Електричне поле

Електростатичне поле — особливий вид матерії, що оточує заряджені тіла і передає дії зарядів один на одного.

. Напруженість електричного поля – фізична величина яка показує силу з якою електричне поле діє на одиничний пробний заряд вміщений в дану точку поля і визначається відношенням сили до величини цього заряду.

або

Лінії напруженості електричного поля: 1) спосіб графічного зображення поля., 2) уявні лінії, дотичні до яких у кожній точці поля збігаються за напрямком з вектором напруже­ності Е у даній точці;,3) мають напрям, який збігається з напрямом сили, що діє на позитивний заряд; 4) починаються на позитивних зарядах, закінчуються на негативних; 5) густина ліній напруженості, які пронизують одиницю площі попе­речного перерізу, пропорційна модулю вектора Е; 6) незалежні неперервні і не можуть перетинатись.

Принцип суперпозиції електричних полів: результат впливу на частинку кількох зовнішніх сил є просто сума резульаттів впливу кожної із сил.

Потенціалом називають енергетичну характеристику електричного поля, що показує величину потенціальної енергії, яку мав би одиничний позитивний заряд вміщений в дану точку поля. Потенціал визначається відношенням величини потенціальної енергії до величини пробного заряду:

Напругою називають фізичну величину яка показує різницю потенціалів між двома точками електричного поля

31. Електроємність провідника.

1. Властивість провідника накопичувати електричний заряд називається електричною ємністю.

2. Електрична ємність визначається як коефіцієнт пропорційності (позначається літерою - С, одиниця вимірювання - (фарад). (Ф))

3. Електроємність НЕ залежить ні від величини заряду ні від величини потенціалу!

4. 1 Ф — дуже велика ємність (таку ємність має металева куля радіусом 1406 R_Землі)

На практиці використовують ємності 1мкФ=10^-6 Ф; 1нФ=10^-9 Ф; 1пФ=10^-12 Ф.

5. Електроємність:

Залежить від: Не залежить від:

1) геометричних властивостей (розмі- 1) маси

рів, форми, взаємного розташування 2) матеріалу провідника

тіл) 3) заряду

2) діелектричних властивостей оточую- 4) потенціалу

чого середовища; 5) наявності внутрішніх порож-

3) близько розташованих тіл (особливо, нин, якщо вони заземлені).

якщо вони заземлені)

6. Електроємність провідника, що має форму кулі визначається за формулою: 7. Електроємність поодинокого провідника дуже мала.

8. В електротехніці заряди накопичують у конденсаторах.

Конденсатор — пристрій, який служить для нагромадження великих зарядів у малій ділянці простору та їх миттєвої віддачі. Складається з близько розташованих провідників, розділених шаром діелектрика. Залежно від форми поділяють на:

9. Види конденсаторів

За призначенням Використовуються для:

1. Постійної ємності, 1) накопичення заряду

(паперові, слюдяні, керамічні).

2. Змінної ємності 2) налаштовування на

(повітряні). радіостанцію;

3. Електролітичні 3) згладження пульсацій,

(дуже великої ємності) утворення розрядів;

10. Ємність плоского конденсатора.

S

d і

S

11. Ємність плоского конденсатора залежить від: 1) площі пластини (S) – (чим більша площа – тим більша ємність); 2) відстані між пластинами, або товщини діелектрика (d) – (чим менша відстань – тим більша ємність); 3) числового значення величини діелектричної проникності середовища, що знаходиться між пластинами (ε) -(чим більша діелектрична проникність – тим більша ємність)

12. З’єднання конденсаторів:

Для зменшення ємності Для збільшення ємності

послідовне паралельне

С₁ С₂ С₃ q₁ C₁

q₁ q₂ q₃

q₂ C₂

U₁ U₂ U₃ q q

U C₃

q₃

C=C₁+C₂+C₃

q = q₁= q₂ = q₃ q= q₁+ q₂ + q₃

U=U₁ +U₂+U₃ U=U₁ = U₂= U₃

13. Напруженність електричного поля конденсатора визначається виразом

14. Енергія електричного поля.

15. Енергія електричного поля плоского конденсатора.

32. Електроємність провідника.

