Электричество (1077824), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Сторонние силы.Для возникновения и существования электрического тока необходимо:1) наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способныхперемещаться упорядоченно;2) наличие электрического поля, энергия которого должна каким-тообразом восполняться.Если в цепи действуют только силы электростатического поля, топроисходит перемещение носителей таким образом, что потенциалы всех точекцепи выравниваются и электростатическое поле исчезает.А.Н.Огурцов. Физика для студентовДля существования постоянного тока необходимо наличие в цепиустройства, способного создавать и поддерживать разность потенциаловза счет сил не электростатического происхождения.Такие устройства называются источниками тока.Силы не электростатического происхождения, действующие на заряды состороны источников тока, называются сторонними.Количественная характеристика сторонних сил – поле сторонних сил иего напряженность Eстор , определяемая сторонней силой, действующей наединичный положительный заряд.Природа сторонних сил может быть различной.
Например, вгальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакциймежду электродами и электролитами; в генераторе – за счет механическойэнергии вращения ротора генератора, в солнечных батареях – за счет энергиифотонов и т.п. Роль источника тока в электрической цепи такая же как рольнасоса, который необходим для поддержания тока жидкости в гидравлическойсистеме.Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические зарядыдвижутся внутри источника тока против сил электростатического поля,благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепитечет постоянный электрический ток.31.
Электродвижущая сила и напряжение.Физическая величина, определяемая работой, которую совершаютсторонние силы при перемещении единичного положительного заряда,называется электродвижущей силой (ЭДС) действующей в цепиΘ=A.q0Эта работа совершается за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока,поэтому величину Θ , можно назвать электродвижущей силой источника тока,включенного в цепь.
ЭДС, как и потенциал выражается в вольтах.Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называетсяоднородным. Участок, на котором на носители тока действуют сторонние силы,называется неоднородным.Работа сторонних сил по перемещению заряда q0 на замкнутомучастке цепиA=∫ Fстор d l = q0 ∫ Eстор d l .Отсюда, ЭДС действующая в замкнутой цепи – это циркуляция векторанапряженности поля сторонних силΘ=∫ Eстор d l .Следовательно, для поля сторонних сил циркуляция его напряженности позамкнутому контуру не равна нулю. Поэтому поле сторонних сил –непотенциально.ЭДС, действующая на участке 1–2 цепи, равна2Θ12 = ∫ Eстор d l .1Электричество3–243–25Если на заряд q0 действуют как сторонние силы, так и силыэлектростатического поля, то результирующая сила()F = Fстор + Fe = q0 Eстор + E .Работа результирующей силы по перемещению заряда q0 на участке 1—22211A12 = q0 ∫ Eстор d l +q0 ∫ E d l = q0Θ12 + q0 ( ϕ1 − ϕ2 ) .Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, поэтомуA = q0Θ .Напряжением U на участке 1—2 называется физическая величина,численно равная суммарной работе совершаемой электростатическими исторонними силами по перемещению единичного положительного заряда наданном участке цепиlIU= E – напряженность электрического поля, R = ρ , j = .
ИзSSlI 1Uзакона Ома получим соотношение, откуда следует j = γE .=S ρ lВ проводникеВ векторной форме соотношениеj = γE ,называется законом Ома в дифференциальной форме. Этот законсвязывает плотность тока в любой точке внутри проводника снапряженностью электрического поля в той же точке.33. Сопротивление соединения проводников.(1).Последовательное соединение n проI1 = I 2 = … = I n = Iводников:Понятие напряжения является обобщением понятия разностипотенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разностипотенциалов, если участок не содержит источника тока (т.е. на участке недействует ЭДС; сторонние силы отсутствуют).32. Закон Ома. Электрическое сопротивление.Закон Ома для однородного участка цепи (не содержащегоUI=источника тока): сила тока, текущего по однородномуRметаллическому проводнику, пропорциональна напряжению наконце проводника (интегральная форма закона Ома).Коэффициент пропорциональности R называется электрическим сопротивлением проводника.Единица электрического сопротивления – ом (Ом): 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течет постоянныйток 1А.Величина G =1называется электрической проводимостью проводника.RЕдиница электрической проводимости – сименс (См): 1 См –проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом.Сопротивление проводника зависит от его размеров и формы, а также отматериала из которого проводник изготовлен.
