Магнитное поле. Магнитная индукция. Магнитная индукция движущегося заряда. Линии магнитной индукции

Вид материала

Документы

Содержание Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции магнитных полей. Поле кругового тока. Магнитная индукция длинного прямого проводника с током (без вывода). Циркуляция магнитной индукции. Магнитная индукция соленоида Модуль магнитной индукции прямого бесконечного тока в некоторой точке Сила Ампера. Взаимодействие параллельных прямых проводников с током. Магнитный момент контура с током. Действие однородного и неоднородного магнитного поля на рамку с током. Контур (рамка) с током Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле. Принципдействия циклотрона. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца. ЭДС индукции в движущихся проводниках. Вихревое электрическое поле. Самоиндукция. ЭДС самоиндукции. Индуктивность соленоида. Энергия магнитного поля соленоида. Объемная плотность энергии магнитного поля. Диа-, пара- и ферромагнетизм. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока. Закон Ома для однородного участка цепи. Удельное сопротивление проводников. Конвекционный ток Закон Ома для неоднородного участка цепи и для замкнутой цепи. Первое и второе правила Кирхгофа для разветвленных цепей. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца. КПД источника тока и его зависимости от параметров электрической цепи. Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупро­водниковый диод. Термо- и фоторезисторы. Электрический ток в электролитах. Законы электролиза Фарадея. Электрический ток в металлах. Зависимость сопротивления проводников от температуры. Сверхпроводимость. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы диод и триод. Электронно-лучевая трубка. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Часть, 53.53kb.
• Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Часть, 84.18kb.
• Бакалаврская программа №520400 Кафедра Онтологии и теории познания Направление : Социология, 104.85kb.
• Вопросы к зачету по темам: «Магнитное поле», «Электромагнитная индукция», 22.6kb.
• План. 1 Магнитное поле и его характеристики. 2 Влияние магнитного поля на организм, 64.4kb.
• Домашнее задание по физике на 4 сессию Учебник, 55.57kb.
• План урока I. Вступление: о чём мы будем говорить сегодня?, 101.19kb.
• Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Самоиндукция. Часть, 48.45kb.
• Календарно-тематическое планирование, 368.8kb.
• Зачет по теме: «Магнитные явления, электромагнитная индукция», 13.44kb.

1. Магнитное поле. Магнитная индукция. Магнитная индукция движущегося заряда. Линии магнитной индукции.
   

Магнитное поле - поле, посредством которого осуществляется магнитное взаимодействие движущихся относительно друг друга зарядов. Постоянное во времени(стационарное) магнитное поле создаётся движущимися с постоянной скоростью зарядами, неподвижными проводниками с постоянным током и неподвижными постоянными магнитами. На заряды, движущиеся в магнитном поле, на проводники с током и постоянные магниты, находящиеся в магнитном поле, действует сила, определяемая магнитной индукцией этого поля. Индукция – силовая характеристика поля. Магнитная индукция движущегося (в вакууме) точечного заряда В- ВФВ, определяемая выражением: В=μ₀q[v,r]/4πr³, где q-точечный заряд;v-скорость этого заряда;r-вектор, начало которого находится на заряде, а конец в точке, в которой определена магнитная индукция. Точечный заряд (при определении магнитной индукции)-заряд, максимальный линейный размер L_max которого значительно меньше, чем расстояние r до тех точек, в которых определяется магнитная индукция(L_max< В= μ₀ *׀q׀*v*sinα/4πr² ,где α-угол между векторами v и r, который может изменяться от 0 до π радиан(0≤α≤π); μ₀ -магнитная постоянная: μ₀=4π*10^-7Гн/м, Гн(генри)-единица индуктивновти. Магнитная индукция В направлена перпендикулярно плоскости в которой находятся векторы v и r , причём последовательность v,r и В образует правовинтовую систему векторов(правую тройку векторов). Единица магнитной индукции-тесла: [В]=Тл. Линия магнитной индукции(магнитная силовая линия)-линия, касательная к которой в любой её точке, совпадает с направлением магнитной индукции в этой же точке магнитного поля. Поверхностная плотность(густота)линий магнитной индукции однородного магнитного поля: n_од=N/S_п , где N-число линий индукции, пересекающих перпендикулярную им плоскою поверхность, площадь которой равна S_п. Поверхностная плотность(густота)линий магнитной индукции: n=lim_∆Sп-->0∆N/∆S_п , где ∆N-число линий индукции, пересекающих перпендикулярную им малую плоскую поверхность, площадь которой равна ∆S_п. Св-ва линий магнитной индукции: а)линии замкнуты(магнитное поле поэтому называется вихревым), и либо уходят в бесконечность, либо приходят из бесконечности; б)линии нигде друг с другом не пересекаются.

2. Закон Био-Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции магнитных полей. Поле кругового тока.
   