1. Метали мають кристалічну будову. У вузлах таких кристалів знаходяться позитивні іони, а міжвузловий простір заповнено електронами, що хаотично рухаються. Ці електрони називають вільними бо вони знаходяться за межами атомів. Якщо такий провідник помістити в електричне поле то усі вільні електрони будуть напрямлено рухатись протилежно напрямку ліній напруженості поля.

2. Електричним струмом називають напрямлений рух вільних носіїв заряду під дією електричного поля.

3. За напрям електричного струму приймають напрям руху позитивних частинок в електричному полі.

4. Електричним струмом у металах називають напрямлений рух вільних електронів під дією електричного поля.

5. Електричний струм характеризують двома величинами – силою струму та його густиною.

6. Силою струму називають векторну фізичну величину яка показує заряд, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу. (позначається літерою - І, одиниця вимірювання – ампер (А))

7. Якщо сила струму з часом не змінюється ні за модулем ні за напрямом то такий струм називають постійним.

8. Густиною струму називають векторну фізичну величину яка показує силу струму, що припадає на одиницю площі поперечного перерізу провідника по якому протікає струм. (позначається літерою - , одиниця вимірювання - ампер поділено на метр квадратний ())

9. Врахувавши, що провідник має форму циліндра визначаємо залежність густини струму від швидкості руху вільних електронів та їх концентрації: Отже: густина струму прямо пропорційна концентрації вільних носіїв заряду та їх швидкості.

Для отримання електричного струму необхідно утворити електричне коло. В загальному випадку електричне коло складається з джерела електричної енергії, споживачів електричної енергії та з’єднувальних провідників. Властивість провідника чинити протидію електричному струму називають електричним опором провідника. (одиниця вимірювання – ом (Ом)).

33. Активний опір провідників.

1. Якщо при проходженні електричного стуму через провідник на ньому виділяється тепло то опір такого провідника називають активним Активний опір провідника позначають літерою – R.

2. Активний опір провідника залежить від: речовини з якої він виготовлений, довжини провідника, площі поперечного перерізу провідника та його температури. ( - довжина провідника, S – площа поперечного перерізу, - питомий опір провідника)

3. Величину обернену до активного опору провідника називають провідністю. (позначають літерою - одиниця вимірювання – сіменс (См)),

4. Питомий опір провідника – фізична величина, яка показує опір провідника довжиною один метр та площею поперечного перерізу один метр квадратний, виготовленого із заданої речовини . (позначається літерою - , одиниця вимірювання - ом помножений на метр (Ом ∙м). табличне значення)

5. У техніці використовують провідники досить малої площі поперечного перерізу. Тому одиниця питомого опору є

6. Активний опір провідника залежить від температури. Із збільшенням температури активний опір збільшується, а із зменшенням температури - зменшується ( - опір провідника при температурі 0⁰С). - температурний коефіцієнт опору – фізична величина яка показує на яку частину від початкового опору змінюється опір провідника при зміні його температури на один градус. (одиниця вимірювання – кельвін у мінус першій степені )

7. Експериментально встановлено, що при наднизьких температурах () у провідниках зникає активний опір. Це явище назвали надпровідністю.

8. Для довільної ділянки електричного кола, що не містить джерела електричної енергії є справедливим закон: Сила струму на ділянці кола, що не містить джерела електричної енергії прямо пропорційна напрузі на цій ділянці і обернено пропорційна опору цієї ділянки . Даний закон називають законом Ома для ділянки кола.

34. Джерела електричної енергії.

1. Джерелом електричної енергії називають пристрій, який перетворює енергію будь якого виду в електричну.

2. В джерелі постійно виконується робота неелектричними (сторонніми) силами по перерозподілу заряду і його накопичені на полюсах. Внаслідок цієї роботи джерело створює електричне поле під дією якого рухаються електричні заряди.

