Тема 2
| ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ
|
Строение вещества
| ➨ все вещества состоят из атомов, ионов и молекул;
➨ атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов;
Различают два рода заряженных частиц в веществе: связанные заряды и свободные заряды.
|
● связанные заряды
| ➨ заряды, входящие в состав атомов, ионов и молекул;
➨ в некоторых веществах связанные заряды можно превратить в свободные, изменяя внешние условия (например, нагревание, растворение в воде);
|
● свободные заряды
| ➨ заряды, слабо связанные с атомными ядрами и способные свободно перемещаться по всей области вещества;
|
Проводники и
диэлектрики
| ➨ все вещества по характеру их проводимости
делятся на: проводники,
диэлектрики и
полупроводники;
|
ПРОВОДНИКИ
в электрическом
поле
| ➨ к проводникам относятся вещества, в которых имеются свободные заряды, способные двигаться упорядоченно по всему объему тела под действием электрического поля, т.е. проводить электрический ток;
|
● примеры
природных
проводников
| ➨ металлы; водные растворы солей, кислот, щелочей; ионизированные газы;
|
Электростатическая индукция
| ➨ вид электризации, при котором под действием внешнего электрического поля происходит перераспределение зарядов между частями данного тела;
|
● поле внутри
проводника
| ➨ поместим незаряженный металлический проводник в поле напряженностью ; свободные электроны начнут двигаться против направления вектора напряженности , в результате чего на концах проводника возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными (наведенными).
Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника, создавая собственное электрическое поле напряженностью , направленное противоположно напряженности внешнего поля.
Индуцированные заряды перемещаются до тех пор, пока напряженность собственного поля станет равной по модулю напряженности внешнего поля . По принципу суперпозиции напряженность результирующего поля внутри проводника равна векторной сумме и : = + .
Векторы и равны по модулю и противоположны по направлению, следовательно их сумма, т.е. напряженность внутри проводника, равна нулю: =0.
|
ДИЭЛЕКТРИКИ
в электрическом
поле
| ➨ к диэлектрикам относятся вещества, в которых при обычных условиях (при не высоких температурах и отсутствии сильных электрических полей) нет свободных электрических зарядов, т.е. вещества не проводящие электрический ток;
|
● отличие
диэлектриков
от проводников
| ➨ в диэлектриках заряженные частицы не способны двигаться по всему объему тела, а могут лишь смещаться на небольшие расстояния (порядка атомных) относительно своих постоянных положений, следовательно, электрические заряды в диэлектриках являются связанными.
Такое отличие приводит к тому, что во внешнем электрическом поле диэлектрики ведут себя иначе, чем проводники – диэлектрик оказывает на поле определенное влияние.
|
● примеры природных
диэлектриков
| ➨ каучук, кварц, янтарь, газы в нормальных условиях, сухие соли.
|
Виды диэлектриков
| ➨ в зависимости от строения молекул все диэлектрики можно разделить на три группы:
полярные, неполярные, сегнетоэлектрики;
|
❶ полярные
диэлектрики
| ➨ диэлектрики, состоящие из полярных молекул;
|
● полярные молекулы
| ➨ молекулы имеют асимметричное строение - центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают (например, вода, спирт). Они обладают электрическим моментом даже при отсутствии внешнего электрического поля. Их можно рассматривать как электрические диполи;
|
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИПОЛЬ
| ➨ система из двух равных по модулю и противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расстояние между которыми мало по сравнению с расстоянием до точек, где наблюдается действие этих зарядов;
|
●плечо диполя
| ➨ вектор, направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному, численно равный расстоянию между ними.
|
● электрический
момент диполя
| ➨ произведение модуля заряда диполя Qна плечо диполя , характеризует способность ориентации диполя во внешнем поле.
|
❷ неполярные
диэлектрики
| ➨ диэлектрики, состоящие из неполярных молекул.
|
● неполярные
молекулы
| ➨ имеют симметричное строение - центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают (например, парафин, азот). В отсутствии внешнего электрическогополя такие молекулы не обладают электрическим моментом. Во внешнем электрическом поле центры распределения положительных и отрицательных зарядов неполярных молекул смещаются в противоположные стороны, молекулы становятся диполями и приобретают дипольный момент.
|
● поле внутри
диэлектрика
| ➨ если диэлектрик поместить в поле напряженностью , то произойдет ориентация его диполей по полю. При увеличении напряженности внешнего поля все большее количество диполей ориентируется по полю. Поляризованный диэлектрик создает собственное электрическое поле напряженностью , направленное противоположно напряженности внешнего поля.
