« Fizyka – klasa 10”
Elektryczność- ukierunkowany ruch cząstek naładowanych. Dzięki prądowi elektrycznemu oświetlane są mieszkania, wprawiane w ruch obrabiarki, podgrzewane palniki na piecach elektrycznych, działa radio itp.
Rozważmy najprostszy przypadek ukierunkowanego ruchu cząstek naładowanych - prąd stały.
Jaki ładunek elektryczny nazywamy elementarnym?
Co to jest elementarny ładunek elektryczny?
Jaka jest różnica między ładunkami w przewodniku i dielektryku?
Kiedy naładowane cząstki poruszają się w przewodniku, następuje transfer ładunek elektryczny z jednego punktu do drugiego. Jeśli jednak naładowane cząstki przejdą losowy ruch termiczny, na przykład wolne elektrony w metalu, wówczas przeniesienie ładunku nie nastąpi (ryc. 15.1, a). Przekrój poprzeczny przewodnika przeciętnie przecina tę samą liczbę elektronów w dwóch przeciwnych kierunkach. Ładunek elektryczny jest przenoszony przez przekrój przewodnika tylko wtedy, gdy wraz z przypadkowym ruchem elektrony uczestniczą w ruchu ukierunkowanym (ryc. 15.1, b). W tym przypadku mówią, że konduktor jedzie Elektryczność .
Prąd elektryczny to uporządkowany (ukierunkowany) ruch naładowanych cząstek.
Prąd elektryczny ma określony kierunek.
Za kierunek prądu przyjmuje się kierunek ruchu dodatnio naładowanych cząstek.
Jeśli poruszysz ogólnie neutralnym ciałem, to pomimo uporządkowanego ruchu ogromnej liczby elektronów i jądra atomowe, nie będzie prądu elektrycznego. Całkowity ładunek przeniesiony przez dowolny przekrój będzie równy zeru, ponieważ ładunki o różnych znakach poruszają się z tą samą średnią prędkością.
Kierunek prądu pokrywa się z kierunkiem wektora napięcia pole elektryczne. Jeżeli prąd powstaje w wyniku ruchu ujemnie naładowanych cząstek, wówczas kierunek prądu uważa się za przeciwny do kierunku ruchu cząstek.
Wybór kierunku prądu nie jest zbyt udany, ponieważ w większości przypadków prąd reprezentuje uporządkowany ruch elektronów – cząstek naładowanych ujemnie. Wyboru kierunku prądu dokonano w czasach, gdy nic nie było wiadomo o swobodnych elektronach w metalach.
Działanie prądu.
Nie widzimy bezpośrednio ruchu cząstek w przewodniku. Obecność prądu elektrycznego należy oceniać na podstawie działań lub zjawisk mu towarzyszących.
Po pierwsze, przewodnik, przez który przepływa prąd, nagrzewa się.
Po drugie, prąd elektryczny może się zmieniać skład chemiczny przewodnik: na przykład izolując jego składniki chemiczne (miedź z roztworu siarczan miedzi itp.).
Po trzecie, prąd wywiera siłę na sąsiednie prądy i namagnesowane ciała. To działanie prądu nazywa się magnetyczny.
W ten sposób igła magnetyczna obraca się w pobliżu przewodnika z prądem. Magnetyczne działanie prądu, w przeciwieństwie do chemicznego i termicznego, jest najważniejsze, ponieważ objawia się we wszystkich bez wyjątku przewodnikach. Działanie chemiczne prąd obserwuje się tylko w roztworach i stopach elektrolitów, a w nadprzewodnikach nie ma ogrzewania.
W żarówce w wyniku przepływu prądu elektrycznego emitowane jest światło widzialne, a silnik elektryczny wykonuje pracę mechaniczną.
Aktualna siła.
Jeżeli w obwodzie płynie prąd elektryczny, oznacza to, że w przekroju przewodnika stale przepływa ładunek elektryczny.
Ładunek przenoszony w jednostce czasu służy jako główna charakterystyka ilościowa prądu, tzw obecna siła.
Jeżeli przez przekrój przewodnika przepłynie ładunek Δq w czasie Δt, to średnia wartość prądu będzie równa
Średnie natężenie prądu jest równe stosunkowi ładunku Δq przechodzącego przez przekrój przewodnika w przedziale czasu Δt do tego okresu.
Jeżeli natężenie prądu nie zmienia się w czasie, wówczas wywoływany jest prąd stały.
Siła prąd przemienny V ten moment czas określa się również wzorem (15.1), ale przedział czasu Δt w tym przypadku powinien być bardzo mały.
Siła prądu, podobnie jak ładunek, jest wielkością skalarną. Ona może być taka pozytywny, Więc negatywny. Znak prądu zależy od tego, który z kierunków wokół obwodu zostanie uznany za dodatni. Natężenie prądu I > 0, jeśli kierunek prądu pokrywa się z warunkowo wybranym dodatnim kierunkiem wzdłuż przewodnika. W przeciwnym razie ja< 0.