3. Сторонніми силами називають будь-які сили не електростатичної природи, які діють на заряджені частинки

4. Джерела електричної енергії характеризують двома параметрами: електрорушійною силою та внутрішнім опором. - Електрорушійною силою називають скалярну фізичну величину, яка показує роботу сторонніх сил по переміщенню одиничного заряду по замкненому контуру (позначається літерою – Е, одиниця вимірювання – вольт (В)) Внутрішній опір - фізична величина, яка визначається активним опором джерела електричної енергії (позначається літерою – R₀, одиниця вимірювання – ом (Ом))

5. Джерела ЕРС з’єднують у батареї – послідовно або паралельно. При послідовному з’єднанні: Е=Е₁+Е₂+…….. При паралельному з’єднанні - Е=const/

6. Повним електричним колом називають електричне коло, яке містить E+ - R₀ A джерело електричної енергії, споживачі та з’єднувальні V провідники. В електричне коло R вмикають вимірювальні прилади: наприклад – амперметр і вольтметр.

7. Для повного електричного кола є справедливим закон , який називають законом Ома і формулюють так: Сила струму у повному колі прямо пропорційна електрорушійній силі джерела і обернено пропорційна повному опору кола. Повним опором електричного кола називають суму опорів (R+R ₀) зовнішньої ділянки R та внутрішнього опору R₀.

35. Робота та потужність електричного струму.

1. Робота електричного струму у повному колі буде рівною роботі сторонніх сил у джерелі (внаслідок закону збереження і перетворення енергії). Виразимо її так де - робота електричного струму у зовнішній ділянці електричного кола, а - робота електричного струму у внутрішній ділянці (джерелі) електричного кола.

2.На споживачах з активним опором при проходженні електричного струму виділяється теплота. Кількість теплоти, яка виділиться на споживачі з активним опором буде рівною роботі електричного струму у даному споживачі.

3. Вираз називають законом Джоуля – Ленца і формулюють так: Кількість теплоти, яка виділиться на споживачі з активним опором прямо пропорційна величині цього опору, квадрату сили струму, що проходить через споживач, та часу його проходження

4. Скориставшись законом Ома для ділянки кола отримують наступні вирази для визначення роботи електричного струму: (позначається літерою – А, одиниця вимірювання – джоуль (Дж))

5. Потужністю називають фізичну величину, яка визначається роботою, що виконана за одиницю часу (позначається літерою – Р, одиниця вимірювання – ват (Вт))

6. Коефіцієнт корисної дії джерела струму визначають відношенням корисної потужності до загальної потужності джерела Оптимальний опір навантаження джерела -

7. Коротким замиканням називають режим роботи джерела струму за умови, що опір зовнішньої ділянки кола прямує до нуля (). За такої умови різко зростає сила струму, а відповідно кількість виділеної теплоти, що призводить до руйнування джерела та провідників. Щоб запобігти режиму короткого замикання в коло вмикають легкоплавкі запобіжники.

36. Термоелектричні явища.

1. В усіх металах є вільні електрони, які хаотично рухаються між позитивними іонами, що утворюють кристалічну решітку.

2. Кількість негативного і позитивного заряду всередині металу однакова, а отже їх взаємодія є скомпенсованою. Якщо електрон виходитиме за межі металу порушиться зарядова збалансованість і виникне електрична сила, що поверне його всередину.

3. Мінімальну роботою А, яку має виконати електрон за рахунок своєї кінетичної енергії, щоб вийти з металу (і не повернутися в нього), називають роботою виходу. А= е ·∆φ (∆φ – різниця потенціалів, е – заряд електрона)

4. Потенціальну енергію електрона поза металом приймаємо рівною нулю, а всередині металу від’ємною.

5. Під час нагрівання збільшується кінетична енергія електронів, а отже зростатиме кількість тих, що вилітатимуть за межі металу.

6. Вилітання вільних електронів з металу, спричинене його нагріванням, називають термоелектронною емісією. Емісія електронів з металу відчутна при температурі 1000К.

7. 1. Різні метали мають різну роботу виходу електронів. 2. Різні метали мають різну концентрацію вільних електронів.

8. При дотиканні двох різних металів один до одного між ними виникає різниця потенціалів (напруга), яку називають контактною різницею потенціалів. Це явище відкрив Вольта, який експериментально встановив два закони: 1.Контактна різниця потенціалів, що виникає під час дотикання двох різних металів, залежить тільки від їх хімічного складу і температури. 2. Різниця потенціалів на кінцях кола, складеного з послідовно з’єднаних металевих провідників, температура яких однакова, не залежить від хімічного складу проміжних провідників. Вона дорівнює контактній різниці потенціалів крайніх провідників.