По принципу суперпозиции, напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна векторной сумме напряженностей внешнего и собственного полей: = +
Векторы и противоположны по направлению, т.е. собственное поле диэлектрика ослабляет внешнее поле:
|
● относительная
диэлектрическая
проницаемость
среды
| ➨ относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность электрического поля внутри диэлектрика меньше напряженности этого поля в вакууме;
|
❸ сегнетоэлектрики
| ➨ кристаллические диэлектрики, имеющие ионную структуру (например, NaCl, KCl). Они обладают огромными значениями относительной диэлектрической проницаемости ;
|
Электрическая
ёмкость уединенного проводника
[Ф]
| ➨ физическая величина, численно равная отношению заряда , сообщенного проводнику, к потенциалу , который этот заряд создает на поверхности проводника;
|
· взаимная
электроемкость
двух проводников
[Ф]
| ➨ физическая величина, численно равная заряду, который нужно перенести с одного проводника на другой для того, чтобы изменить на единицу разность потенциалов () между ними;
|
· электроемкость
уединенного шара
| ➨ R – радиус шара;
|
● единица
электроёмкости
1 Фарад
| ➨ за единицу электроёмкости принята емкость такого проводника, у которого потенциал возрастает на 1 В при сообщении проводнику заряда 1 Кл;
|
КОНДЕНСАТОР
● плоский
конденсатор
| ➨ система из двух разделенных диэлектриком проводников, на которых могут накапливаться заряды противоположных знаков.
➨ система из двух плоских параллельно расположенных на расстоянии d металлических пластин площадью Sкаждая, разделенных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью .
|
Ёмкость плоского
конденсатора
| ➨ прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества между пластинами, площади пластиныS и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами d;
|
● энергия
плоского
конденсатора
|
|
q- заряд одной
из пластин
|
(U=Ed)
|
Конденсаторы
различают:
| ❶ по емкости - постоянной и переменной;
|
❷ по форме:
плоские,
цилиндрические,
сферические
| ❸ по роду диэлектрика:
воздушные, слюдяные,
электролитические,
керамические,
|
● цилиндрические
|
➨
|
➨
|
● сферические
|
➨
|
➨
|
СОЕДИНЕНИЯ
КОНДЕНСАТОРОВ
| ➨ для получения нужной электроемкости конденсаторы соединяют друг с другом параллельно, последовательно или смешанно;
|
● последовательное
соединение
при таком соединении на участке электрической цепи не образуется узлов
| ➨
общая
электроемкость уменьшается
|
➨ q=const
;
;
|
● параллельное
соединение
при таком соединении одни концы конденсаторов сходятся в узел, а другие концы - в другой узел
| ➨
общая
электроемкость
увеличивается
|
➨ ∆φ=const
q=q1 +q2 +…+qn
;
Cоб =С1 +С2 +…+Сn
|
● смешанное
соединение
состоит из
последовательного и
параллельного
соединений;
| ➨ пример:
| ➨ узел – точка электрической цепи, в которой имеется более двух направлений тока.
|
| | | | | | |
ЛЕКЦИЯ 3
| |
Тема 3
| ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
| |
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
| ➨ направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов;
| |
● ток проводимости
| ➨ упорядоченное движение свободных электрических зарядов, происходящее в проводнике.
Токами проводимости являются:
в металлах – направленное движение электронов;
в жидкостях – ионов;
в газах – электронов и ионов;
| |
● условия
возникновения
и существования
электрического
тока
проводимости
| ➨ ❶ наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно;
❷ наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на совершение работы по упорядоченному перемещению зарядов;
| |
● направление тока
| ➨ за направление тока принимают направленное движение положительно заряженных частиц;
➨ вметаллах ток направлен против движения электронов;
➨ в жидкостях и газах упорядоченное движение электрических зарядов может происходить как в направлении тока, так и в противоположном направлении;
| |
СИЛА ТОКА
[A]
| ➨ скалярная физическая величина, численно равная отношению заряда , проходящего через поперечное сечение проводника ко времени прохождения заряда;
|
| |
● постоянный ток
| ➨ электрический ток, сила и направление которого сохраняются с течением времени неизменными;
| |
● плотность тока
| ➨ векторная величина, модуль которой равен отношению силы тока в проводнике к площади поперечного сечения этого проводника;
| |
НАПРЯЖЕНИЕ
на участке цепи
[B]
| ➨ физическая величина, численно равная суммарной работе, совершаемой кулоновскими и сторонними силами при перемещении по участку единичного положительного заряда;
| |
➨ для неоднородного участка цепи;
| |
➨ для однородного участка цепи (при );
| |
| |
Носители свободных электрических зарядов
| |
● В МЕТАЛЛАХ
| ➨ в металлах электрический ток представляет собой направленное движение свободных электронов под действием электрического поля. Свободные электроны образуются за счет отщепления от атомов валентных электронов. Под действием электрического поля электроны участвуютодновременно в двух движениях: хаотическом тепловом и направленном под действием поля. Скорость направленного движения мала, но переход к нему происходит быстро ().