Zależność natężenia prądu od prędkości kierunkowego ruchu cząstek.
Niech przewodnik cylindryczny (ryc. 15.2) ma przekrój poprzeczny o powierzchni S.
Dla dodatniego kierunku prądu w przewodniku przyjmujemy kierunek od lewej do prawej. Ładunek każdej cząstki będzie uważany za równy q 0. Objętość przewodnika, ograniczona przekrojami 1 i 2 oraz odległością Δl między nimi, zawiera cząstki nSΔl, gdzie n jest koncentracją cząstek (nośników prądu). Ich całkowity ładunek w wybranej objętości wynosi q = q 0 nSΔl. Jeśli cząstki poruszają się od lewej do prawej ze średnią prędkością υ, to w tym czasie wszystkie cząstki zawarte w rozpatrywanej objętości przejdą przez przekrój 2. Zatem natężenie prądu jest równe:
Jednostką prądu w układzie SI jest amper (A).
Jednostka ta jest ustalana na podstawie magnetycznego oddziaływania prądów.
Zmierz siłę prądu amperomierze. Zasada projektowania tych urządzeń opiera się na działanie magnetyczne aktualny
Prędkość uporządkowanego ruchu elektronów w przewodniku.
Znajdźmy prędkość uporządkowanego ruchu elektronów w metalowym przewodniku. Zgodnie ze wzorem (15.2) gdzie e jest modułem ładunku elektronu.
Niech na przykład natężenie prądu I = 1 A i pole przekroju poprzecznego przewodu S = 10 -6 m 2. Moduł ładunku elektronu e = 1,6 · 10 -19 C. Liczba elektronów w 1 m3 miedzi jest równa liczbie atomów w tej objętości, ponieważ jeden z elektronów walencyjnych każdego atomu miedzi jest wolny. Liczba ta wynosi n ≈ 8,5 10 28 m -3 (liczbę tę można wyznaczyć rozwiązując zadanie 6 z § 54). Stąd,
Jak widać prędkość uporządkowanego ruchu elektronów jest bardzo mała. Jest ona wielokrotnie mniejsza niż prędkość termicznego ruchu elektronów w metalu.
Warunki niezbędne do istnienia prądu elektrycznego.
Konieczne jest pojawienie się i istnienie stałego prądu elektrycznego w substancji bezpłatny naładowane cząstki.
Jednak to wciąż za mało, aby wystąpił prąd.
Aby wytworzyć i utrzymać uporządkowany ruch naładowanych cząstek, wymagana jest siła, która działa na nie w określonym kierunku.
Jeśli ta siła przestanie działać, uporządkowany ruch naładowanych cząstek ustanie w wyniku zderzeń z jonami sieci krystalicznej metale lub cząsteczki obojętnego elektrolitu, a elektrony będą się poruszać losowo.
Jak wiemy, na naładowane cząstki wpływają: pole elektryczne z siłą:
Zwykle to pole elektryczne wewnątrz przewodnika powoduje i utrzymuje uporządkowany ruch naładowanych cząstek.
Tylko w przypadku statycznym, gdy ładunki znajdują się w spoczynku, pole elektryczne wewnątrz przewodnika wynosi zero.
Jeżeli wewnątrz przewodnika występuje pole elektryczne, to pomiędzy końcami przewodnika występuje różnica potencjałów zgodnie ze wzorem (14.21). Jak pokazał eksperyment, gdy różnica potencjałów nie zmienia się w czasie, a stały prąd elektryczny. Wzdłuż przewodnika potencjał maleje od wartości maksymalnej na jednym końcu przewodnika do minimum na drugim, ponieważ ładunek dodatni pod wpływem sił pola przemieszcza się w kierunku malejącego potencjału.
Te naładowane cząstki są często nazywane w teorii nośnikami prądu. W przewodnikach i półprzewodnikach nośnikami prądu są elektrony, w elektrolitach – naładowane jony. W gazach nośnikami ładunku mogą być zarówno elektrony, jak i jony. Na przykład w metalach mogą poruszać się tylko elektrony. W związku z tym prąd elektryczny w nich jest ruchem elektronów przewodzących. Należy zauważyć, że wynik przepływu prądu elektrycznego w metalach i roztworach przewodzących prąd elektryczny jest znacząco różny. Podczas przepływu prądu w metalach nie zachodzą żadne procesy chemiczne. Natomiast w elektrolitach pod wpływem prądu na elektrodach wydzielają się jony substancji (zjawisko elektrolizy). Różnicę w wynikach działania prądu tłumaczy się faktem, że nośniki ładunku w metalu i elektrolicie są zasadniczo różne. W metalach są to wolne elektrony, które oddzieliły się od atomów, w roztworach są to jony, czyli atomy lub ich grupy posiadające ładunek.
Tak, najpierw warunek konieczny Istnienie prądu elektrycznego w dowolnej substancji polega na obecności nośników prądu.
