.


(A);

(A).

Wyniki ujemne oznaczają w rzeczywistości kierunek prądów I przeciwnie do pokazanych na rys. 20.4.

Pytania do samokontroli.


  1. Co nazywa się prądem elektrycznym i jakie są warunki istnienia prądu przewodzącego?

  2. Wymień właściwości prądu elektrycznego.

  3. Na jakich koncepcjach opiera się klasyczna elektroniczna teoria metali?

  4. Jaka jest różnica między lokalnymi i całkowymi postaciami praw Ohma i Joule'a-Lenza?

  5. Co to jest siła zewnętrzna? Podaj przykłady źródeł PEM, w których działają różne siły zewnętrzne.

  6. Sformułuj uogólnione prawo Ohma dla odcinka obwodu z polem elektromagnetycznym.

  7. Jakie jest znaczenie pola elektromagnetycznego, napięcia i różnicy potencjałów?

  8. Sformułuj reguły Kirchhoffa. Jak wybierane są znaki w regułach Kirchhoffa?Jemy obie części dalej
oh ponad ładunek w każdym punkcie łańcucha na ładunek, jest równy:

Prąd elektryczny - uporządkowany ruch swobodnych cząstek naładowanych elektrycznie pod wpływem pola elektrycznego. Takimi cząstkami mogą być: w przewodnikach - elektrony,
w elektrolitach - jony (kationy i aniony), w półprzewodnikach - elektrony i dziury (przewodnictwo elektronowo-dziurowe).

Podczas badania prądu elektrycznego odkryto wiele jego właściwości, co pozwoliło mu znaleźć praktyczne użycie w różnych dziedzinach działalności człowieka.

Historycznie przyjmuje się, że kierunek prądu pokrywa się z kierunkiem ruchu ładunków dodatnich w przewodniku. W takim przypadku, jeśli jedynymi nośnikami prądu są cząstki naładowane ujemnie (na przykład elektrony w metalu), to kierunek prądu jest przeciwny do kierunku ruchu elektronów.

Szybkość ukierunkowanego ruchu cząstek w przewodnikach zależy od materiału przewodnika, masy i ładunku cząstek, temperatury otoczenia i zastosowanej różnicy.

Istnieją prądy zmienne, stałe i pulsujące, a także ich różne kombinacje.

1) DC- prąd, którego kierunek i wielkość zmieniają się nieznacznie w czasie.

2) Prąd przemienny jest prądem, którego wielkość i (lub) kierunek zmieniają się w czasie. Wśród prądów przemiennych głównym jest prąd, którego wartość zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym. W tym przypadku potencjał każdego końca przewodu zmienia się w stosunku do potencjału drugiego końca przewodu naprzemiennie z dodatniego na ujemny i odwrotnie, przechodząc przez wszystkie potencjały pośrednie (w tym potencjał zerowy). Rezultatem jest prąd, który stale zmienia kierunek. Czas, przez który występuje jeden taki cykl (czas obejmujący zmianę prądu w obu kierunkach) nazywany jest okresem prąd przemienny. Liczba okresów wypełnionych przez prąd w jednostce czasu nazywana jest częstotliwością. Częstotliwość jest mierzona w hercach, jeden herc odpowiada jednemu okresowi na sekundę.

Nazywa się siła prądu wielkość fizyczna, równa stosunkowi ilości ładunku, który przeszedł przez pewien czas przez przekrój przewodnika, do wartości tego przedziału czasu.

Siła prądu jest mierzona w amperach.

W obecności prądu w przewodniku wykonywana jest praca przeciwko siłom oporu. Ta praca jest uwalniana w postaci ciepła. Moc strat ciepła jest wartością równą ilości ciepła uwalnianego w jednostce czasu. Moc jest mierzona w watach.

Ludzkie ciało jest przewodnikiem prądu elektrycznego. Opór człowieka z suchą i nienaruszoną skórą wynosi od 3 do 100 kOhm.

Prąd przepływający przez ciało człowieka lub zwierzęcia powoduje następujące działania:

Termiczne (oparzenia, ogrzewanie);

Elektrolityczny (rozkład krwi);

Biologiczny.

Głównym czynnikiem decydującym o wyniku porażenia prądem elektrycznym jest ilość prądu przepływającego przez ludzkie ciało. Bezpieczna brany jest pod uwagę prąd, którego wartość nie przekracza 50 μA.