Например, дляlоднородного линейного проводника длиной l и площадьюR=ρSпоперечного сечения S сопротивление рассчитывается по формуле:где коэффициент пропорциональности ρ , характеризующий материалпроводника, называется удельным электрическим сопротивлением.Единица удельного электрического сопротивления – ом-метр(Ом·м).Величина обратная удельному сопротивлению называется1γ=удельной электрической проводимостью вещества проводника:ρЕдиница удельной электрической проводимости – сименсна метр (См/м).А.Н.Огурцов.
Физика для студентовnnni =1i =1ni =1IR = U = ∑U i = ∑ I i Ri = I ∑ RiAU12 = 12 = ϕ1 − ϕ2 + Θ12 .q0R = ∑ Rii =1(2).Параллельное соединение n проводников:U1 = U 2 = … = U n = UnnnUU1= I = ∑ Ii = ∑ i = U ∑RRRi =1i =1 ii =1 in11=∑R i =1 Ri34. Температурная зависимость сопротивления.Опытным путем было установлено, что для большинства случаевизменение удельного сопротивления (а значит и сопротивления) стемпературой описывается линейным закономρ = ρ0 (1 + α t )илиR = R0 (1 + α t ) ,гдеρ и ρ0 , R и R0 – соответственно удельные сопротивления исопротивления проводника при температурах t и 0° С (шкала Цельсия), α –температурный коэффициент сопротивления.На зависимости электрического сопротивления металлов от температурыосновано действие термометров сопротивления.Сопротивление многих металлов при очень низких температурах Tk (0,14–20 К (шкала Кельвина)), называемых критическими, характерных для каждоговещества, скачкообразно уменьшается до нуля и металл становитсяабсолютным проводником.
Это явление называется сверхпроводимостью.35. Работа и мощность тока.Кулоновские и сторонние силы при перемещении заряда qэлектрической цепи совершают работу A .Электричествовдоль3–263–27Рассмотрим однородный проводник с сопротивлением R к концамкоторого приложено напряжение U . За время d t через сечение проводникапереносится заряд d q = I d t . Работа по перемещению заряда q0 между двумяточками поля равнаA12 = q0Δϕ ,d A = U d q = UI d t = I 2 R d t =откудаМощность токаU2dt .RdAU2.= UI = I 2 R =dtRЕсли размерности [I ] = А, [U ] = В, [R ] = Ом, то [ A] = Дж и [P ] = Вт.P=Внесистемные единицы работы тока: ватт-час (Вт·ч) и киловатт-час(кВт·ч).
1 Вт·ч – работа тока мощностью 1 Вт в течении 1 ч: 1 Вт·ч=3600Вт·с=3,6·103 Дж. Аналогично: 1 кВт·ч=1000 Вт·ч=3,6·106 Дж.36. Закон Джоуля–Ленца.При прохождении тока по проводнику происходит рассеяние энергиивследствие столкновений носителей тока между собой и с любыми другимичастицами среды. Если ток проходит по неподвижному проводнику, то всяработа тока d A идет на нагревание проводника (выделение теплоты d Q ).d A = dQ ,По закону сохранения энергииd Q = IU d t = I 2 R d t =U2dt .RКоличество теплоты Q , выделяющееся за конечный промежуток времениот 0 до t постоянным током I во всем объеме проводника, электрическоесопротивление которого равно R , получаем, интегрируя предыдущеевыражение,tQ = ∫ I 2 R d t = I 2 Rt .0Закон Джоуля–Ленца (в интегральной форме): количество теплоты,выделяемое постоянным электрическим током на участке цепи, равнопроизведению квадрата силы тока на время его прохождения иэлектрическое сопротивление этого участка цепи.Выделим в проводнике цилиндрический объем d V = d S d L (ось цилиндраdlсовпадает с направлением тока).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