Aby ładunki były w równowadze, konieczne jest, aby różnica potencjałów między dowolnymi punktami przewodnika była równa zeru. Jeśli ten warunek zostanie naruszony, wówczas nie ma równowagi, a następnie ładunek porusza się. Dlatego drugim niezbędnym warunkiem istnienia prądu elektrycznego w przewodniku jest wytworzenie napięcia między określonymi punktami.
Uporządkowany ruch swobodnych ładunków, który zachodzi w przewodniku pod wpływem pola elektrycznego, nazywa się prądem przewodzenia.
Zauważamy jednak, że uporządkowany ruch naładowanych cząstek jest możliwy, jeśli naładowany przewodnik lub dielektryk porusza się w przestrzeni. Taki prąd elektryczny nazywany jest prądem konwekcyjnym.
Mechanizm realizacji prądu stałego
Aby prąd płynął w przewodniku w sposób ciągły, konieczne jest podłączenie do przewodnika (lub zestawu przewodników - łańcucha przewodników) jakiegoś urządzenia, w którym stale zachodzi proces oddzielania ładunków elektrycznych i dzięki temu utrzymuje się napięcie w obwodzie. To urządzenie nazywa się źródłem prądu (generatorem). Siły oddzielające ładunki nazywane są siłami obcymi. Mają one pochodzenie nieelektryczne i działają wyłącznie wewnątrz źródła. Kiedy ładunki się rozdzielają, siły zewnętrzne tworzą różnicę potencjałów pomiędzy końcami obwodu.
Jeśli ładunek elektryczny porusza się po obwodzie zamkniętym, wówczas praca wykonana przez siły elektrostatyczne wynosi zero. Oznacza to, że całkowita praca sił ($A$) działających na ładunek jest równa pracy sił zewnętrznych ($A_(st)$). Wielkość fizyczna, który charakteryzuje obecne źródło - to jest Źródło pola elektromagnetycznego($(\mathcal E)$), jest zdefiniowany jako:
\[(\mathcal E)=\frac(A)(q)\lewo(1\prawo),\]
gdzie $q$ jest ładunkiem dodatnim. Ładunek porusza się pętla zamknięta. Pole elektromagnetyczne nie jest siłą w dosłownym tego słowa znaczeniu. Jednostka miary $\lewo[(\mathcal E)\prawo]=В$.
Charakter sił zewnętrznych może być różny, np. w ogniwie galwanicznym siły zewnętrzne są wynikiem procesów elektrochemicznych. W samochodzie prąd stały taka siła to siła Lorentza.
Główne cechy prądu
Za kierunek ruchu cząstek dodatnich tradycyjnie uważa się kierunek prądu. Oznacza to, że kierunek prądu w metalach jest przeciwny do kierunku ruchu cząstek.
Prąd elektryczny charakteryzuje się siłą prądu. Bieżący ($I$) -- ilość skalarna, co jest równe pochodnej ładunku ($q$) po czasie dla prądu płynącego przez powierzchnię S:
Prąd może być stały lub przemienny. Jeżeli natężenie prądu i jego kierunek nie zmieniają się w czasie, wówczas taki prąd nazywa się stałym i dla niego wyrażenie na natężenie prądu można zapisać jako:
gdzie prąd definiuje się jako ładunek przepływający przez powierzchnię S w jednostce czasu.
W układzie SI podstawową jednostką prądu jest amper (A).
Lokalną wektorową cechą prądu jest jego gęstość. Wektor gęstości prądu ($\overrightarrow(j)$) charakteryzuje rozkład prądu w przekroju S. Wektor ten jest skierowany w kierunku, w którym poruszają się ładunki dodatnie. Moduł wektora gęstości prądu jest równy:
gdzie $dS"$ jest rzutem powierzchni elementarnej $dS$ na płaszczyznę prostopadłą do wektora gęstości prądu, $dI$ jest elementem prądu przepływającego przez powierzchnie $dS\ i\ dS"$.
Gęstość prądu w metalu można przedstawić jako:
\[\overrightarrow(j)=-n_0q_e\left\langle \overrightarrow(v)\right\rangle \ \left(5\right),\]
gdzie $n_0$ to koncentracja elektronów przewodzących, $q_e=1,6(\cdot 10)^(-19)C$ to ładunek elektronu, $\left\langle \overrightarrow(v)\right\rangle $ -- Średnia prędkość uporządkowany ruch elektronów. Przy maksymalnych gęstościach prądu $\left\langle \overrightarrow(v)\right\rangle =(10)^(-4)\frac(m)(s)$.