Co zrobimy z otrzymanym materiałem:

Jeśli ten materiał okazał się dla Ciebie przydatny, możesz zapisać go na swojej stronie w sieciach społecznościowych:

wstrząs elektryczny zwany uporządkowanym ruchem naładowanych cząstek lub naładowanych ciał makroskopowych. Istnieją dwa rodzaje prądy elektryczne– prądy przewodzenia i prądy konwekcyjne.

prąd przewodzenia zwany uporządkowanym ruchem w materii lub próżni swobodnie naładowanych cząstek - elektronów przewodzących (w metalach), jonów dodatnich i ujemnych (w elektrolitach), elektronów i jonów dodatnich (w gazach), elektronów i dziur przewodzących (w półprzewodnikach), wiązek elektronów ( w próżni). Prąd ten wynika z faktu, że w przewodniku pod działaniem przyłożonego pola elektrycznego poruszają się swobodne ładunki elektryczne (ryc. 2.1, A).

konwekcyjny prąd elektryczny wywołaj prąd spowodowany ruchem w przestrzeni naładowanego ciała makroskopowego (ryc. 2.1, B).

Do wystąpienia i utrzymania prądu przewodzącego konieczne są następujące warunki:

1) obecność bezpłatnych nośników prądu (bezpłatne opłaty);

2) obecność pola elektrycznego, które tworzy uporządkowany ruch swobodnych ładunków;

3) na wolnych ładunkach, oprócz sił Coulomba, musi działać siły zewnętrzne charakter nieelektryczny; siły te są tworzone przez różne aktualne źródła(ogniwa galwaniczne, akumulatory, generatory elektryczne itp.);

4) obwód prądu elektrycznego musi być zamknięty.

Kierunek ruchu ładunków dodatnich tworzących ten prąd jest konwencjonalnie traktowany jako kierunek prądu elektrycznego.

miara ilościowa prąd elektryczny jest obecny ja- skalarna wielkość fizyczna określona przez ładunek elektryczny przechodzący przez przekrój poprzeczny S przewodnik na jednostkę czasu:

Nazywa się prąd, którego siła i kierunek nie zmieniają się w czasie stały(ryc. 2.2, A). Dla DC

Nazywa się prąd elektryczny, który zmienia się w czasie zmienne. Przykładem takiego prądu jest sinusoidalny prąd elektryczny stosowany w elektrotechnice i energetyce (rys. 2.2, B).

Jednostka natężenia prądu - amper(A). W SI definicja jednostki natężenia prądu jest sformułowana w następujący sposób: 1A- jest to siła takiego prądu stałego, który płynąc przez dwa równoległe proste przewodniki o nieskończonej długości i znikomym przekroju, znajdujące się w próżni w pewnej odległości 1m jeden od drugiego, tworzy między tymi przewodami siłę równą każdemu metrze długości.

Aby scharakteryzować kierunek przepływu prądu elektrycznego w różnych punktach powierzchni przewodnika oraz rozkład natężenia prądu na tej powierzchni, wprowadza się gęstość prądu.

gęstość prądu nazwać wektorową wielkość fizyczną zbieżną z kierunkiem prądu w rozpatrywanym punkcie i liczbowo równą stosunkowi natężenia prądu dI przejście przez elementarną powierzchnię, prostopadłą do kierunku prądu, do obszaru tej powierzchni:

Jednostka gęstości prądu - amper na metr kwadratowy (Pojazd 2).

Gęstość prądu stałego jest taka sama w całym przekroju jednorodnego przewodnika. Dlatego dla prądu stałego w jednorodnym przewodniku o polu przekroju poprzecznego S obecna siła jest

Koniec pracy -

Ten temat należy do:

OGÓLNY KURS FIZYKI PODSTAWY FIZYCZNE

Państwo instytucja edukacyjna... znakomity kształcenie zawodowe... Władimirski Uniwersytet Państwowy...

Jeśli potrzebujesz dodatkowy materiał na ten temat lub nie znalazłeś tego, czego szukałeś, polecamy skorzystanie z wyszukiwarki w naszej bazie prac:

Co zrobimy z otrzymanym materiałem:

Jeśli ten materiał okazał się dla Ciebie przydatny, możesz zapisać go na swojej stronie w sieciach społecznościowych:

Wszystkie tematy w tej sekcji:

Podstawowe prawa elektrostatyki
Prawo oddziaływania ładunków elektrycznych punktu stałego zostało eksperymentalnie ustalone w 1785 r. przez francuskiego fizyka C. Coulomba przy użyciu wag torsyjnych. Dlatego siły elektryczne

pole elektrostatyczne. Siła pola
Jeśli inny ładunek zostanie wprowadzony w przestrzeń otaczającą ładunek elektryczny, wówczas między nimi powstanie oddziaływanie kulombowskie. Dlatego w przestrzeni otaczającej elektryczność

