- •1.Электрические заряды. Закон сохранения зарядов. Закон кулона.Электрическая постоянная
- •2.Электростатическое поле. Напряженность поля. Поле точеного заряда и системы зарядов. Приницп суперпозиции.
- •3.Элекктрическое поле диполя. Применение Применение принципа суперпозиции для расчета полей.
- •4.Графическое изображения электростатичеких полей. Направление вектора напряженности.
- •5.Теорема Остроградского-Гаусса для электростатического поля.
- •6.Применение теоремы Гаусса для расчета полей.
- •7.Работа сил электростатического поля при перемещении зарядов. Циркуляция вектора напряженности.
- •8.Потенциал и разность потенциалов точек электростатического поля. Потенциалы полей точечного заряда и системы зарядов.
- •9.Эквипотенциальные поверхности и их свойства. Связь напряженности электрического поля с его потенциалом.
- •10.Элекктроемкость проводников. Конденсаторы. Вывод форумулы емкости плоского конденсатора.Виды конденсаторов.
- •11.Энергия системы зарядов и заряженного проводника.
- •12.Энергия заряженного конденсатора. Энергия и плотность энергии электростатического поля.
- •13.Диэлектрики в электрическом поле. Поляризация диэлектрика. Вектор поляризации и его связь с напряженностью поля.
- •14.Напряженность диэлектрического поля в диэлектрике. Относительная диэлектрическая проницаемость и ее связь с диэлектрической восприимчивостью.
- •15.Электростатическое поле на границе двух диэлектриков. Вектор электростатической индукции. Теорема Гаусса для электростатической индукции.
- •§ 90. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред
- •16.Электрическое поле заряженных проводников. Напряженность поля у поверхности заряженного проводника.
- •17.Электрический ток. Условия его существования. Сила и плотность тока. Единицы силы тока в системе си.
- •18.Закон для участка цепи. Электрическое сопротивление проводников и его зависимость от температуры. Сверхпроводимость.
- •19.Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца. Тепловое действие тока и его применение.
- •20.Вывод законов Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.
- •21. Правила Киргхофа и их применение для расчета разветвленных электрических цепей.
- •22.Закон Ома для замкнутой цепи. Э.Д.С. Источника тока. Режим работы источника.
- •23.Основные положения и опытное обоснование классической электронной теории электропроводности металлов.
- •24.Вывод закона Ома по электронной теории.
- •25. Вывод закона Джоуля – Ленца по электронной теории.
- •26.Закон Видемана-Франца. Связь между электро и теплопроводностью металлов и ее объяснение электронной теорией.
- •27.Термоэлектронная эмиссия и ее применение.
- •28.Термоэлектрические явления и их применение.
- •29.Магнитное поле проводников с током. Индукция магнитного поля. Графическое изображение магнитных полей.
- •30. Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера. Единицы измерения магнитной индукции.
- •31.Магнитный поток. Работа перемещения проводника с током в магнитном поле.
- •32. Действие магнитного поля на контур с током. Магнитный момент контура с током.
- •33.Закон Био-Савара-Лапласса. Напряженность магнитного поля. Магнитная постоянная.
- •34. Применение закона Био-Савара-Лапласса для расчета магнитных полей.
- •35.Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока и его
- •36.Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея и правило Ленца
- •§ 122. Явление электромагнитной индукции (опыты Фарадея)
- •§ 123. Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии
- •37. Магнитное поле движущейся заряженной частицы.
- •38. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Сила Лоренца.
- •§114. Действие магнитного поля на движущийся заряд
- •§ 115. Движение заряженных частиц в магнитном поле
- •39. Электрический ток в витке, движущемся в однородном магнитном
- •40. Явления самоиндукции. Индуктивность.
- •41.Влияние индуктивности на величину тока в цепи.
- •42.Явление взаимной индукции. Взаимная индуктивность.
- •43.Энергия м плотность энергии магнитного поля.
- •44.Электромагнитные колебаний в колебательном контуре. Период колебаний.
- •45. Незатухающие и затухающие колебания в колебательном контуре.
- •46. Ток смещения. Плотность тока смещеня.
- •47.Электромагнитное поле. Уравнение Максвелла в интегральной форме.
- •48.Электромагнитные волны. Их энергия и скорость распространения. Виды электромагнитных волн.
22.Закон Ома для замкнутой цепи. Э.Д.С. Источника тока. Режим работы источника.