Принцип суперпозиции магнитных полей. Магнитная индукция системы движущихся точечных зарядов В_с в некоторой точке равна сумме всех магнитных индукций В_i полей, создаваемых каждым движущимся зарядом q_i данной системы в этой же точке по отдельности: В_с=∑В_i , где n-число движущихся зарядов системы. Элемент проводника с током ∆l-вектор, лежащий на проводнике с током, модуль которого ∆l равен длине такого участка проводника, чтобы его можно было считать прямолинейным, и направление которого совпадает с направлением тока в проводнике. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитная индукция малого элемента тонкого проводника с током(в вакууме) ∆В-ВФВ, определяемая выражением: ∆В=μ₀I[∆l, r]/4πr³ ,где I- сила тока в проводнике;r-вектор, начало которого находится в начале малого элемента проводника, а конец в точке поля, где определяется магнитная индукция. Модуль магнитной индукции: ∆В=μ₀I*∆l*sinα/4πr² ,где α-угол между ∆l и r, который может изменяться от 0 до π радиан(0≤α≤π),∆l- модуль малого элемента проводника с током.. Магнитная индукция ∆В направлена перпендикулярно плоскости, в которой находятся векторы ∆l и r, причём последовательность ∆l, r и B образует правовинтовую систему векторов. Магнитная индукция тонкого проводника с током. Магнитная индукция в некоторой точке магнитного поля тонкого проводника с током равна пределу суммы всех магнитных индукций, создаваемых малыми элементами проводника при их бесконечном уменьшении: В=lim_∆l0∑∆B_i ,где В_i-магнитная индукция от i-го малого элемента проводника, n-число элементов проводника с током. Магнитная индукция в центре кругового тока. Круговой ток-ток в тонком проводнике, который расположен по окружности некоторого радиуса, значительно большего максимального линейного размера поперечного сечения проводника. Модуль магнитной индукции в центре кругового тока. В=μ₀I/2R ,где R-радиус тонкого проводника, I-сила тока в нём. Магнитная индукция В перпендикулярна плоскости кругового проводника, а её направление подчиняется правилу правого буравчика(или винта с правой резьбой): направление вектора В совпадает с направлением поступательного движения правого буравчика(винта) при вращении его рукоятки(головки винта) в направлении кругового тока.

3. Магнитная индукция длинного прямого проводника с током (без вывода). Циркуляция магнитной индукции. Магнитная индукция соленоида.
   

Магнитная индукция прямого бесконечного тока. Прямой бесконечный ток-ток в прямолинейном бесконечном проводнике. Модуль магнитной индукции прямого бесконечного тока в некоторой точке В= μ₀I/2πR ,где R- расстояние от проводника до этой точки, лежащей в плоскости, перпендикулярной проводнику. Направлена магнитная индукция по касательной к окружности радиуса R, лежащей в плоскости, перпендикулярной к проводнику. Направление В, определяемое правилом правого буравчика, совпадает с направлением вращения рукоятки буравчика при поступательном движении буравчика в направлении прямого тока. Циркуляция магнитной индукции С_в-СФВ, равная пределу суммы скалярных произведений магнитной индукции на элемент замкнутого контура при бесконечном уменьшении элемента: С_в=lim∑(B_i,∆l_i)=lim∑B_i∆li*cosα_i ,где B_i –магнитная индукция в i-ом элементе контура, ∆l_i-i-ый элемент контура. Теорема о циркуляции магнитной индукции: Циркуляция магнитной индукции по любому замкнутому контуру равна алгебраической сумме сил токов в проводниках, охваченных этим контуром, умноженной на магнитную постоянную μ₀: С_в=μ₀∑^m_j=1I_j , где I-сила тока в j-ом проводнике. Соленоид - однослойная цилиндрическая катушка с большим кол-вом витков из изолированной проволоки, образующих винтовую линию. Линейная плотность витков соленоида n-величина, равная отношению числа витков N к длине L части соленоида, на которой расположены эти витки: n=N/L. Магнитная индукция внутри бесконечно длинного соленоида В= μ₀nI. Магнитное поле внутри бесконечного соленоида является однородным. Магнитная индукция в центре длинного соленоида(длина соленоида L много больше его диаметра D) может быть определена по формуле В= μ₀nI. На краях по оси длинного соленоида модуль магнитной индукции приблизительно вдвое меньше, чем в центре соленоида.

4. Сила Ампера. Взаимодействие параллельных прямых проводников с током.
   

Сила Ампера - сила, действующая на элемент проводника, находящегося в магнитном поле F_А=I[l,В]. Модуль силы Ампера F_А=IsinAlВ.(правило левой руки: индукция в ладонь, пальцы – ток, большой палец - сила). Силы Ампера между параллельными проводниками с током F_a.ед=F₁₂/l₁=F₂₁/l₂=₀I₁I₂/2пR. Проводники с одинаковым направлением токов притягиваются друг к другу, с противоположным - отталкиваются друг от друга. Один ампер - сила постоянного тока в каждом из двух бесконечно длинных прямолинейных проводников малой площади поперечного кругового сечения, расположенных в вакууме на расстоянии один метр друг от друга, при которой эти проводники взаимодействуют с силами, равными 2*10^-7Н на каждом участке проводников длиной один метр. Через единицу силы тока устанавливается единица заряда: один кулон - заряд, прошедший за одну секунду через поперечное сечение проводника при силе постоянного тока, равной одному амперу: Кл = А*с.