Pola. Potencjał pola
Jeśli w polu elektrostatycznym opłata punktowa od punktu 1 do punktu 2 porusza się po dowolnej trajektorii

pole elektrostatyczne
Napięcie i potencjał - różne cechy ten sam punkt w terenie. Dlatego musi istnieć między nimi jednoznaczny związek. Praca przy przeprowadzkach jednostek

Twierdzenie Gaussa o polu elektrostatycznym w próżni
Obliczanie natężenia pola dużego układu ładunków elektrycznych z wykorzystaniem zasady superpozycji pól elektrostatycznych

Twierdzenie Gaussa o polu elektrostatycznym w dielektryku
Dielektryki to substancje, które w normalnych warunkach praktycznie nie przewodzą prądu. Zgodnie z koncepcjami fizyki klasycznej, w przeciwieństwie do dielektryków

Przewodniki w polu elektrostatycznym. Kondensatory
Jeśli przewodnik zostanie umieszczony w zewnętrznym polu elektrostatycznym, to pole to będzie oddziaływać na swobodne ładunki przewodnika, w wyniku czego zaczną się one poruszać - dodatnio

Energia pola elektrostatycznego
Siły oddziaływania elektrostatycznego są zachowawcze, dlatego układ ładunków ma energię potencjalną. Niech będzie samotny przewodnik, ładunek jest pojemnościowy


1. Odległość między ładunkami i jest równa 10 cm Określ siłę działającą na

Prawo Ohma w postaci różniczkowej
Jeśli tylko siły pola elektrostatycznego działają na nośniki prądu w obwodzie, to ładunki przemieszczają się z punktów o wyższym potencjale do punktów o niższym potencjale. to jest o godz

Elektryczne przyrządy pomiarowe
Obwód elektryczny to zbiór różnych przewodników i źródeł prądu. Ogólnie obwód jest rozgałęziony i zawiera sekcje, w których mogą się łączyć przewody

Praca i aktualna moc. Prawo Joule'a-Lenza
Rozważ jednorodny przewodnik, na którego końcach przyłożone jest napięcie. W czasie dt przez przekrój drutu

Prawo Ohma w postaci całkowej
+ Dla jednorodnego odcinka łańcucha, tj. dla obszaru, na którym strony nie działają

Obliczanie rozgałęzionych obwodów prądu stałego
Prawo Ohma w formie całkowej pozwala obliczyć prawie każde obwód elektryczny. Jednak bezpośrednie obliczenie obwodów rozgałęzionych zawierających zamknięte pętle jest wystarczające.

Zadania do samodzielnego rozwiązania
1. Jaki ładunek przejdzie przez przekrój poprzeczny przewodnika w czasie od 5 s do 10 s, jeżeli natężenie prądu zmienia się w czasie zgodnie z prawem

Pole magnetyczne i jego charakterystyki
doświadczam pokazywania

Prawo Biota-Savarta-Laplace'a
Po eksperymentach Oersteda rozpoczęły się intensywne badania pole magnetyczne prąd stały. Francuscy fizycy Biot i Savard w pierwszej ćwierci XIX wieku. badał wytworzone pola magnetyczne

Pole magnetyczne poruszającego się ładunku. Siła Lorentza
Każdy przewodnik z prądem wytwarza pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni. Z kolei prąd to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Wynika z tego, że wszyscy się wprowadzają

Przewodnik z prądem w polu magnetycznym. Prawo Ampere'a
Podsumowując wyniki działania pola magnetycznego na różne przewodniki przewodzące prąd, A. Ampere stwierdził, że siła, z jaką działa pole magnetyczne

Obieg wektora indukcji pola magnetycznego w próżni
Podobnie jak w przypadku cyrkulacji wektora natężenia pola elektrostatycznego w polu magnetycznym, wprowadza się pojęcie cyrkulacji wektora indukcji magnetycznej

Twierdzenie Gaussa o polu magnetycznym w próżni
Strumień wektora indukcji magnetycznej lub strumień magnetyczny przez małą powierzchnię dS jest skalarną wielkością fizyczną równą

Właściwości magnetyczne materii
Nie wszystkie substancje przewodzą jednakowo linie siły pole magnetyczne. Na przykład linie sił magnetycznych przechodzą przez żelazo wielokrotnie łatwiej niż przez powietrze. Innymi słowy, zdolność galaretki

Zadania do samodzielnego rozwiązania
1. Przez długi prosty przewód płynie prąd o natężeniu 60 A. Wyznacz indukcję pola magnetycznego w punkcie oddalonym o 5 cm od przewodnika (odpowiedź: 0,24 mT).

