Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Разность потенциалов между пластинами конденсатора (/=200 В. Площадь каждой пластины 5 = 100 см', расстояние между пластинами с(=1 мм, пространство между ними заполнено парафином (с=2). Определить силу притяжения пластин друг к другу. [3,54 мн] Глава ! 2 Постоянный электрический ток 2116. Влектрнческнй ток, силл и п.ыыность тока В злектродннвмнке — разделе учения об электричестве, в котором рвссматриваются явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов нли макроскопических заряженных тел,— важнейшим понятием является понятие электрического тока.
Электрическим током иазываетси любое упорядоченное (направ- ленное) движение электрических зарядов, В проводнике под действием приложенного электрического поля Е свободные электрические заряды перемешаются: положительные — по полю, отрицательные-- против поля (рнс. !46, а), т. е.
в провод- вике возникает электрический ток, называемый током проводимости. Если же упорядоченное движение электрических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного макраскопи- Г л а в к 12 Ъастаккныи эйектркческкй т ж 1зз и) ® -+и Рис. 14а а плотность тока ) =пе(ч). (96 )) (96.2) 1=()/1, чсского тела (рис.
!46, б), та возникает так называемый конвекционный ток. Для возникновения н существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока .- заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, а с другой-- наличие электрического поля, энергия которого, каким-та образом восполняясь, расходовалась бы на нх упорядоченное движение. За направление тока углаепа принимают направление движения пололсительпых зарядов.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока 1 — скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, праходягцим через поперечиас сечение проводника в единицу времени: Ток, сила и направление которого не изме- няются со временем, называется посто- янным Для постоянного така где () — электрический заряд, проходящий за время 1 через поперечное сечение проводника. Единица силы тока — ампер (А) (определение см. на с.
6). Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению така, называется плотностью тока: Выразим силу и плотность тока через скореть (ч) упорядоченного движения зарядов в проводнике. Если концентрация носителей тока равна и и каждый носитель имеет элементарный заряд е (что не обязательно для напав), та за время 61 через поперечное сечение 5 проводника переносится заряд 6()=пе(е)5 г(1. Сила тока 6Я 1= — -=пг(а)5, 61 Плотн<кть тока — вектор, ориентированный по направлении~ тока, т.е направление вектора 1 совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов.
Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате (А1их) Сила тока сквозь произвольную поверхность 5 определяется как поток вектора ), т. е. где <1$=п 65 (и — - единичный вектор нор- маэги к площадке 65, саставлвкнцей с век- тором ) угол и). й 97. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) ат точек с ббльшим потенциалом к точкам с меньшим потенциалам.
Эта приведет к выравниванию потенциалов ва всех точках цени и к исчезновению электрического паля. Поэтому для существования настоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатнческаго происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы пеэлекграстатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах оии возникают за счет энергии !и 3:.~лсктричество и ззсктром«гнг~и ~м химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора и т.
и. Роль источника тока в электрической цени, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил элеитростатического полн, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток. Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов.физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э. д. с.) Эу, действующей в цепи: йт =А/гала.
(97.!) Эта работа производится за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину Ж можно также называть электродвижущсй силой не!очипка тока, включенного в цепь, Часто, вместо того чтобы сказать: «в цепи действуют сторонние силы», говорят «а цепи действует э. д. смч т. е, термин «злектродвижущая сила> употребляется как характеристика сторонних сил. Э, д.
с., как и потенциал, выражается в вольтах [ср. (84.9) и (97 !) ). Сторонняя сила Г„, действующая на заряд !2и, может быть выражена как Г«, = Е„(2м где Е„напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по переме. щению заряда О« на замкнутом участке цепи равна А =фГ„г)1=124!е,,б1. (97 2) Разделив (97.2) на !3м получим выражение для э.д.с., действующей в цепи: а =фЕ«,81, т.
с. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.де., действую!цая на участке ! — 2, равна 9 щ 5 Емй!. (97.3) На заряд г',)«помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля Г„=ЩЕ. Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Ям равна Г = Г«„Р Г« = Яи(Е«Р Е) . Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом г;)«на участке ! — 2, равна э 2 Используя выражения (97.3) и (84.8), мамаем записать Аш — — ф,«,з+!3в(гр, — фз). (97.4) Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю (см.
4 83), поэтому в данном случае Ам= Г2««м. Напряжением 0 на участке 1--2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил ори перемещении единичного положительного зарнда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (97.4), Гуж= р,—,р,-) И„. Понятие напряжения явлиется обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равнс разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует э.д.с., т, е.