5. Магнитный момент контура с током. Действие однородного и неоднородного магнитного поля на рамку с током. Контур (рамка) с током в магнитном поле
   

Магнитный (дипольный) момент плоского контура с током р_м - ВФВ, определяемая выражением: p_m=ISn_ед., где n_ед. - единичный вектор, перпендикулярный плоской поверхности, ограниченной контуром. Направления р_м и п_ед , связанны с направлением тока в контуре правилом правого буравчика. В однородном магнитном поле на элементы плоского контура с током действуют силы, момент которых - М=[р_м,В]. Модуль момента зависит от положения контура с током по отношению к линиям магнитной индукции: М = р_мВsinA, где A - угол между векторами р_м и В. Модуль момента М максимален при а = л/2 (р_м и В взаимно перпендикулярны) и равен нулю при одинаковых направлениях р_м В (устойчивое положение контура) или противоположных (неустойчивое положение контура). В неоднородном магнитном поле на контур с током будет действовать результирующая сила, стремящаяся переместить контур в область поля с большей индукцией, если направления р_м и В (в центре контура) одинаковы, и удалить от этой области, если направления р_м и В противоположны. В общем случае на контур с током будет действовать результирующая сила и момент.

6. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле. Принцип
   действия циклотрона.
   

Сила Лоренца - сила, действующая на движущийся в магнитном поле заряд. Она зависит от величины и знака заряда, скорости заряда, магнитной индукции и их взаимной ориентации:F_л=q[v,B] (v - скорость этого заряда). Модуль силы Лоренца F_л=qvBsinA. (“+” – правая рука, “-” - левая). Если скорость v заряда q массой m, влетевшего в однородное магнитное поле, перпендикулярна магнитной индукции В, то заряд будет двигаться по окружности радиуса r (рис Л 4.2): R=mv/qB. Сила Лоренца в этом случае является центростремительной силой. Работа и мощность силы Лоренца при движении заряда по окружности равна нулю (F_л перпендикулярна скорости заряда v). Период обращения заряда по окружности не зависит от скорости заряда: T=2пm/qB.

Если скорость v заряда q не перпендикулярна линиям магнитной индукции однородного поля, то он движется по винтовой линии, осью которой является линия магнитной индукции. Радиус винтовой линии R зависит от модуля составляющей скорости заряда, перпендикулярной магнитной индукции, v_п: R=vsinAm/qB. Шаг винтовой линии h зависит от модуля составляющей скорости заряда, коллинеарной магнитной индукции, v_к: h=2пmvcosA/qB. Обобщения сила Лоренца - сила, действующая на заряд, движущийся в электрическом и магнитном полях: F_л=qЕ+q[v,B].

7. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца.
   

ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом проводящем контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через пов-ность, ограниченную этим контуром: _ин=-lim(t0)Ф_п/t. Знак “-” соответствует правилу Ленца, позволяющему определить направление индукционного тока. Правило Ленца: индукционный ток всегда направлен так, что его действие уменьшает действие причины, вызвавшей этот ток. Это правило приводит к тому, что магнитный поток индукционного тока уменьшает изменения магнитного потока поля, вызвавшие этот ток, через пов-ность, ограниченную проводящим контуром.

8. ЭДС индукции в движущихся проводниках. Вихревое электрическое поле.
   

Эдс электромагнитной индукции в движущихся проводниках. В проводнике, движущемся поступательно в магнитном поле, Эдс индукции обусловлена работой силы Лоренца: E=BLV*sina , где В - модуль магнитной индукции; L - длина проводника; a - угол между магнитной индукции В и скоростью проводника V. Во вращающемся проводнике(диске), находящемся в однородном магнитном поле, Эдс индукции, обусловленная силой Лоренца,

E=0.5BwL*L , где В - модуль магнитной индукции, направленной перпендикулярно плоскости вращения стержня(диску); L - длина проводника,ось вращения которого проходит чкркз край проводника(радиус диска, ось вращения которого проходит через центр диска); w - угловая скорость вращения проводника(диска).

Вихревое электрическое поле. В контуре, находящемся в переменном магнитном поле, воэникает индуцированный ток. Магнитное поле не может вызвать упорядочкнного движения зарядов в проводнике, так как средняя скорость их теплового движения равна нулю. Причиной, вызывающей ток в контуре является индуцированное электрическое поле. Сущность явления электромагнитной индукции - возникновение электрического поля при изменении магнитного поля, а проводящий контур - датчик, регистрирующий это поле.

Эдс электромагнитной индукции равна циркуляции напряженности электрического поля по замкнутому контуру : E=A/q=Lim суммы при dL стемится к нулю (E, dL)=интеграл по замкнутому контуру (E,dL)=C, где dL - элемент контура. Св-ва индуцированного электрического поля : а)Является вихревым - его линии напряженности замкнуты;б)Является не потенциальным - раюота сил этого поля по перемещению единичного заряда по замкнутой траектории не равна нулю, а равна Эдс электромагнитной индукции. Заряд, прошедший чкркз поперечное сечение контура сопротивлением R, зависит от модуля приращения магнитного потока чкркз поверхность, огранниченную этим контуром: IqI=IdФI/R.