Prawo indukcji elektromagnetycznej
Jak wspomniano, wokół każdego przewodnika z prądem elektrycznym powstaje pole magnetyczne. Angielski fizyk M. Faraday uważał, że istnieje ścisły związek między zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi.

Zjawisko samoindukcji. Indukcyjność pętli
Prąd elektryczny płynący w obwodzie zamkniętym wytwarza wokół siebie pole magnetyczne, którego indukcja B zgodnie z prawem Biota-Savarta-Laplace'a jest proporcjonalna do natężenia prądu (B ~ I

Wzajemna indukcja
Jeżeli dwa obwody znajdują się jeden obok drugiego iw każdym z nich zmienia się natężenie prądu, to będą one wzajemnie na siebie oddziaływać. Zmiana

Energia pola magnetycznego
Pole magnetyczne, podobnie jak pole elektryczne, jest nośnikiem energii. Naturalne jest założenie, że energia pola magnetycznego jest równa pracy, jaką musi wykonać prąd elektryczny, aby wytworzyć

Praktyczne zastosowanie indukcji elektromagnetycznej
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej jest wykorzystywane przede wszystkim do zamiany energii mechanicznej na energię prądu elektrycznego. W tym celu wykorzystywane są generatory zmiennych.

Zadania do samodzielnego rozwiązania
1. W jednorodnym polu magnetycznym z indukcją przewodnik o długości porusza się prostopadle do pola

Pole elektryczne wirowe
W latach 60. XIX wieku. Angielski naukowiec J. Maxwell (1831-1879) uogólnił ustalone eksperymentalnie prawa pól elektrycznych i magnetycznych i stworzył kompletną zunifikowaną teorię elektromagnetyczną

Prąd polaryzacji
Prąd polaryzacji został wprowadzony przez Maxwella w celu ustalenia ilościowych zależności między zmiennym polem elektrycznym a indukowanym

Równania Maxwella dla pola elektromagnetycznego
Ujednolicona makroskopowa teoria pola elektromagnetycznego stworzona przez Maxwella umożliwiła z jednolitego punktu widzenia nie tylko wyjaśnienie zjawisk elektrycznych i magnetycznych, ale także przewidywanie nowych

Niektóre znaczące wydarzenia z historii rozwoju elektrodynamiki
Rok Wydarzenie Naukowiec Rozpoczęły się eksperymenty, które doprowadziły do ​​odkrycia prądu elektrycznego (eksperymenty opisano w

Dywergencja pola wektorowego
Rozbieżność pola wektorowego (oznaczona) jest następującą pochodną

Spis bibliograficzny
1. Sawieliew I.V. Kurs fizyki ogólnej: w 3 tomach - M .: Nauka, 1989. 2. Detlaf AA, Yavorsky B.M. Kurs fizyki. - M.: Wyżej. szkoła, 1989r. - 608 s. 3. Kurs fizyki: prof. dla uczelni: w 2 tomach /

Plan wykładów

1. Prąd elektryczny. Charakterystyka prądu elektrycznego

2. Prawa Ohma dla odcinka łańcucha

2.1. Prawo Ohma w postaci całkowej

2.2. Prawo Ohma w postaci różniczkowej

3. Przykład obliczenia natężenia prądu w ośrodku przewodzącym

4. Prawo Joule'a-Lenza w postaci różniczkowej i całkowej

  1. Elektryczność. Charakterystyka prądu elektrycznego

Prąd elektryczny to uporządkowany ruch naładowanych cząstek, podczas którego przekazywany jest ładunek elektryczny..

Na przykład w przewodniku metalicznym takie cząstki są swobodnymi elektronami. Są w ciągłym ruchu termicznym. Ruch ten odbywa się z dużą średnią prędkością, ale ze względu na swoją losowość nie towarzyszy mu przenoszenie ładunku. Wyróżnijmy mentalnie element powierzchniowy w przewodniku dS: przez dowolny okres czasu liczba elektronów, które pokonały tę powierzchnię od lewej do prawej, będzie dokładnie równa liczbie cząstek, które przeszły przez tę powierzchnię w przeciwnym kierunku. Dlatego ładunek przenoszony przez tę powierzchnię będzie równy zeru.

