Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Электрический ток

Электрический ток. Магнитное поле

Лекция № 9

Электрический ток. Плотность и сила тока. ЭДС. Закон Ома. Правила Кирхгофа. Электрический ток в жидкостях и газах. Плазма.

Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Закон Ампера. Сила Лоренца. Магнитное поле прямолинейного проводника. Закон Био-Савара-Лапласа. Масс-спектрометр. Магнитные свойства вещества.

 

Любое перемещение электрических зарядов представляет собой электрический ток. Исследование электрического тока [1] начались еще в восемнадцатом веке. Немецкий физик, получивший первичное медицинское образование, П. Мушенбрук (1692 – 1761) изобрел лейденскую банку, накапливающую большое количество заряда. Весь заряд лейденской банки передавался мгновенно. Для исследования свойств электрического тока необходимо, чтобы он существовал в течении длительного времени.

Создание хорошо известных батареек также произошло в результате исследований в медицине. Изобрели батарею Вольта и Гальвани[2] (1737 - 1738). Гальвани[3], профессор Болонского университета, в 1791 году опубликовал работу, в которой было введено понятие «животного электричества». В ней он описал, что лапки лягушки, которые держались с помощью пинцета, сокращались при соприкосновении с другим металлом. Вольта сомневался в этой теории и считал, что источником электричества является не тело животного, а контакт двух металлов. Для достижения результата нужно вместо лягушки использовать влажный контакт двух разнородных материалов. Процесс сокращения лягушачьих мышц Вольта называл «электродвижущей силой»

Прокладывая между металлами бумагу или ткань, пропитанную раствором соли или кислоты и складывая из них столбик, который называют «вольтов столб», А.Вольта заметил, что можно увеличивать получаемое напряжение (рис.9.1).

 

Рис.9.1. Внешний вид «вольтова столба» (а), простейшая батарея, в которой в цинковый стаканчик помещен стержень из угля (б).

В батарее электричество возникает благодаря превращению химической энергии в электрическую энергию.

В простейшей батарее в качестве одного электрода использовался уголь, другого – цинк. Кислота растворяет цинк. В раствор переходят положительные ионы, оставляя по два электрона на катоде. Затем электроны покидают угольный электрод, который приобретает положительный заряд. Если такую цепь замкнуть – в ней появится ток.

Создание источников тока послужило началом широкого круга исследований, а затем и практического использования электричества.

Разность потенциалов на клеммах батареи при разомкнутой внешней цепи называется электродвижущей силой (ЭДС).

Соединим клеммы проводящим контуром, по которому может перемещаться заряд. Такой направленный поток электрического заряда называется электрическим током. Сила электрического тока равна заряду, проходящему через сечение проводника в единицу времени:

. (9.1.1)

Единицей измерения служит ампер (А): 1 А = 1 Кл/1 с.

Электрический ток в цепи создается разностью потенциалов. Эту зависимость экспериментально доказал Г.С.Ом[4]. Соотношение I ~ V называют Законом Ома.

Сила тока также зависит от сопротивления, которое проводник оказывает потоку электронов. Исходя из этого, можно записать:

, (9.1.2)

где R – электрическое сопротивление участка электрической цепи. В системе СИ сопротивление R измеряется в Омах [R]=Ом: 1 Ом = 1 В/1 А.

Величина сопротивления R не зависит от величины напряжения на концах проводника. Опытным путем установлено выражение для сопротивления металлического проводника длинной l и площадью поперечного сечения S:

, (9.1.3)

где r - удельное сопротивление, служащее характеристикой вещества, из которого изготовлен проводник. Иногда пользуются величиной , называемой удельной проводимостью, измеряемой в единицах (Ом·м)-1. У металлов сопротивление возрастает с ростом температуры, поскольку атомы начинают колебаться относительно своего положения равновесия с большей амплитудой и их расположение становится менее упорядоченным. Поэтому они сильнее будут сдерживать движение электронов.

Удельное сопротивление вещества зависит от температуры. В узких диапазонах изменения температуры справедлива формула:

, (9.1.4)

где rT – удельное сопротивление при температуре T, r0 – удельное сопротивление при температуре T0, a - температурный коэффициент сопротивления.