9. Самоиндукция. ЭДС самоиндукции. Индуктивность соленоида.
   

Самоиндукция - явление возникновения Эдс индукции в проводящем контуре с током при изменении силы тока в этом контуре.

Эдс самоиндукции E= - L dI/dt; где L - индуктивность контура. Индуционный ток по правилу Ленца противодействует изменениям силы первичного тока.

Индуктивность контура (коэффициент самоиндукции) L - СФВ, равная отношению магнитного потока Ф через поверхность, ограничкееую контуром, к силе тока I в этом контуре : L=Ф/I; [L]=Гн(Генри);

Индуктивность соленоида : L=Ф(общ)/I=BSN(N витков, площадью S)/I=Mo*IN*NS/(L*I)= =Mo*I*n*n*V/I=Mo*n*n*V; V=S*L(объем); n=N/L;

10. Энергия магнитного поля соленоида. Объемная плотность энергии магнитного поля. Диа-, пара- и ферромагнетизм.
    

Энергия магнитного поля соленоида может быть определена из следующих равенств: W=фI/2=LI²/2=ф²/2L=B²(объем)/2_o. Объемная плотность энергии магнитного поля (СВФ) w_в=lim(0)(W/). Объемная плотность энергии однородного магнитного поля w_Вод=W_од/_од. Объемная плотность энергии магнитного поля прямо пропорциональна квадрату модуля магнитной индукции и равна а) в вакууме w_в=B²/2₀; б) в веществ w_в= B²/2₀ ( - магнитная проницаемость вещ-ва).

В однородном и изотропном веществе магнитная индукция В прямо пропорционально магнитной индукции в вакууме В_о В=В_о. Магнетики – вещ-ва, способные намагничиваться в магнитном поле. Диамагнитеки – вещества, атомы и молекулы которых не имеют магнитных моментов. Во внешнем магнитном поле в атомах и молекулах диамагнетиков находятся магнитные моменты, которые направлены противоположно магнитной индукции внешнего поля, вследствие чего магнитная индукция в диамагнетиках несколько меньше магнитной индукции внешнего поля, для них <1. Диамагнетизм присущ всем вещ-ам и не зависит от t. Парамагнетики – вещ-ва, атомы и молекулы которых обладают магнитными моментами. Во внешнем поле магн. Моменты ориентируются вдоль линий магн. Индукция внешнего поля, вследствие чего магн. Индукция внутри парамагнетика незначительно увеличивается; для парамагнетиков >1. Ферромагнетики – вещ-ва, в которых имеются намагниченные области (протяженностью 10^-4-10^-6 м) – домены. Во внешнем магн. Поле магн. Моменты доменов ориентируются вдоль линий магн. Индукции внешнего поля, вследствии чего магн. Индукция внутри ферромагнетиков значительно увеличивается >>1. Феромагнетизм существует до определенной температуры – точки Кюри. Ферриты – ферромагнитные материалы, не проводящие электрический ток. Ферромагнетики – постоянные магниты.

11. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока. Закон Ома для однородного участка цепи. Удельное сопротивление проводников.
    

Электрический ток-упорядоченное движение зарядов. Конвекционный ток-упорядоченное движение зарядов в пространстве.Ток проводимости- упорядоченное движение свободных зарядов в проводнике.Средняя сила тока - СВФ, равная отношению заряда dq, прошедшего за промежуток времени dt через некоторую поверхность( в проводнике-поперечное сечение проводника), к этому промежутку времени: =dq/dt. Сила тока - СВФ, равная пределу отношения заряда dq, прошедшего за промежуток времени dt через некоторую поверхность( в проводнике-поперечное сечение проводника), к этому промежутку времени при его бесконечном уменьшении: = dq/dt. Постоянный электрический ток в проводнике - ток, при котором за любые равные dt через поперечное сечение проводника проходят равные dq.Сила постоянного тока - см. средняя сила тока I=const, [I]=A. I=dq_{+_}/dt+|dq_-|/dt. Плотность тока j - ВФВ, модуль которой равен пределу отношения силы тока при движении зарядов через поверхность, расположенную перпендикулярно к направления тока, к площади этой поверхности dS при ее бесконечном уменьшении : j=dI/dS. При I=const j=const. |j|=I/S. При V=const(скорость движения зарядов) j=nqV. Объемная плотность зарядов(концентрация)n-величина, равная отношению колличества зарядов N в объеме dV к этому объему : n=N/dV.j=nq.Направление плотности тока совпадает с направлением упорядоченного движения положительных эарядов. Поток плотности тока через поверхность Ф_j-СВФ, определяемая выражением : ф_j=(j,n)S=jScosA. I=jS_пcosA А-угол между перпендикуляром к поперечному сечению проводника S_п и j. Постоянный ток существует при электрическом поле, в котором напряженность E(t)=const - стационарное поле.Электрическая цепь - система, состоящая из источников тока, потребителей электрической энергии, соединяющих их проводников, замыкающих и размыкающих устройств, приборов(А , V). Для существования постоянного тока цепь должна быть замкнута. Закон Ома Сила тока I в проводнике прамо пропорциональна напряжению U на проводнике :I=U/R=GU. Сопротивление проводника R - величина, определяемая отношением напряжением на проводнике U к силе тока I в нем: R=U/I.[R]=Ом. Удельное сопротивление p=RS/L.[p]=Ом*м. R=pL/S.p=p₀(1+A_Rt). Электрическая проводимость проводника G - величина равная отношению силы тока I в проводнике к напряжению U на этом проводнике: G=I/U .G=1/R. Удельная электрическая проводимость g=GL/S. [g]=сименс/метр. g=1/p. G=gS/L. Закон Ома в дифференциальной форме : Плотность тока в проводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля E: j=gE. Последовательное соединение проводников: I=I_I=const;U=cymme U_I;R=cymme R_I;Параллельное соединение проводников: I=cymme I_I;U=U_I=const; G=cymme G_I;1/R=cymme 1/R_i.Амперметр-прибор для измерения сил токов в элементах электрических цепей. Его внутреннее сопротивление мало. Его подключают последовательно. Цена деления шкалы прибора - разность значений физической величины, соответствующих 2м соединенным отметкам шкалы прибора. Метод шунтирования А - параллельно А подключают проводник(шунт), сопротивление которого определяется необходимой ценой деления шкалы А. R_ш=R_a/(n-1);n-во скока раз увеличена цена деления шкалы А. Вольтметр-прибор для измерения U на элементах цепи. Его внутреннее сопротивление большое. Его присоединяют параллельно. Метод добавочного сопротивления: последовательно к V подключают проводник(добавочный); R_д=R(n-1) n-во скока раз увеличена цена деления шкалы V. Реостат- переменное сопротивление с 3 контактами, служащее для регулирования силы тока и напряжения в цепи. Вывод закона Ома _a+(+-I_iR_i)+(+-E_i)+(+-I_ir_i)+(+-U_ci)=_b