Podstawowym prawem fizycznym jest prawo zachowania ładunku elektrycznego. Jeśli wybierzemy dowolną zamkniętą powierzchnię stacjonarną S (rys. 1), która ogranicza objętość V, wówczas ilość prądu wypływającego w ciągu sekundy z objętości V definiuje się jako $\oint\limits_S(j_ndS.)$ Ta sama ilość energię elektryczną można wyrazić w postaci ładunku : $-\frac(\partial q)(\partial t)$, czyli mamy:
\[\frac(\częściowe q)(\częściowe t)=-\oint\limits_S(j_ndS\left(6\right),)\]
gdzie $j_n$ jest rzutem wektora gęstości prądu na kierunek normalnej do elementu powierzchniowego $dS$, w tym przypadku:
gdzie $\alpha $ jest kątem pomiędzy kierunkiem normalnej do dS a wektorem gęstości prądu. Równanie (6) wykorzystuje pochodną cząstkową, aby podkreślić, że powierzchnia S jest nieruchoma.
Równanie (6) jest zasadą zachowania ładunku w elektrodynamice makroskopowej. Jeżeli prąd jest stały w czasie, wówczas prawo zachowania ładunku zapisujemy w postaci:
\[\oint\limits_S(j_ndS=0\left(8\right).)\]
Wyszukiwanie pełnotekstowe:
Strona główna > Abstrakt >Fizyka
Wykład nr 12
Temat: "Elektryczność".
Cel wykładu:
Plan wykładu.
1. Pojęcie prądu przewodzenia. Wektor prądu i siła prądu.
2. Postać różniczkowa prawa Ohma.
3. Konsekwentny i połączenie równoległe dyrygenci.
4. Powód pojawienia się pola elektrycznego w przewodniku, fizyczny
znaczenie pojęcia sił zewnętrznych.
5. Wyprowadzenie prawa Ohma dla całego obwodu.
6. Pierwsza i druga reguła Kirchhoffa.
7. Różnica potencjałów kontaktowych. Zjawiska termoelektryczne.
8. Prąd elektryczny w różnych środowiskach.
9. Prąd w cieczach. Elektroliza. Prawa Faradaya.
1. Pojęcie prądu przewodzenia. Wektor prądu i siła prądu.
Wstrząs elektryczny zwany uporządkowanym ruchem ładunków elektrycznych. Nośnikami prądu mogą być elektrony, jony i naładowane cząstki.
Jeśli w przewodniku wytworzy się pole elektryczne, wówczas swobodne ładunki elektryczne zaczną się w nim poruszać - pojawi się prąd, tzw prąd przewodzenia. Jeśli naładowane ciało porusza się w przestrzeni, to aktualny zwana konwekcją.
Prąd może dopływać ciała stałe(metale), ciecze (elektrolity) i gazy (wyładowanie gazu spowodowane jest ruchem zarówno ładunków dodatnich, jak i ujemnych).
Obecni przewoźnicy są:
W metalach - ukierunkowany ruch elektronów;
W cieczach - jony;
W gazach - elektrony i jony.
Dla kierunku prądu Zwyczajowo przyjmuje się kierunek ruchu ładunków dodatnich.
Do wystąpienia i istnienia prądu jest to konieczne:
obecność wolnych naładowanych cząstek;
obecność pola elektrycznego w przewodniku.
Główną cechą prądu jest obecna siła , który jest równy ilości ładunku przechodzącego przez przekrój przewodnika w ciągu 1 sekundy.
gdzie q jest kwotą ładunku;
t – czas transportu ładunku.
Siła prądu jest wielkością skalarną.
Nazywa się prąd, którego siła i kierunek nie zmieniają się w czasie stały , W przeciwnym razie - zmienne .
Prąd elektryczny na powierzchni przewodnika może być rozłożony nierównomiernie, dlatego w niektórych przypadkach jest używany pojęcie gęstości prądu I .
Średnia gęstość prądu jest równa stosunkowi natężenia prądu do pola przekroju poprzecznego przewodnika.
, 
, (2)
gdzie J jest zmianą prądu;
S – zmiana obszaru.
2. Postać różniczkowa prawa Ohma.
W 1826 roku niemiecki fizyk Ohm eksperymentalnie ustalił, że siła prądu J w przewodniku jest wprost proporcjonalna do napięcia U pomiędzy jego końcami
, (3)
gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności, tzw
przewodność lub przewodność elektryczna; [k] = [Sm] (Siemens).
Ogrom 
(4)
zwany opór elektryczny przewodnika .
Dostajemy wyrażenie
. (5)
Prawo Ohma dla witryny obwód elektryczny, nie zawierający bieżącego źródła
Wyrażamy z tego wzoru R
. 
(6)
Opór elektryczny zależy od kształtu, rozmiaru i substancji przewodnika.
Rezystancja przewodnika wprost proporcjonalna do jego długości l i odwrotnie proporcjonalna do pola przekroju poprzecznego S.
, (7)
gdzie – charakteryzuje materiał, z którego wykonany jest przewodnik oraz
zwany rezystancja przewodnika
.
Wyraźmy :
. (8)
Rezystancja przewodnika zależy od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta opór
gdzie R 0 – rezystancja przewodu przy 0С;
t – temperatura;
– współczynnik temperaturowy rezystancji
(dla metalu 0,04 stopnia -1).