9. Контактна різниця потенціалів має різне значення для різних пар металів – від кількох десятих вольта до кількох вольтів.

10. Досліджуючи різні метали Вольта показав, що можна утворити такий ряд послідовно з’єднаних металів, в яких кожен із металів відносно наступного матиме позитивний потенціал, а відносно попереднього - негативний: + Na, K, Bi, Co, Hg, Pt, Au, Cu, Sn, Al, Pb, Zn, Ag, Cd, Fe, As, Sb -

11. Контактна різниця потенціалів при однаковій температурі контактів у замкненому колі з металевих провідників не може створити струму. Але якщо один із контактів нагріти то по колу потече струм викликаний дією електрорушійної сили. Це явище відкрив у 1821р. Зеебек.

12. Електрорушійну силу у замкненому колі, складеному з різнорідних металів, яка зумовлена різними температурами контактів, називають термоелектрорушійною силою .

13. Термоелектрорушійна сила у колі з двох різних металів прямо пропорційна різниці температур їх контактів і залежить від роду матеріалів.

14. Прилад, що складається з двох різнорідних металів зі спаяними кінцями, в якому створюється електрична енергія за рахунок внутрішньої енергії іншого тіла, що підтримує різницю температур спаїв, називають термопарою. На практиці використовують термопари: залізо – константан (сплав Cu + Ni), мідь – константан, хромель (сплав Cr + Ni) – алюмель (сплав Al + Ni) тощо. Термопари використовують для вимірювання температур у досить широкому діапазоні.

15. Якщо термопару під’єднати до зовнішнього джерела струму то температура одного спаю почне підвищуватися, а другого понижуватися. Це явище називають явищем Пельтьє.

Явище Пельтьє використовують для створення холодильних машин.

37. Електричний струм в електролітах.

1. Електролітична дисоціація.

Чиста дистильована вода — практично діелектрик. Молекули води є природними диполя­ми. Припустимо, що у воді є молекула соляної кислоти НС1. Ця моле­кула складається з іону Н⁺ і іону СІ^-, які утримуються кулонівською силою притягання. Вода великою мірою ослаблює електричну взаємодію зарядів (приблизно у 80 раз), а молекули води, які хаотично рухаються, вдаряють з усіх боків молекулу соляної кис­лоти; внаслідок цього молекула НС1 розпадається на іони. Можна ска­зати, що диполі води оточують молекулу кислоти і ніби розтягають її на іони (рис.19.1). Зауважимо, що різнойменно заряджені іони, які є у воді, притягуються і, зустрівшись, можуть знову утворити молеку­ли. Тому, коли кислота потрапляє у воду, там триває не тільки процес розпаду молекул на іони, а й обернений процес утворення нейтральних молекул з іонів НС1↔Н⁺ + Сl^-

(стрілка показують, що процес відбувається в обох напрямах).

Роз­пад молекул на іони під дією розчинника називають електролітичною дисоціацією.

Число, яке показує, яку частину всіх молекул розчиненої речовини становлять молекули, що розпалися на іони, називає­ться ступенем дисоціації

2Отже, рухомими носіями зарядів у розчинах є лише іони. Під час дисоціації іони водню і всіх металів заряджені позитивно. Іони в роз­чині іноді утворюють групу з кількох атомів. Зазначимо, що дисоціацію молекул на іони може спричинити не тільки розчинник. Наприклад, під час значного нагрівання речовини її молекули, які складаються з іонів, можуть дисоціювати на окремі іони. Тому розплави солей також є провідниками електричного струму.

3. Отже, згідно з теорією електролітичної дисоціації, у розчинах солей, кислот і лугів завжди є вільні іони, бо вони виникають у момент розчинення речовини у воді або в іншому розчиннику.

4. Електроліз. Рідкий провідник, в якому рухомими носіями зарядів є лише іони, називають електролітом. Нехай у ванну налито розчин сірчаної кис­лоти у воді. Молекули сірчаної кислоти дисоціюють згідно з рівняннямH₂SO₄ ↔ 2Н⁺ + SO₄^--.