Направленному движению свободных электронов препятствуют ионы, колеблющиеся в узлах кристалллической решетки металла. Это приводит к появлению сопротивления прохождению электрического тока. При увеличении температуры металла амплитуда колебаний ионов возрастает, что приводит к увеличению сопротивления проводника;
| |
● В ЖИДКОСТЯХ
| ➨ упорядоченное перемещение положительных и отрицательных ионов под действием созданного в жидкости электрического поля;
| |
▪ электролитическая
диссоциация
| ➨ процесс распада молекул солей, кислот, щелочей на положительные и отрицательные ионы в результате растворения в воде, например,
соль:
кислота:
щелочь:
| |
▪ электролиты
| ➨ водные растворы солей, кислот, щелочей, а так же расплавы некоторых солей и оснований, проводящие электрический ток посредством ионов;
|
| |
▪ электролиз
| ➨ процесс выделения вещества на электродах при прохождении тока через электролит;
|
| |
▪ закон электролиза
(закон Фарадея)
| ➨ масса вещества, выделившегося при электролизе на каждом из электродов, прямо пропорциональна величине заряда , прошедшего через электролит; k– электрохимический эквивалент вещества (табл. значение);
| |
● В ГАЗАХ
| ➨ направленное движение свободных электронов и ионов;
при нормальных условиях газы – диэлектрики; они становятся проводниками после ионизации;
| |
▪ ионизация
| ➨ процесс образования ионов путем отделения электронов от молекул газа. Нейтральная молекула теряет электроны, превращаясь в положительный ион; захватывает электроны, превращаясь в отрицательный ион;
| |
▪ ионизатор
| ➨ ионизация газа происходит в результате воздействия на газ внешнего ионизатора: сильного нагревания, облучения рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами, бомбардировкой электронами;
| |
▪ рекомбинация
| ➨ самопроизвольный процесс, обратный ионизации;
➨если процесс рекомбинации преобладает над процессом ионизации, то проводимость газа быстро уменьшается до нуля;
| |
● газовый разряд
| ➨ электрический ток в газе, представляющий собой противоположно направленные потоки отрицательных и положительных ионов;
➨для газового разряда необходимы два условия:
u ионизированная газовая среда;
v электрическое поле (разность потенциалов, приложенная к некоторому объему газа, заключенного в сосуд);
| |
▪ самостоятельный
разряд
(искровой, тлеющий, дуговой, коронный)
| ➨ газовый разряд, не требующий для своего поддержания воздействия внешнего ионизатора.
Ионизация газа при самостоятельном разряде инициируется и поддерживается внешним электрическим полем.
| |
▪ несамостоятельный разряд
| ➨ газовый разряд, возникающий под действием внешнего ионизатора и прекращающийся после его удаления.
| |
● плазма
| ➨ четвертое состояние вещества – представляет собой полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны.
В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда.
| |
СОПРОТИВЛЕНИЕ
проводника
[Ом]
| ➨ величина, прямо пропорциональная длине проводника и обратно пропорциональная площади поперечного сечения проводника.
| |
● проводимость
[Ом-1]
| ➨ физическая величина, обратная сопротивлению проводника;
| |
● единица
сопротивления
1 Ом
| ➨ проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В, сила тока в нем 1 А;
| |
● удельное
сопротивление
проводника
[Ом·м]
| ➨ физическая величина, численно равная сопротивлению проводника длиной 1 м и поперечным сечением 1 м2;
➨ величина, характеризующая зависимость изменения сопротивления проводника от материала, из которого он изготовлен;
| |
● температурный
коэффициент
сопротивления
[град-1]
| ➨ показывает, на какую часть первоначального сопротивления изменяется сопротивление этого проводника при нагревании от 00 до 10 С;
➨ величина, характеризующая зависимость изменения сопротивления проводника от температуры:
| |
▪ металлы
| ➨ сопротивление
всех металлов при нагревании возрастает.
| |
▪ растворы солей, кислой,
щелочей,
уголь
| ➨ сопротивление
растворов солей, кислот, щелочей, а так же угля
при нагревании уменьшается.