12. ЭДС источника тока. Принцип действия химического источника тока. Последовательное и параллельное соединения источников тока.
    

Источник тока – устройство, предназначенное для создания тока в цепи. В источнике тока на заряды действуют сторонние силы, способные перемещать заряды против сил электостатического поля. Сторонние силы – силы, действующие на заряды, но не являющиеся электростатическими. Источник постоянного тока – устройство, предназначенное для создания постоянного тока в замкнутой цепи. Источник постоянного тока имеет два зажима (две клеммы), называемые полюсами, для подключения в электрическую цепь. Полюс с большим потенциалом (может быть определен при помощи вольтметра при отключенной нагрузке) называется положительным (или анодом) и обозначается знаком плюс (+), полюс с меньшим потенциалом называется отрицательным (или катодом) и обозначается знаком минус (-) (длинная линия - анод, короткая - катод). Внешний участок цепи (относительно некоторого источника тока) - участок замкнутой цепи, к которому подключен данный источник тока. Сопротивление внешнего участка цепи R называется также сопротивлением нагрузки, сопротивление источника тока r - внутренним сопротивлением. Благодаря работе сторонних сил в источнике постоянного тока на его клеммах поддерживается постоянная разность потенциалов (при нормальных режимах эксплуатации), и, следовательно, обеспечивается условие создания постоянного тока в проводниках, находящихся в электрической цепи. Электродвижущая сила источника тока (ЭДС) ε - СФВ, равная отношению работы сторонних сил А_ст при перемещении заряда q в источнике тока к этому заряду: ε= А_ст/q. ЭДС источника тока равна разности потенциалов между анодом и катодом при отсутствии тока в источнике тока: ε=(φ_ан-φ_кт) (при 1=0). Единица ЭДС - вольт: [Д = В]. Источник постоянного тока, кроме ЭДС, характеризуется сопротивлением г. Для измерения ЭДС источника тока используется вольтметр, сопротивление которого R_v>>г. ЭДС батареи последовательно соединенных источников: ε_пс=∑ε_i. Внутреннее сопротивление такой батареи: r_пс=∑r_i. При параллельном: 1/r_пр=∑1/r_i , ε_пр=r_пр*∑ε_i/r_i. ЭДС батареи параллельно соединенных источников тока ε_пр=ε, внутреннее сопротивление баьареи r_пр=r/n, где ε, r – ЭДС и внутр-ее сопротивление одного источника тока, n – число источников тока. Гальванический элемент Даниэля

Элемент Даниэля состоит из медного стержня, находящегося в водном растворе сульфата меди (СuSО₄), и цинкового стержня, расположенного в водном растворе сульфата цинка (ZnSО₄). Растворы разделены пористой перегородкой, через поры которой ионы могут перемешаться из одного раствора в другой. Концентрации ионов в растворах таковы, что положительные ионы меди (Сu⁺⁺) переходят из раствора на медный электрод, тем самым заряжая электрод положительно, а положительные ионы цинка (Zn⁺⁺) переходят с цинкового электрода в раствор, тем самым заряжая электрод отрицательно до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между числом ионов уходящих в раствор и приходящих из раствора на электроды. При таком равновесии устанавливаются некоторые постоянные разности потенциалов электродов и растворов

ЭДС элемента равна разности потенциалов электродов при разомкнутой внешней электрической цепи, которая представляет собой сумму разностей потенциалов стержней и растворов элемента. Потенциал медного электрода больше потенциала цинкового электрода, поэтому медный электрод является анодом, а цинковый -катодом. ЭДС элемента Даниэля Ед = 1,1 В. При подключении проводника к электродам, электроны с цинкового электрода начнут переходить на медный электрод. В проводнике образуется постоянный ток, направление которого противоположно направлению движения электронов - ток направлен от медного электрода (анода) к цинковому электроду (катоду). Внутри элемента (в растворах) положительные ионы движутся от катода к аноду, а отрицательные ионы - от анода к катоду.