Опустимо у ванну платинові пластини і з'єднаємо їх через ампер­метр з батареєю. Ці пластини називаються є л є к т р од а м и. Електрод, з'єднаний з позитивним полюсом батареї, називають анодом, а електрод, з'єднаний з негативним полюсом,— като­дом. Якщо коло замкнути ключем, то в електроліті між електродами виникне електричне поле. Під дією сил цього поля іони водню Н⁺ прямуватимуть до катода, а іони кислотного залишку SO₄ — до ано­да. Дійшовши до катода, іони Н⁺ приєднують до себе один з вільних електронів пластини і перетворюються в нейтральні атоми водню. З'єднуючись попарно, ці атоми утворюють молекули газоподібного водню, який і виділяється на катоді.

Встановлено, що в описаному випадку, крім іонів SO₄^{- -}, в елек­троліті є ще інші негативні іони, бо молекули самої води в невеликій кількості також дисоціюють: н₂о ↔н⁺ + он-.

Іони ОН^- (гідроксил) легко віддають свій зайвий електрон, а іони SO₄^-- утримують свої електрони міцніше. Тому на аноді, куди підхо­дять негативні іони, розряджаються іони ОН^-, а іони SО^-- залиша­ються в розчині. Під час розряджання іонів ОН^- утворюється вода і нейтральні молекули газоподібного кисню, який і виділяється на аноді.

Позначивши абсолютну величину заряду електрона буквою е_у усі ці процеси можна записати так: Утворення іонів у розчині 4Н₂О ↔4Н⁺ + 4ОН^--, H₂SO₄↔2H⁺ + SO₄^--

Процеси на катоді Процеси на аноді

4Н⁺ + 4е = 2Н₂ ↑ 4ОН^-— 4 е =. 2Н₂О + 0₂ ↑

(Виділяється газоподібний водень) (Виділяється кисень)

5. Отже, з розчину виходять складові частини молекул води, а скла­дові частини молекул кислоти залишаються в розчині. Це означає, що в міру проходження струму кількість води в розчині зменшується, а концентрація розчину зростає. Ось чому описаний процес іноді на­зивають розкладом води електричним струмом.

З описаного вище видно, що проходження електричного струму через електроліти супроводжується перетворенням речовини, тобто струм в електролітах чинить хімічну дію 6. Проходження електричного струму через електроліти, яке супроводиться хімічними перетворен­нями речовини і виділенням її на електродах, називається електролі­зом. Посудину з електродами, в якій є електроліт, називають елек­тролітичною ванною.

7. Позитивні іони в розчині називають катіонами (бо під час електролізу вони рухаються до катода), а негативні іони — аніонами. Нагадаємо, що катіонами є іони водню і металів.

8. Перший закон Фарадея. Явище електролізу вивчив М. Фарадей. Ви­мірюючи величину заряду, що пройшов через розчин, і масу катода до і після електролізу, Фарадей установив, що маса речовини, яка виділяється під час електролізу _у прямо пропорційна кількості електри­ки, що пройшла через розчин: m=k·q

Дане твердження є першим законом Фарадея.

Досліди Фарадея показали, що маса виділеної під час електролізу речовини залежить не тільки від величини заряду q, а й від роду речо­вини.

9. Коефіцієнт пропорційності k, який визначає залежність маси виділеної під час електролізу речовини від її роду, називають електро­хімічним еквівалентом речовини. Електрохімічний еквівалент вимірюється масою речовини, яка виділяється на електроді під час проходження через електроліт одиниці заряду: k=m/q. (k вимірюється в кг/Кл).

Оскільки q == I t, то перший закон Фарадея можна записати так: т = k I t.

На досліді електрохімічні еквіваленти можна визначити з великою точністю.

10. Другий закон Фарадея. Частку від ділення молярної маси іонів на їх валентність (М/n) називають хімічним еквівалентом цих іонів

В результаті своїх дослідів Фарадей установив, що для виділення на електроді одного хімічного еквівалента іонів будь-якого виду треба пропустити через електроліт однакову кількість електрики F. Цю кількість електрики називають числом Фарадея, або с т а лою Фарадея.

F=9,65 · 10⁷ Кл/моль

11. Електрохімічний еквівалент знаходять за формулою: k= (1/F)·(M/n)

Дана формула є математичним виразом другого закону Фарадея: електрохімічні еквіваленти різних речовин прямо пропор­ційні їх хімічним еквівалентам.

Дата добавления: 2015-05-24