Если ток проходит по неподвижным проводникам, образующим участок 1—2, то работа A12 всех сил (сторонних и электростатических), совершаемая над носителями тока, по закону сохранения и превращения энергии равна теплоте, выделяющейся на участке. Работа сил, совершаемая при перемещении заряда Q0 на участке 1—2, согласно (97.4),
A12=Q0ξ12 + Q0(1-2). (100.1)
Э.д.с. ξ12, как и сила тока I,— величина скалярная. Ее необходимо брать либо с положительным, либо с отрицательным знаком в зависимости от знака работы, совершаемой сторонними силами. Если
э.д.с. способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении (в направлении 1—2), то ξ12>0. Если э.д.с. препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то
ξ12<0.
За время t в проводнике выделяется теплота (см. (99.5))
Q=I2Rt=IR(It)=IRQ0. (100.2) Из формул (100.1) и (100.2) получим
Выражение (100.3) или (100.4) представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме, который является обобщенным законом Ома.
Если на данном участке цепи источник тока отсутствует (ξ12=0), то из (100.4) приходим к закону Ома для однородного участка цепи (98.1):
I=(1-2)/R=U/R
(при отсутствии сторонних сил напряжение на концах участка равно разности потенциалов (см. §97)). Если же электрическая цепь замкнута, то выбранные точки 1 и 2 совпадают, 1=2; тогда из (100.4) получаем закон Ома для замкнутой цепи:
I=ξ/R,
где ξ— э.д.с., действующая в цепи, R — суммарное сопротивление всей цепи. В общем случае R = r+R1, где r — внутреннее сопротивление источника э.д.с., R1 — сопротивление внешней цепи. Поэтому закон Ома для замкнутой цепи будет иметь вид
I=ξ/(r+R1).
Если цепь разомкнута и, следовательно, в ней ток отсутствует (I=0), то из закона Ома (100.4) получим, что ξ12=2-1 т. е. э.д.с., действующая в разомкнутой цепи, равна разности потенциалов на ее концах. Следовательно, для того чтобы найти э.д.с. источника тока, надо измерить разность потенциалов на его клеммах при разомкнутой цепи
23.Основные положения и опытное обоснование классической электронной теории электропроводности металлов.
Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т. е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде (1863—1906) и разработанной впоследствии нидерландским физиком X. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.
Первый из таких опытов — опыт Рикке (1901), в котором в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндров (Сu, Аl, Сu) одинакового радиуса. Несмотря на то что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения (3,5•106 Кл), никаких, даже микроскопических, следов переноса вещества не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательством того, что ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897 г. английским физиком Д. Томсоном (1856—1940) электроны. Для доказательства этого предположения необходимо было определить знак и величину удельного заряда носителей (отношение заряда носителя к его массе). Идея подобных опытов заключалась в следующем: если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как
смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока; по направлению тока можно определить знак носителей тока, а зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей. Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежат советским физикам С. Л. Мандельштаму (1879—1944) и Н. Д. Папалекси (1880—1947). Эти опыты в 1916 г. были усовершенствованы и проведены американским физиком Р. Толменом (1881 —1948) и ранее шотландским физиком Б. Стюартом (1828—1887). Ими экспериментально доказано, что носители тока в металлах заряжены отрицательно, а их удельный заряд приблизительно одинаков для всех исследованных металлов. По значению удельного заряда носителей электрического тока и по определенному ранее Р. Милликеном элементарному электрическому заряду была определена их масса. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпадали. Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.
Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.
Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается тер-
модинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. По теории Друде — Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, применяя выводы молекулярно-кинетической теории (см. (44.3)), можно найти среднюю скорость теплового движения электронов
которая для T=300 К равна 1,1•105 м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока.
При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т. е. возникает электрический ток. Среднюю скорость <v> упорядоченного движения электронов можно оценить согласно формуле (96.1) для плотности тока: j=ne<v>. Выбрав допустимую плотность тока, например для медных проводов 107 А/м2, получим, что при концентрации носителей тока n=8•1028 м-3 средняя скорость (v) упорядоченного движения электронов равна 7,8•10-4 м/с. Следовательно, <v> << <u>, т. е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обусловливающего электрический ток, значительно меньше их скорости теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость (<v> +<u>) можно заменять скоростью теплового движения <u>.
Казалось бы, полученный результат противоречит факту практически мгновенной передачи электрических сигналов на большие расстояния. Дело в том, что замыкание электрической цепи влечет за собой распространение электрического поля со скоростью с (с=3•108 м/с). Через время t=l/c (l — длина цепи) вдоль цепи установится стационарное электрическое поле и в ней начнется упорядоченное движение электронов. Поэтому электрический ток возникает в цепи практически одновременно с ее замыканием.