Лекции и задачи по физике Электрический ток

Электрический ток

Постоянный электрический ток В электродинамике — разделе учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов или макроскопических заряженных тел, — важнейшим понятием является понятие электрического тока. Электрическим током называется любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. В проводнике под действием приложенного электрического поля Е свободные электрические заряды перемещаются: положительные — по полю, отрицательные — против поля, т. е. в проводнике возникает электрический ток, называемый током проводимости. Если же упорядоченное движение электрических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела (рис. 146, б), то возникает так называемый конвекционный ток.

Закон Ома. Сопротивление проводников Немецкий физик Г. Ом (1787;—1854) экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника

Закон Ома для неоднородного участка цепи

Электрические токи в металлах, вакууме и газах Элементарная классическая теория электропроводности металлов Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т. е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде (1863—1906) и разработанной впоследствии нидерландским физиком X. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

Работа выхода электронов из металла Как показывает опыт, свободные электроны при обычных температурах практически не покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препятствующее выходу электронов из металла в окружающий вакуум. Работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум, называется работой выхода. Укажем две вероятные причины появления работы выхода

Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд Газы при не слишком высоких температурах и при давлениях, близких к атмосферному, являются хорошими изоляторами. Если поместить в сухой атмосферный воздух заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то его заряд долго остается неизменным. Это объясняется тем, что газы при обычных условиях состоят из нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов (электронов и ионов). Газ становится проводником электричества, когда некоторая часть его молекул ионизуется, т. е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Для этого газ надо подвергнуть действию какого-либо ионизатора (например, поднеся к заряженному электрометру пламя свечи, наблюдаем спад его заряда; здесь электропроводность газа вызвана нагреванием).

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 a — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо (a составляет доли процента), умеренно (a — несколько процентов) и полностью (a близко к 100%) ионизованной плазме.

Переменный ток Установившиеся вынужденные электромагнитные колебания можно рассматривать как протекание в цепи, содержащей резистор, катушку индуктивности и конденсатор, переменного тока. Переменный ток можно считать квазистационарным, т. е. для него мгновенные значения силы тока во всех сечениях цепи практически одинаковы, так как их изменения происходят достаточно медленно, а электромагнитные возмущения распространяются по цепи со скоростью, равной скорости света. Для мгновенных значений квазистационарных токов выполняются закон Ома и вытекающие из него правила Кирхгофа, которые будут использованы применительно к переменным токам (эти законы уже использовались при рассмотрении электромагнитных колебаний).

Резонанс напряжений Если в цепи переменного тока, содержащей последовательно включенные конденсатор, катушку индуктивности и резистор

Мощность, выделяемая в цепи переменного тока Мгновенное значение мощности переменного тока равно произведению мгновенных значений напряжения и силы тока

Постоянный электрический ток

1. Электрический ток:

а) всякое упорядоченное движение только положительных электрических зарядов относительно той или иной среды;

б) всякое упорядоченное движение только отрицательных электрических зарядов относительно той или иной среды;

в) всякое упорядоченное движение любых электрических зарядов относительно той или иной среды.

2. Ток проводимости:

а) электрический ток, возникающий в проводниках под влиянием различных факторов и представляющий собой упорядоченное движение заряженных частиц относительно среды (т.е. внутри макроскопических тел);

б) электрический ток, возникающий в проводниках под влиянием электрического поля и представляющий собой упорядоченное движение заряженных частиц относительно среды (т.е. внутри макроскопических тел);

в) электрический ток, возникающий в проводниках под влиянием электрического поля и представляющий собой упорядоченное движение заряженных частиц в пространстве.

3. Ток в вакууме представляет собой:

а) движущиеся микроскопические ионы, независимо от макроскопических тел в вакууме;

б) движущиеся микроскопические ионы, зависящие от макроскопических тел в вакууме;

в) движущиеся микроскопические электроны, независимо от макроскопических тел в вакууме.

4. Основные действия электрического тока:

а) только магнитное;

б) только тепловое и химическое;

в) только магнитное, тепловое и химическое;

г) магнитное, тепловое, химическое и биологическое.

Закон сохранения заряда в дифференциальной форме:

;

Дифференциальная запись закона Кулона:

;

Теорема Остроградского – Гаусса для непрерывного распределения зарядов:

;

Дифференциальное уравнение потенциальности электростатического поля:

rot E = 0;

Уравнение Пуассона:

Dj = r/e0,

где   – оператор Лапласа;

Уравнение Лапласа:

Dj = 0;

Формула Стокса:

.

Основные уравнения электростатики диэлектриков

Условие нейтральности объема:

;

Дипольный момент нейтральной системы

;

Напряженность и потенциал электрического поля нейтральной системы с дипольным моментом p определяются соотношениями:

; ;

Объемная плотность связанных зарядов

.

Лекции и задачи по физике Примеры решений контрольной работы