Wzór dotyczy również rezystywności
, (10)
gdzie 0 – oporność dyrygent w 0С.
W niskich temperaturach (<8К) сопротивление некоторых металлов (алюминий, свинец, цинк и др.) скачкообразно уменьшается до нуля: металл становится absolutny przewodnik.
Zjawisko to nazywa się nadprzewodnictwo .
Zamieńmy wyrażenie (7) na (5)
. (11)
Zmieńmy układ wyrazów
, (12)
gdzie J/S=i – gęstość prądu;
1/= – przewodność właściwa substancji przewodzącej;
u/е=E – natężenie pola elektrycznego w przewodniku.
(13)
Prawo Ohma w postaci różniczkowej.
3. Przyczyna pojawienia się prądu elektrycznego w przewodniku.
Fizyczne znaczenie pojęcia sił zewnętrznych. Praca sił zewnętrznych.
Prawo Ohma pokazuje, że gęstość prądu jest wprost proporcjonalna do napięcia mi pole elektryczne działające na ładunki swobodne i powodujące ich uporządkowany ruch.
Jakie jest pole elektryczne w przewodniku? Jest to pole elektrostatyczne tworzone przez elektrony i jony dodatnie (pole sił Coulomba).
Siły Coulomba prowadzą do redystrybucji swobodnych ładunków, w wyniku której pole elektryczne w przewodniku zanika, a potencjały we wszystkich punktach wyrównują się. Dlatego siły Coulomba nie mogą powodować pojawienia się stałego prądu elektrycznego.
Aby utrzymać stały prąd w obwodzie, siły pochodzenia nieelektrycznego muszą działać na swobodne ładunki, tzw siły zewnętrzne . Siły zewnętrzne powodują oddzielenie różnych ładunków i utrzymują różnicę potencjałów na końcach przewodnika. W przewodniku powstaje dodatkowe pole elektryczne sił zewnętrznych źródła prądu(ogniwa galwaniczne, akumulatory, generatory elektryczne). Źródło sił zewnętrznych w obwodzie prądu stałego jest tak samo potrzebne, jak pompa w układzie hydraulicznym.
Ze względu na pole wytworzone przez siły zewnętrzne, ładunki elektryczne przemieszczają się wewnątrz źródła prądu wbrew siłom pola elektrostatycznego. Dzięki temu na końcach obwodu zewnętrznego utrzymuje się różnica potencjałów i w obwodzie płynie stały prąd elektryczny.
Siły zewnętrzne wykonują pracę dzięki energii wydatkowanej w źródle prądu (mechanicznej, chemicznej itp.).
Praca wykonana przez siły zewnętrzne nad jednostkowym ładunkiem dodatnim nazywana jest siłą elektromotoryczną
. (14)
4. Wyprowadzenie prawa Ohma dla całego obwodu elektrycznego.
Niech zamknięty obwód elektryczny składa się ze źródła prądu z , z oporem wewnętrznym R a część zewnętrzna ma opór R.
R – opór zewnętrzny;
r – rezystancja wewnętrzna.
, (15)
Gdzie 
– napięcie na rezystancji zewnętrznej; (16)
A – praca polegająca na przemieszczeniu ładunku q wewnątrz źródła prądu,
czyli praca nad oporem wewnętrznym. Następnie
,
(17)
ponieważ 
, To
, (18)
przepiszmy wyrażenie dla
,
. (19)
Ponieważ zgodnie z prawem Ohma dla zamkniętego obwodu elektrycznego (=IR)
IR i Ir są zatem spadkiem napięcia na zewnętrznej i wewnętrznej części obwodu
. (20)
Prawo Ohma dla zamkniętego obwodu elektrycznego
W zamkniętym obwodzie elektrycznym źródło siły elektromotorycznej prąd jest równy sumie spadków napięcia we wszystkich odcinkach obwodu.
5. Pierwsza i druga reguła Kirchhoffa.
W praktyce często konieczne jest obliczenie złożonych obwodów elektrycznych prądu stałego. Złożony obwód elektryczny składa się z kilku zamkniętych obwodów przewodzących, które mają wspólne sekcje. Każdy obwód może mieć wiele źródeł prądu. Siła prądu w poszczególnych obszarach może różnić się wielkością i kierunkiem.
Pierwsza zasada Kirchhoffa jest warunkiem stałego prądu w obwodzie.
Węzłem rozgałęzionym nazwiemy zatem dowolny punkt, w którym zbiegają się więcej niż dwa przewodniki Pierwsza zasada Kirchhoffa : Suma algebraiczna natężenia prądu w węźle rozgałęziającym wynosi zero
, (21)
gdzie n jest liczbą przewodników;
I i – prądy w przewodnikach.
Prądy zbliżające się do węzła są uważane za dodatnie, a prądy opuszczające węzeł są uważane za ujemne.