Аккумулятор - гальванический источник тока, который может использоваться многократно (после его зарядки).

13. Закон Ома для неоднородного участка цепи и для замкнутой цепи.
    

Закон Ома для неоднородного участка цепи. Неоднородный участок цепи - участок электрической цепи, содержащий источник (источники) тока. Сила тока на неоднородном участке I=(ε+(φ₁-φ₂))/(R₁+R₂+r), где (ф₁-ф₂) - разность потенциалов на концах неоднородного участка цепи; ε - ЭДС источника тока; R₁+R₂+r - cопротивления проводника и источника тока, соответственно, этого участка цепи. ЭДС источника тока - величина алгебраическая. В случае, когда ток в источнике направлен: а) от катода к аноду - ЭДС положительна, б) от анода к катоду - ЭДС отрицательна. В последнем случае равенство для силы тока может быть представлено в виде выражения: I=(-/ε/+(φ₁-φ₂))/(R₁+R₂+r). Если на неоднородном участке цепи находится несколько источников тока, то сила тока I=(ε_об+(φ₁-φ₂))/R_об, где ε_об - алгебраическая сумма ЭДС источников тока; R_об -общее сопротивление участка цепи, равное сумме всех сопротивлений проводников и источников тока этого участка. Закон Ома для замкнутой цепи. Сила тока в замкнутой цепи I=ε/R+r, где ε и г - ЭДС и сопротивление источника тока соответственно, R-сопротивление проводника (нагрузки). Если в замкнутой цепи имеется несколько последовательно включенных источников тока и сопротивлений нагрузки, то сила тока I=ε_об/R_об, где ε_об - алгебраическая сумма ЭДС источников тока (при направлении тока от катода к аноду ε>0, в противном случае ε<0).

14. Первое и второе правила Кирхгофа для разветвленных цепей.
    

Разветвленная электрическая цепь - электрическая цепь, содержащая узлы и контуры. Узел - соединение не менее трех проводников (участков цепи) в одной точке. Контур (замкнутый) - замкнутый участок разветвленной электрической цепи, состоящий из нескольких участков цепи, ограниченных двумя соседними узлами. Контуры могут быть простыми и составными. Простой контур - контур, который не может быть получен наложением других контуров. Составной контур - контур, который состоит из двух или более простых контуров. Первое правило Кирхгофа (правило узлов) - алгебраическая сумма сил токов во всех участках разветвленной цепи, соединенных в узле, равна нулю: ∑I_j=0. По первому правилу Кирхгофа можно написать (N-1) независимых уравнений, где N - общее количество узлов в разветвленной цепи. Второе правило Кирхгофа(правило контуров): для любого замнутого контура алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления каждого участка контура, ограниченного двумя соседними узлами, равна алгеброической сумме ЭДС источников тока, находящиеся на всех участках данного контура: ∑I_jR_j=∑ε_j.

15. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.
    

Работа постоянного тока(на участке цепи) A=IU∆t, где I – сила тока в участке цепи; U – напряжение на участке цепи; ∆t – промежуток времени действия тока. [A]=Дж. Мощность постоянного тока(на участке цепи) P=IU, где I – сила тока в участке цепи; U – напряжение на участке цепи. [P]=Вт. Тепловое действие постоянного тока. Пусть действие тока является только тепловым (не совершается работа над внешними телами и отсутствует химическое действие тока). В этом случае работа сил поля при постоянном токе в проводнике приводит к увеличению внутренней энергии проводника, и, следовательно, к повышению его температуры. Путем теплообмена с проводником окружающие его тела могут получить некоторое количество теплоты. Закон Джоуля -Ленца. Количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током Q=I*IR∆t. Тепловая мощность постоянного тока(количество теплоты, выделяемое током в проводнике в единицу времени) может быть определена из равенства: P=I*IR или P=U*U/R Работа источника постоянного тока A=Iξ∆t, где ξ,I,∆t – ЭДС, сила постоянного тока и промежуток действия источника тока соответственно. Мощность источника тока. P=Iξ.

16. КПД источника тока и его зависимости от параметров электрической цепи.
    