Для полупроводников коэффициент a может быть отрицательным, поскольку с ростом температуры начинает увеличиваться число свободных электронов, которые уменьшают сопротивление вещества. В этом случае сопротивление вещества с ростом температуры может уменьшаться.

При очень низких температурах удельное сопротивление некоторых металлов и сплавов падает до нуля. Это явление носит название сверхпроводимости. В настоящее время физики и химики занимаются исследованием высокотемпературной сверхпроводимости – явление сверхпроводимости при температурах до 1000К [5].

Электрическая энергия удобна тем, что легко превращается в другие виды энергии. Определим мощность, преобразуемую электрическим прибором: малый заряд dq проходит разность потенциалов V за время dt. Таким образом, определение электрической мощности P дается выражением:

. (9.1.5)

В системе СИ электрическая мощность определяется в ваттах (Вт): 1 Вт = 1 Дж/1 с.

Мощность, выделяемую на сопротивлении (их еще называют резисторами), можно записать, пользуясь законом Ома:

, (9.1.6)

это выражение носит название закона Джоуля-Ленца, который применим только к сопротивлениям.

Рассмотрим работу некоторых цепей постоянного тока, используя полученные выше закономерности.

При последовательном соединении сопротивлений (рис. 9.1а) сила тока в них одинаковая. Пусть V – напряжение на двух сопротивлениях, V1 и V2 падение напряжения на сопротивлениях R1 и R2 соответственно. Тогда в соответствии с законом Ома и законом сохранения энергии получим:

V = V1+ V2 = IR1+IR2

Для эквивалентного резистора R, через который течет тот же ток:

V = IR.

Откуда для рассматриваемой цепи получаем, что суммарное сопротивление последовательно соединенных проводников равно сумме сопротивлений на данном участке электрической цепи:

R = R1+R2. (9.1.7)

Это легко объяснить через сопротивление при течении воды в трубах разного диаметра, соединенных последовательно. Чем толще труба, тем ниже ее сопротивление. Поэтому общее сопротивление последовательно соединенных труб равно их сумме сопротивлений на каждом из участков. Общая масса прошедшей воды определяется сопротивлением, то есть величиной, обратной площади сечения труб на каждом из участков водопровода.

Параллельным называется соединение, при котором ток от источника разветвляется, и ко всем резисторам приложена одна и та же разность потенциалов (рис. 9.1б). В этом случае суммарный ток разветвленной электрической цепи равен сумме токов на параллельных участках цепи.

Это аналогично тому, как в трубах, соединенных параллельно, течет вода. Суммарная масса воды, прошедшей через систему будет равна сумме

Рис. 9.2. Схема последовательного(а) параллельного (б) и соединения сопротивлений.

 

масс, прошедших через каждый параллельный участок.

Учитывая сказанное, проведем выкладки, аналогичные предыдущему случаю:

I = I1+I2 = V/ R1 + V/R2

Для эквивалентного сопротивления R: I = V/R. Откуда:

. (9.1.8)

Для анализа более сложных цепей пользуются правилами Кирхгофа, в основе которых лежат законы сохранения заряда и энергии.

Первое правило Кирхгофа: для любого узла цепи сумма токов, втекающих в узел, должна быть равна сумме токов, вытекающего из узла (рис. 9.1а).

Математически его можно записать в виде:

или:

. (9.1.9)

Это правило, по сути, является следствием закона сохранения заряда:

Отсюда видим, что в общей точке на рис. 9.2а суммарный втекающий и вытекающий заряды равны нулю.

а) б)

 
 
Рис. 9.3. Применение первого и второго правила Кирхгофа в узле (а) и простой цепи с током (б).

 

 


Второе правило Кирхгофа: алгебраическая сумма падений напряжения вдоль любого замкнутого контура электрической цепи равняется алгебраической сумме действующих в ней ЭДС ε i:

. (9.1.10)

Второе правило Кирхгофа является следствием закона сохранения энергии. Пример применения второго правила Кирхгофа представлен на рис.9.2б.

Пример.9.1. Для представленных на рис.9.2 схем первое (9.1.9) и второе (9.1.10) правила Кирхгофа записываются в виде уравнений:

рис. 9.2.а:

рис. 9.2.б:

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Дипольный момент диэлектрика | Электрический ток в жидкостях
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 446; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.024 сек.