;
- удельное сопротивление при 00С;
| |
● сверхпроводимость
| ➨ явление, при котором сопротивление некоторых чистых металлов (олово, алюминий, свинец, ртуть) падает до нуля при температурах, близких к абсолютному нулю.
| |
| ЛЕКЦИЯ 4
| |
ЗАКОН ОМА
для участка цепи
| ➨ сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению участка.
| |
СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ
| ➨ для получения необходимого сопротивления в цепи проводники соединяют последовательно и параллельно.
| |
● последовательное
соединение
такое соединение, при котором не образуется узлов
| ➨
| I=const
U = U1 + U2 +…+ UN
;
R=R1+R2+…+RN
| |
● параллельное
соединение
такое соединение, при котором есть точка, где ток расходится, и есть точка, где эти токи сходятся
| ➨
| U=const
I = I1 + I2 +…+ IN
;
;
| |
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА
Э Д С
[В]
| ➨ электродвижущая сила равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль всей замкнутой цепи к величине этого заряда.
| |
ИСТОЧНИКИ ТОКА
| ➨ устройства, обеспечивающие возникновение сторонних сил и поддерживающие постоянную разность потенциалов на своих полюсах;
| |
● виды источников тока
| ➨ батареи элементов, аккумуляторы, генераторы – в них создается запас энергии для совершения работы по перемещению зарядов в электрической цепи;
| |
● физические
процессы,
происходящие в
источниках тока
| ➨ внутри источника тока на каждую заряженную частицу действуют две силы: сила электрического поля; сила неэлектрического характера - сторонняя сила.
Эти силы совершают работу против электростатических сил по разделению положительных и отрицательных зарядов, что приводит к поддержанию электрического поля в цепи и разности потенциалов между любыми ее точками.
Работа сторонних сил связана с превращением энергии не электрической в энергию электрического тока.
| |
●устройство
источника тока
| ➨ источник тока имеет два электрода. Электрод с более высоким потенциалом, называется положительным полюсом (+), с более низким – отрицательным полюсом (-);
➨ между полюсами образуется разность потенциалов – напряжение;
➨ ЭДС численно равна напряжению на полюсах разомкнутого источника: ;
| |
● внутреннее
сопротивление
источника тока
(на схеме вынесено из источника тока и показано пунктиром)
| ➨ каждый источник тока имеет внутреннее сопротивление r;
➨ в химических источниках тока – это сопротивление электролита, в генераторах - сопротивление медногопровода электромагнитов.
|
| |
● ток короткого
замыкания
| ➨ ток, текущий по цепи, полученной при замыкании электродов источника тока между собой;
➨режим короткого замыкания – аварийный режим, при котором реальные источники тока выходят из строя.
| |
СОЕДИНЕНИЯ
ИСТОЧНИКОВ ТОКА
| ➨ соединение Nодинаковых источников тока с ЭДС и внутренним сопротивлением .
| |
● последовательное
соединение
|
➨ общая ЭДС
➨ общее внутреннее сопротивление
| |
● параллельное
соединение
|
➨ общая ЭДС
➨ общее внутреннее сопротивление
| |
Полная
электрическая
цепь
| ➨ замкнутая цепь, состоящая из двух частей:
▪ внешней - потребители тока и подводящие провода;
▪ внутренней – источники тока.
|
| |
полное
сопротивление замкнутой
электрической
цепи
| ➨ равно сумме полного сопротивления внешнего участка цепи и внутреннего сопротивления источника тока
| |
Закон Ома
для полной цепи
| ➨ сила тока в полной электрической цепи равна отношению ЭДС источника к полному сопротивлению цепи .
|
| |
● падение напряжения на внешнем участке цепи
| ➨ падение напряжения на внешнем участке цепи равно разности ЭДС источника тока и падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника;
| |
РАБОТА
электрического
тока(полезна работа)
| ➨ при перемещении заряда по электрической цепи, на концах которой действует напряжение , электрическим полем совершается работа
[Дж]
Æперемещенный при этом заряд (если ток постоянный) численно равен произведению силы тока в цепи на промежуток времени , в течение которого измерялся ток
| |
|
| |
● КПД
источника тока
| ➨ = =
- полезная работа (работа тока);
- затраченная работа (работа источника электрической энергии);
| |
МОЩНОСТЬ
электрического тока
[Вт]
| ➨ физическая величина, равная отношению работы ко времени , за которое она совершается;
| |
● единица
мощности
| | ➨ это работа в 1 Дж, произведенная за 1 секунду;
1 Вт·с = 1 Дж 1 кВт = 1000 Вт
1 Вт·ч = 3 600 Дж
1 кВт·ч = 3 600 000 Дж
| |
Закон
Джоуля-Ленца
|
| ➨ при прохождении электрического тока по проводнику в нем выделяется некоторое количество теплоты , которое прямо пропорционально квадрату силы тока , сопротивлению проводника и времени прохождения тока
| |
| | | | | | | | | | | |