Коэффициент полезного действия (КПД) источника тока η – величина, равная отношению работы тока на нагрузке (полезной работы на внешнем участке цепи) А(нагр) к работе источника тока А(ист): η=А(нагр)/А(ист)=Р(нагр)/Р(ист), где Р(нагр) – мощность тока на нагрузке (полезная мощность на внешнем участке цепи); Р(ист) – мощность источника тока; η=U/ξ, где U – напряжение на внешнем участке замкнутой цепи, ξ – ЭДС источника тока; η=R/(R+r), где R – сопротивление внешнего участка замкнутой цепи, - внутреннее сопротивление источника тока; η=1-rI/ξ, где r – внутреннее сопротивление источника. P(нагр)=Iξ-I*Ir; P(ист)=Iξ. Максимальная мощность на нагрузке достигается при значении силы тока I=ξ/2r (сопротивлении нагрузки R равно сопротивлению источника тока r), при этом мощность источника составляет одну четверть от его максимально возможной, а КПД источника равен 0,5. Максимальная мощность источника тока (P=ξ*ξ/r) достигается при токе короткого замыкания I=ξ/r, когда сопротивление нагрузки равно нулю.

17. Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупро­
    водниковый диод. Термо- и фоторезисторы.
    

Полупроводники – это такие в-ва, удельное сопротивление которых может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с увеличением температуры. При низких температурах в кристаллах полупроводников ковалентные связи прочны и свободных электронов нет, при повышении температуры ковалентные связи рвутся и появляются свободные электроны - собственная проводимость (проводимость n-типа). На месте, где были электроны появляются положительные дырки, в них могут перемещаться электроны – т.е. упорядоченное движение дырок – это собственная дырочная проводимость (p-типа). Примесной проводимостью п-п наз. Их электрпродность обусловленную внесением в их крист. решетку примесей. Также возикает электронная проводимость (или n-тип) в результате того, что атомы прмесей поставляют свободные электроны (такие примеси донорные) и дырочная проводимость (р - тип) в результате того, что атомы примесей приводят к дырочной проводимости (акцепторы). Полупроволниковый диод – это полупроводник с одним р-n переходом. Запирают ток, если n-полупродник соединен с +, р с –, проводят ток (потенциальный барьер на разделе n-p растет), если n-полупродник соединен с –, р с + (потенциальный барьер уменьшается). П. диод выпремляет переменный ток. Из ВАХ п. диода следует, что закон Ома для него неспрведлив.Терморезисторы используют cв-во полупроводников менять сопротивление с температурой, поэтому используются для операций с температурой (термоконтроль, измерение т. и т.д.). Фоторезисторы используют cв-во полупродников менять сопротивление с освещением. Они измеряют и регистрируют слабые световые потоки.

18. Электрический ток в электролитах. Законы электролиза Фарадея.
    

Электролиты – жидкие проводники, в которых элект-ий ток представляет собой упорядоченное движение + и – заряженных ионов. Электролиты – проводники второго рода, поскольку ток в них связан с переносом вещ-ва. Электролиты – растворы кислот, щелочей, солей, расплавы солей. Наличие в электролитах ионов объясняется электролитической диссоциацией – распадом молекул растворенного вещ-ва на + и – ионы в результате взаимодействия с молекулами растворителя. + ионы – катионы  к катоду. – ионы – анионы  к аноду. Электролиз – выделение на электродах веществ при токе в электролите. 1 закон Фарадея m=kq. k – электролитический эквивалент = [ кг/Кл]. Если I=const m=kI(дельта)q. 2 закон электролиза k=m/(Fz). F – постоянная Фарадея = eN_a=96484 Kл/моль. M=(Mq)/(Fz). М – молярная масса вещ-ва. Ток в электролитах подчиняется закону Ома. При t - увеличивается степень диссоциации молекул растворенного вещ-ва и уменьшается вязкость электролита. Это приводит к уменьшению сопротивления электролита с t. Применение электролиза: электрометаллургия(получение Al из блокситов), электролитическая очистка металлов, гальваностезия(никелирование, хромирование), гальванопластика(изготовление рельефных металлических копий предметов).

19. Электрический ток в металлах. Зависимость сопротивления проводников от температуры. Сверхпроводимость.
    

Носителями свободного заряда в металлах являются электроны. В отсутствие эл.поля они принимают участие в хаотическом тепловом движении. Под действием поля они начинают перемещаться между ионами, нах.в узлах молекул со средней V=10^-4 м/с (ток). Ионы крист.реш.металла в твердом состоянии не принимают участия в создании тока (их перемещение=перенос в-ва, чего не может быть). Доказат-во наличия своб.электр.являются опыты Мандельштама и Папалекси (разгоняется брусок и резко тормозится=>по инерции электр.скапливаются спереди=>регистрируемая разность потенциалов).

Увеличение темп.приводит к увеличению беспорядочного теплового движения, т.е.к столкновениям электр.с частицами, не участвующими в токе; вследствие этого падает средняя скорость движения электронов=>падает сила тока. Это справедливо для металлов (в р-рах электролитов повышение темп.дает увеличение числа носителей заряда => увеличение силы тока).