Dla węzła A Pierwsza zasada Kirchhoffa zostanie napisana:
. (22)
Druga zasada Kirchhoffa jest uogólnieniem prawa Ohma na rozgałęzione obwody elektryczne. Brzmi to tak: W dowolnej zamkniętej pętli rozgałęzionego obwodu elektrycznego suma algebraicznaI I dla oporuR I odpowiednie sekcje tego obwodu są równe sumie zastosowanego w nim emf I
Aby utworzyć równanie, należy wybrać kierunek przechodzenia (zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara). Wszystkie prądy o kierunku zgodnym z obejściem obwodu są uważane za dodatnie. Pole elektromagnetyczne źródeł prądu uważa się za dodatnie, jeśli wytwarzają one prąd skierowany w stronę obejścia obwodu. Czyli na przykład reguła Kirchhoffa dla części I, II, III.
ja – 1 + 2 = –ja 1 r 1 – ja 1 R 1 + ja 2 r 2 + ja 2 R 2 .
II – 2 + 3 = –Ja 2 r 2 – Ja 2 R 2 – Ja 3 r 3 – Ja 3 R 3 .
III – 1 + 3 = –Ja 1 r 1 – Ja 1 R 1 – Ja 3 r 3 – Ja 3 R 3 .
Na podstawie tych równań obliczane są obwody.
6. Różnica potencjałów kontaktowych. Zjawiska termoelektryczne.
Elektrony w metalu znajdują się w przypadkowym ruchu termicznym. Elektrony o największej energii kinetycznej mogą wylecieć z metalu do otaczającej przestrzeni. Jednocześnie działają przeciwko siłom przyciągającym pochodzącym z nadmiaru ładunku dodatniego powstałego w wyniku emisji elektronów tworzących się wokół przewodnika. Chmura elektronowa" Istnieje dynamiczna równowaga pomiędzy gazem elektronowym w metalu a „chmurą elektronów”.
Funkcja pracy elektronu - jest to praca, którą należy wykonać, aby usunąć elektron z metalu do pozbawionej powietrza przestrzeni.
Brak elektronów w przewodniku i nadmiar w otaczającej go przestrzeni objawia się bardzo cienką warstwą po obu stronach powierzchni przewodnika (kilka odległości międzyatomowych w metalu). Dlatego powierzchnia metalu jest podwójną warstwą elektryczną, podobną do bardzo cienkiego kondensatora.
Różnica potencjałów między płytkami kondensatora zależy od funkcji pracy elektronu.
, (24)
gdzie e jest ładunkiem elektronu;
– różnica potencjałów stykowych pomiędzy metalem a
środowisko;
A – funkcja pracy (elektronowolt – E-V).
Funkcja pracy zależy od charakteru chemicznego metalu i stanu jego powierzchni (zanieczyszczenia, wilgoć).
Pod koniec XVIII wieku odkryto pojawienie się różnicy potencjałów stykowych pomiędzy stykającymi się metalowymi przewodnikami. Włoski fizyk Volt. Ustalił eksperymentalnie Dwa prawa Volty:
1. Podczas łączenia dwóch przewodników wykonanych z różnych metali powstaje między nimi różnica potencjałów kontaktowych, która zależy tylko od składu chemicznego i temperatury.
2. Różnica potencjałów pomiędzy końcami obwodu składającego się z połączonych szeregowo metalowych przewodników, znajdujących się w tej samej temperaturze, nie zależy od składu chemicznego przewodników pośrednich. Jest ona równa różnicy potencjałów stykowych, która powstaje, gdy zewnętrzne przewody są bezpośrednio połączone.
Zjawiska termoelektryczne.
Rozważmy obwód zamknięty składający się z dwóch metalowych przewodników 1 I 2 . Siła emf zastosowana do tego obwodu jest równa sumie algebraicznej wszystkich potencjalnych skoków
Jeżeli temperatury warstw są równe,
, wtedy =0.
Jeżeli temperatury warstw są różne, np. 
, Następnie
, (26)
gdzie jest stałą charakteryzującą właściwości kontaktu dwóch metali.
W takim przypadku pojawia się obwód zamknięty siła termoelektromotoryczna , wprost proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy obiema warstwami.
Zjawiska termoelektryczne w metalach są szeroko stosowane do pomiaru temperatury. W tym celu się je wykorzystuje termopary Lub termopary, czyli dwa druty wykonane z różnych metali i stopów. Końce tych drutów są lutowane. Jedno złącze umieszcza się w ośrodku o temperaturze T 1 który należy zmierzyć, a drugi - w środowisku o stałej znanej temperaturze.