сторонние силы отсутствуют. 898. Закон Ома. Сопротивление проводников Немецкий физик Г. Ом (!787 в !854) экспериментально установил, что сила то. ка 7, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжен!по (! на кои- ! л а з а !2 !!осн>ян>ьн».<гк>ричггкня ><>к (98.1) С> = 1/И )<=р —, 5' (98.2) р = рв 11 + а1), )< = )<ч (1 + <" 1) цах проводника: 1= и/)7, где )7 — электрическое сопротивление проводника.
Уравнение (98 1) выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника э.д.с.): сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника Формула (98.1) позволяет установить единицу сопротивления ом (Ом): 1 Ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В течет постоянный ток 1 А. Величина называется электрической проводимостью проводника Единица проводимости — сименс (См): 1 См — проводимость участка электрической цепи сопротивлением 1 Ом. Сопротивление проводников зависит от его размеров и формы, а также от материала, из которого проводник изготовлен.
Длн однородного линейного проводника сопротивление >к прямо пропорционально его длине 1 и обратно пропорционально площади его поперечного сечения 5; где р — коэффициент пропорциональности, характеризующий материал проводника. Он называется удельным электрическим сопротивлением. Единица удельного электрического сопротивления ом-метр (Оч м). Наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро (1,6 10 "Ом ° м) и медь (1,7 ° 1О ' Ом м). На практике наряду с медными применяются алюминиевые провода. Хотя алюминий и имеет большее, чем мель, удельное сопротивление (2,6 ° 10 "Ом ° м), но зато обладает меньшей плотностью по сравнению с медью.
Закон Ома можно представить в дифференциальной форме. Подставив выражение для сопротивления (98 2) в закон Ома 198.1), получим 1 1 (l (98.3) 5 р 1' где величина у= 1/р, обратная удельному сопротивлению, на. зыаается удельной электрической проводимостью вешестна проводника. Ег единица -- сименс на метр (См/м) Учитывая, что (1/1= Š— напрнжениос>ь электрического поля в проводнике, 1/5=1 . плот.
нос~ь тока, формулу (98.3) можно записать в ниЛе 1с УЕ. (98.4) Так как н изотронном проводнике носители тока в каждой точке движутся в направлении вектора Е, то направления 1 и Е совпадают Поэтому формулу (98.4) можно записать в виде 1=7Е. (98.5) Выражение (98.5) — закон Ома в дифференциальной форме, связывающий пл<пность тока н любой гочке внутри проводника с напряжеиностьк> электрического поля в этой же точке.
Это <оотно<псние спранедлнно и для и<ременных полей Опыт показывает, что в перном приближении изменение удельного сопротивления, а следовательно, и сопротивления, с температурой описывается линейным законом: где р н рм )7 и )7<> — соответственно удельные сопротивления и < опротивлення проводника прн 1 н О 'С, а — температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов (при не очень низких температурах) близкий к 1/273 К '. Значит, тем.
пературная зависимость сопротивления чожет быть представлена в виде )7 =- а)7<>Т, <лг 7' термодинамическая темнер мура Ка <ествецная температурная заннси. мость сопротивления металла пргд<таалена на рис. !47 (крнвая 1). Впослсдстнии было обнаружено, что сопротивление многи< мс> аллоя (например, А1, Р(>, Хи и др.) и их сплавов при очень низких >емпературах Т„ (0,14 ..
20 К.), называемых критическими, «арактерных для каждого >н- !зк Взекзрк «ггкн к мгктрочз~кгткзч гк ркь )'1 шества, скачкообразно уменьшается до нуля (припая 2), т. е. металл становится абсолютным проводником. Впервые это явление, называемое сверхпроводимостью, обнаружено в 19!1 г. Г. Камерлинг-Оннесом для ртути. Явление сверхпроводимости объясняется на основе квантовой теории. Практическое использование сверхпроводиших материалов (в обмотках сверхпровод1шгих магнитов, в системах памяти ЗВМ и др.) затруднено из-за низких их критических температур, Правда, в настоящее время обнаружены и активно исслсдуютси керамические материалы, обладахицие сверхпроводимостью при температу!и выше 100 К. На зависимости электрического сопротивлении мегаллов от температуры основано действие термометров сопротивления, к<зтарыс позволякгт по градуированной взаимосвязи сопротивления от температуры измерять температуру с точностью ло 0,003 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