Как показывает опыт, изменение сопротивления происходит по линейному закону (R-R₀)/R₀=a _дT, где а-температурный коэффициент сопротивления. Если температурный интервал невелик, то a можно считать постоянным и равным среднему значению: a=1/273 К^-1. Для всех металлич.пров-в а>0. При нагреве геометрические размеры меняются мало, сопротивление пров-ка меняется в основном за счет изменения удельного сопротивления. P=p₀(1+a _дТ). Хотя а мал, но он необходим при расчете нагрев.приборов (сопротивление вольфрамовой нити в лампочке Ильича увеличивается в 10 раз!). Используются термометры сопротивления, основанные на изменении сопротивления при разных темп. Они имеют место там, где жидкостные термометры непригодны.

При температурах, близких к абсолютному нулю были открыты замечательные явления, и одно из них – это сверхпроводимость. Суть сверхпроводимости состоит в том, что при некоторой температуре сопротивление проводника падает до нуля. Объяснение этого явления стоит искать в квантовой теории ;-). Сверхпроводимость применима для постоянного тока. При переменном сопротивление не равно нулю. Сначала был облом, т.к.первые сверхпроводники теряли свои свойства при прохождении больших токов или при нахождении в сильном магнитном поле. Впоследствии открыли материалы, способные все это выдерживать. На их основе делаются сверхпроводящие магниты, установки управляемого термоядерного синтеза и тд. Сейчас созданы материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью (керамики), но они не технологичны – хрупки, а народу нужны длинномерные образцы. Стоит надеяться, что найдется материал, обладающий сверхпроводимостью при комнатной температуре… 

20. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы диод и триод. Электронно-лучевая трубка.
    

Вакуум – это газ при такой степени разряжения, когда соударениями между молекулами можно пренебречь и длин а их свободного пробега больше размеров сосуда. Такой газ является изолятором, тк.в нем нет носителей эл.тока – заряж.частиц. Ток будет существовать, если ввести в сосуд носители заряда. Наиболее просто это можно осуществить электронной эмиссией электронов с поверхностей электродов (возникает когда часть электронов металла получает достаточную для преодоления связи с металлом энергию - А_вых). Эмиссия бывает разная: ионно-электронная (при бомбардировке катода (-) положительными ионами), термоэлектронная (испускание электронов с пов-сти достаточно нагретого металла), фотоэлектронная (испускание электронов под воздействием электромагнитного излучения), вторичная электронная эмиссия (испускание электронов при бомбардировке быстрыми электронами). Рассмотрим, как с помощью термоэлектронной эмиссии получить в вакууме электрический ток. Опыты показывают, что для этого надо собрать следующую цепь: в откачанном сосуде катод соединить с батареей, которая будет его разогревать и с главной батареей (к минусу), а анод к плюсу. Так получаем, что разогретый катод испускает электроны (от минуса) на холодный анод, и в цепи идет ток. Если изменить полярность главной батареи, то ток не потечет, т.к.теперь горячим будет анод, на котором будет недостаток электронов. Именно на этой особенности вакуумной проводимости основаны электродные лампы – диод и триод, являющиеся «запирателями» цепи при изменении полярности. Диод – простейший откаченный сосуд с анодом и катодом (который подогревают, т.к.ток в цепях – переменный и прямой накал катода будет тоже переменным =>переменный ток в сосуде). ВАХ диода – вогнутая вниз линия, идущая от (0,0) к (20В,100мА). Вогнутость объясняется наличием электронного облака возле нагретого катода (испуская электроны, он заряжается положительно и меж ним и электронами возникает сила притяжения). При некотором значении напряжения (ВАХ) график переходит в прямую линию – ток насыщения; это напряжение называется анодным напряжением. Большего тока насыщения можно добиться при большей температуре катода, т.к.возникнет большее электронное облако возле него. Диоды применяют как вентили с односторонней проводимостью.

Устройство триода отличается от диода наличием сетки с переменным потенциалом, расположенной ближе к катоду. Сетка дает возможность управлять анодным током лампы. Задавая положительный потенциал относительно катода, мы создаем поле, напряженность которого совпадает по направлению с основным полем между анодом и катодом, увеличивая таким образом анодный ток лампы. Минус потенциал => уменьшение тока. При опред. потенциале ток прекращается (потенциал запирания). Вместо ВАХа используют сеточную характеристику триода – зависимость анодного тока от сеточного напряжения. Эта зависимость представляет собой прямую, идущую от минус-значения потенциала (запирание) и нуля тока через ноль потенциала и положит.значение тока и далее вверх. У самого нуля тока (-потенц) наблюдается некоторое искривление.

ЭЛТ – называют устр-во, основанное на явлении термоэлектронной эмиссии с подогревного катода. Управление электронным пучком осуществляется с помощью эл. и магн. полей. Электроны испускаемые подогревным катодом (на нем небольшой отрицательный потенциал) проходят сквозь управляющую сетку и два ускоряющих анода (на них большой положительный потециал, на втором аноде еще выше) – это система электронной пушки. Служит для получения на экране трубки с люминесцир. покрытием наименее узкого пучка электронов- фркусировка. После пушки, которая фокусирует и меняет яркость, пучком управляют гризонтальные и вертик. пластины. Колебания потенциала на них вызывают перемещение пучка по экрану. Св-во ЭЛТ – малая инерционность пучка, т.е. быстрая реакция. Все ЭЛТ делятся на трубки с электростат. управлением и электромагн. управлением.

21. Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.