Termopary mają szereg zalet w porównaniu z konwencjonalnymi termometrami: umożliwiają pomiar temperatury w szerokim zakresie od dziesiątek do tysięcy stopni skali bezwzględnej. Termopary charakteryzują się dużą czułością, dzięki czemu umożliwiają pomiar bardzo małych różnic temperatur (do 10 -6 stopni). Na przykład: żelazo-konstantan mierzy temperatury do 500°C i ma czułość 5,3 10 -5 V/stopień; platyna-platyna-rod (90% platyny i 10% rodu) mają czułość 6 10 -6 V/stopień i służą do pomiaru temperatur od najniższych do tysięcy stopni.
Do monitorowania zmian temperatury w czasie można zastosować termoparę. Możliwość zainstalowania galwanometru w znacznej odległości pozwala na zastosowanie termopar w urządzeniach automatyki. Aby zwiększyć czułość termopar, stosuje się ich połączenia szeregowe, zwane termostosami.
7. Prąd elektryczny w różnych środowiskach.
Prąd elektryczny w gazach .
Gazy w normalnych warunkach są dielektryki składają się z elektrycznie obojętnych atomów i cząsteczek.
Kiedy gazy ulegają jonizacji, pojawiają się nośniki prądu elektrycznego (ładunki dodatnie).
Nazywa się prąd elektryczny w gazach wyładowanie gazu . Aby przeprowadzić wyładowanie gazowe, w rurze ze zjonizowanym gazem musi znajdować się pole elektryczne lub magnetyczne.
Jonizacja gazu może wystąpić pod wpływem wpływów zewnętrznych - silnego ogrzewania, promieni ultrafioletowych i rentgenowskich, promieniowania radioaktywnego, podczas bombardowania atomów (cząsteczek) gazów szybkimi elektronami lub jonami.
Miarą procesu jonizacji jest intensywność jonizacji , mierzona liczbą par przeciwnie naładowanych cząstek powstających w jednostkowej objętości gazu w jednostce czasu.
Jonizacja uderzeniowa nazywa się oddzieleniem jednego lub większej liczby elektronów od atomu (cząsteczki), spowodowanym zderzeniem elektronów lub jonów przyspieszanych przez pole elektryczne w wyładowaniu z atomami lub cząsteczkami gazu.
1. Niesamopodtrzymujący się wypływ gazu jest przewodnością elektryczną gazów powodowaną przez zewnętrzne jonizatory.
Charakterystyka prądowo-napięciowa wyładowań gazowych: wraz ze wzrostem U wzrasta liczba naładowanych cząstek docierających do elektrody, a prąd wzrasta do I=I Do , w którym wszystkie naładowane cząstki docierają do elektrod. W tym przypadku U=Uк
, (27)
prąd nasycenia
gdzie e jest ładunkiem elementarnym;
N 0 – maksymalna liczba utworzonych par jonów jednowartościowych
w objętości gazu w ciągu 1 s.
Gwałtowny wzrost prądu w okolicy AB związane z występowaniem jonizacji uderzeniowej.
2. Samopodtrzymujący się wypływ gazu – wyładowanie trwające po wyłączeniu jonizatora zewnętrznego. Utrzymywany i rozwijany dzięki jonizacji uderzeniowej.
Niesamopodtrzymujący się wypływ gazu staje się samowystarczalny, gdy U H– napięcie zapłonu. Proces takiego przejścia nazywa się rozkład elektryczny gazu .
W zależności od ciśnienia i napięcia gazu wyróżnia się:
1) wyładowanie jarzeniowe;
2) wyładowanie koronowe;
3) wyładowanie iskrowe;
4) wyładowanie łukowe.
Wyładowanie jarzeniowe stosowany w lampach gazowych, laserach gazowych.
Wyładowanie koronowe – stosowany do dezynfekcji nasion roślin rolniczych.
Wyładowanie iskrowe – pioruny (prądy do kilku tysięcy amperów, długość – kilka kilometrów).
Wyładowanie łukowe (T=3000°C – przy ciśnieniu atmosferycznym temperatura gazu wynosi 5000...6000°C). Wykorzystywany jest jako źródło światła w mocnych reflektorach punktowych i sprzęcie projekcyjnym.
Osocze – szczególny stan skupienia substancji, charakteryzujący się wysokim stopniem jonizacji jej cząstek.
Plazma dzieli się na
– słabo zjonizowany( – ułamki procenta – górne warstwy atmosfery, jonosfera);
– częściowo zjonizowany(Niektóre %);
– w pełni zjonizowany(słońce, gorące gwiazdy, niektóre chmury międzygwiazdowe).
Sztucznie wytworzona plazma stosowana jest w lampach wyładowczych, plazmowych źródłach energii elektrycznej i generatorach magnetodynamicznych.
Zjawiska emisyjne :
1. Emisja fotoelektronów – wyrzucanie elektronów z powierzchni metali w próżni pod wpływem światła.
2. Emisja termojonowa – emisja elektronów przez ciała stałe lub ciekłe podczas ich ogrzewania.
3. Wtórna emisja elektronów – przeciwprąd elektronów z powierzchni bombardowanej elektronami w próżni.
Urządzenia oparte na zjawisku emisji termoelektrycznej nazywane są lampy elektroniczne .