Sytuacja zmieni się, jeśli w przewodniku pojawi się pole elektryczne. Teraz nośniki ładunku będą uczestniczyć nie tylko w ruchu termicznym, ale także w uporządkowanym, ukierunkowanym ruchu. Dodatnio naładowane nośniki będą się poruszać w kierunku pola, a ujemne w przeciwnym kierunku.

W ogólnym przypadku nośniki obu znaków mogą brać udział w przekazywaniu ładunku (np. jony dodatnie i ujemne w elektrolicie).

Prędkość ruchu takich cząstek będzie sumą prędkości ich ruchów termicznych i kierunkowych:

Średnia wartość okazuje się, że prędkość cząstki jest równa średniej prędkości ruchu skierowanego:

Losowość ruchu termicznego prowadzi do tego, że wartość średnia wektor prędkość tego ruchu wynosi zero. Jeszcze raz podkreślamy, że mówimy o wartości średniej wektor, ale nie moduł prędkość ruchu termicznego cząstek naładowanych.

Główną cechą ilościową prądu elektrycznego jest obecna siła. Natężenie prądu w przewodniku jest liczbowo równe ilości ładunku przenoszonego przez cały przekrój przewodnika w jednostce czasu:

Prąd w układzie SI mierzony jest w amperach. Jest to cecha skalarna. Prąd może być dodatni lub ujemny. Jeżeli kierunek prądu pokrywa się z warunkowo przyjętym dodatnim kierunkiem wzdłuż przewodnika, to siła takiego prądu I> 0. W przeciwnym razie siła prądu jest ujemna.

Często przyjmuje się, że kierunek dodatni wzdłuż przewodnika jest kierunkiem, w którym poruszają się nośniki ładunku dodatniego (lub poruszałyby się).

Drugi ważna cecha prąd elektryczny to gęstość prądu. Wybierzmy w myślach powierzchnię  w przewodniku S, prostopadle do prędkości skierowanego ruchu nośników ładunku. Na tej powierzchni konstruujemy równoległościan o wysokości liczbowo równej prędkości V n (ryc. 6.1.). Wszystkie cząsteczki w tym pudełku przejdą przez powierzchnię w ciągu jednej sekundy  S. Liczba takich cząstek:

Gdzie N- stężenie cząstek, czyli liczba cząstek na jednostkę objętości. Ładunek, który będą przenoszone przez te cząstki przez powierzchnię  S, określi siłę prądu:

.

Tutaj Q 1 - opłata jednego przewoźnika. Dzielenie prądu przez pole przekroju poprzecznego  S, otrzymujemy ładunek, który przepływa w jednostce czasu przez powierzchnię o jednostkowej powierzchni. To jest gęstość prądu:

, . (6.2)


Ponieważ prędkość ukierunkowanego ruchu naładowanych cząstek jest wielkością wektorową, to wyrażenie jest zapisane w postaci wektorowej:

Zmniejszanie obszaru  S, dochodzimy do lokalnej charakterystyki prądu elektrycznego - do gęstości prądu w punkcie:

Jest to moduł gęstości prądu, a kierunek wektora gęstości prądu w danym punkcie pokrywa się z kierunkiem prędkości cząstki lub z kierunkiem natężenia pola elektrycznego w danym punkcie. Siła prądu przepływającego przez obszar elementarny dS można teraz zapisać jako iloczyn skalarny dwóch wektorów (rys. 6.2.):

Aby obliczyć aktualną siłę w przekroju S, musisz zsumować wszystkie prądy przepływające przez elementy tej sekcji, czyli wziąć całkę:

. (6.6)

Całka to przepływ wektora gęstości prądu, dlatego dwie główne cechy prądu elektrycznego są czasami kojarzone z tak łatwym do zapamiętania zwrotem : prąd jest równy strumieniowi wektora gęstości prądu.


Kontynuujmy rozmowę o przepływie wektorowym. Teraz w ośrodku przewodzącym dokonujemy selekcji Zamknięte powierzchnia S(Rys. 6.3.). Jeśli znany jest wektor gęstości prądu w każdym punkcie tej powierzchni, łatwo jest obliczyć ładunek opuszczający objętość ograniczoną tą powierzchnią w jednostce czasu:


Wpuść do środka powierzchnię S jest opłata Q, to na jednostkę czasu  T= 1 zmniejszy się o kwotę . Zmiana ładunku związana jest z jego odpływem z objętości, czyli:

To równanie nazywa się równaniem ciągłości. Reprezentuje notacja matematyczna prawo zachowania ładunku elektrycznego.