Zastanów się nad diodą i triodą samodzielnie.
Prąd elektryczny w ciałach stałych .
Metal jest siecią krystaliczną. Dodatnio naładowane jony miejsca wytwarzają pole elektryczne wewnątrz metalu. Węzły sieci są ułożone w ściśle określonej kolejności, więc tworzone przez nie pole jest okresową funkcją współrzędnych. Dlatego elektrony mogą znajdować się tylko w określonych stanach odpowiadających dyskretnym wartościom ich energii.
Ponieważ w ciałach stałych elektron oddziałuje nie tylko z własnym atomem, ale także z innymi atomami sieci krystalicznej, poziomy energii atomów rozdzielają się wraz z powstawaniem pasmo energetyczne .
Na ryc. Pokazano rozszczepienie poziomów energetycznych izolowanych atomów w miarę ich zbliżania się do siebie i powstawanie pasm energetycznych.
Energia tych elektronów może leżeć w zacienionych obszarach tzw dozwolone strefy energetyczne . Dyskretne poziomy oddzielone obszarami nielegalne wartości energii – strefy zabronione (ich szerokość jest proporcjonalna do szerokości stref zabronionych).
Różnice we właściwościach elektrycznych różnych typów ciał stałych wyjaśniają:
1) szerokość pasm energii zabronionej;
2) różne wypełnianie dozwolonych pasm energii elektronami
(dielektryk przewodu).
8. Prąd w cieczach. Elektroliza. Prawa Faradaya.
Obserwacje wykazały, że wiele cieczy bardzo słabo przewodzi prąd elektryczny (woda destylowana, gliceryna, nafta itp.). Wodne roztwory soli, kwasów i zasad dobrze przewodzą prąd elektryczny.
Elektroliza – przepływ prądu przez ciecz, powodujący uwolnienie na elektrodach substancji tworzących elektrolit.
Elektrolity – substancje posiadające przewodnictwo jonowe. Przewodność jonowa – uporządkowany ruch jonów pod wpływem pola elektrycznego. Jony - atomy lub cząsteczki, które utraciły lub zyskały jeden lub więcej elektronów. Jony dodatnie – kationy, negatywny - aniony.
Pole elektryczne wytwarzane jest w cieczy za pomocą elektrod („+” – anoda, „–” – katoda). Jony dodatnie (kationy) przemieszczają się w kierunku katody, jony ujemne w kierunku anody.
Wyjaśniono występowanie jonów w elektrolitach dysocjacja elektryczna – rozkład cząsteczek substancji rozpuszczalnej na jony dodatnie i ujemne w wyniku oddziaływania z rozpuszczalnikiem (Na + Cl - ; H + Cl - ; K + I - ...).
Stopień dysocjacji nazywana liczbą cząsteczek N 0 zdysocjowanych na jony do całkowitej liczby cząsteczek N 0
. (28)
Podczas termicznego ruchu jonów zachodzi odwrotny proces ponownego łączenia jonów, tzw rekombinacja .
Prawa M. Faradaya (1834).
Masa substancji uwolnionej na elektrodzie jest wprost proporcjonalna do ładunku elektrycznego Q przeszedł przez elektrolit
Lub 
, (29)
gdzie k jest elektrochemicznym odpowiednikiem substancji; równa masie substancji
uwalniany podczas przechodzenia przez zespół elektrolitu
ilość prądu.
, (30)
gdzie I jest prądem stałym przepływającym przez elektrolit.
Elektrochemiczne odpowiedniki substancji są wprost proporcjonalne do stosunku ich mas atomowych (molowych) do wartościowości n
, (31)
gdzie A jest masą atomową;
n – wartościowość.
Stała Faradaya
gdzie C jest uniwersalną stałą dla wszystkich elementów.
F = 9,648 10 4 C/mol
znaczenie fizyczne wynika z ujednoliconego prawa elektrolizy Faradaya
Pola utworzone przez jeden naładowany... opór ładunku kondensatora aktualny Rezystancje w obwodzie są znane i aktualny. Określ... Rozwiązanie - napięcie w obwodzie. . - aktualny w łańcuchu. - zastępcza rezystancja obwodu. - ...
Elektryczny aktualny w różnych środowiskach (2)
Streszczenie >> Fizyka... Elektryczny Aktualny w gazach W gazach są niezależne i niezależne elektryczny szeregi. Zjawisko wycieku elektryczny aktualny... zatem powietrze elektryczny aktualny nie pojawia się w próżni – nie ma nośników elektryczny aktualny. Amerykański naukowiec...
Elektryczny aktualny w przewodnikach cieczy
Raport z ćwiczeń >> Fizyka1 Proces elektrolizy w roztworach i stopach elektrolitów Elektryczny aktualny w metalach brak procesy chemiczne nie... istnieje klasa dyrygentów, w której elektryczny aktualny zawsze towarzyszą pewne zmiany chemiczne...