Экзамен по физике 2 курс. 1. Электрический заряд и его свойства. Электрический заряд

• Название: 1. Электрический заряд и его свойства. Электрический заряд
• Дата: 22.12.2019
• Размер: 139.18 Kb.
• Имя файла: Экзамен по физике 2 курс.docx
• Тип: Закон; #101553
• страница: 4 из 7

20. Объемная плотность электрической энергии.

Это физическая величина, численно равная отношению потенциальной энергии поля, заключенной в элементе объема, к этому объему. Для однородного поля объемная плотность энергии равна


=

21. Электрический ток. Сила тока.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц .

Количественной мерой электрического тока служит.

 Сила тока –это скалярная величина, численно равна тому заряду, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. За направление силы тока традиционно принимается движение положительных зарядов.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.

В системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А)

Сторонними силами- называют силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

ЭДС- это физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении положительного единичного заряда q к величине этого заряда.



22. Сторонние силы . ЭДС

Сторонние силы — в электродинамике, силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока и вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока. 

ЭДС- это физическая величина, равная отношению работе сторонних сил по перемещению положительного единичного заряда величине этого заряда

E=Acr\q

23. Закон Ома для однородного участка цепи.

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна напряжению U на концах проводника:

 

Сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени.

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

I=

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом).

Проводниками называются вещества, в которых имеются свободные электрические заряды, способные перемещаться под действием сколь угодно слабого электрического поля

Электрическое сопротивление- это физическая величина характеризующая способность проводников препятствовать прохождению электрического тока. и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока

Также Ом вывел закон для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.


Сопротивление r неоднородного участка можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока.
24. Электрическое сопротивление

Электри́ческое сопротивле́ние — физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока. Единица измерения электрического сопротивления — Ом. Обозначается буквой R. 

• 
  Сопротивление не зависит от напряжения и силы тока
  
• 
  Сопротивление зависит от материала пров-ка длины пров-ка и площади поперечного сечения пров-ка
  

25. Закон Ома для полной цепи.

Закон Ома для полной цепи – эмпирический закон, который устанавливает связь между силой тока, электродвижущей силой (ЭДС) и внешним и внутренним сопротивлением в цепи.

R – внешнее сопротивление [Ом];

• 
  r – внутреннее сопротивление
  
• 
  I – сила тока [А];
  
• 
  ε– ЭДС источника тока [В].
  

Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорционально сумме внешних и внутренних сопротивлений

26. Ток короткого замыкания (ТКЗ)

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой  и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей. Иными словами короткое замыкание – это резко возрастающий ударный импульс. Главной его опасностью является то, что согласно закону Джоуля-Ленца такая энергия имеет очень высокий показатель выделения тепла


27. Амперметр

Амперме́тр — прибор для измерения силы тока в амперах. Шкалу амперметров градуируют в микроамперах, миллиамперах, амперах или килоамперах в соответствии с пределами измерения прибора. В электрическую цепь амперметр включается последовательно с тем участком электрической цепи, силу тока в котором измеряют.

• 
  На оси между постоянными магнитами располагается якорь со стрелкой.
  
• 
  Благодаря воздействию магнитов, стальной якорь находится вдоль силовых линий, в нулевой позиции.
  
• 
  При подаче тока появляется магнитный поток с силовыми линиями, перпендикулярными магнитам.
  
• 
  Вследствие этого воздействия якорь стремится повернуться под прямым углом, чему мешает основное магнитное поле.
  
• 
  Итоговое отклонение стрелки – результат взаимодействия двух потоков.
  
  
  

28. Вольтметр

Вольтметр — электроизмерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии. Идеальный вольтметр должен обладать бесконечно большим внутренним сопротивлением. Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_B. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

29.30. Последовательное и параллельное соединение проводников

Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.

ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ проводников сила тока во всех проводниках одинакова: 

I1 = I2 = I.

По закону Ома, напряжения U₁ и U₂ на проводниках равны 

U1 = IR1,   U2 = IR2.

Отсюда следует: R = R₁ + R₂.

При последовательном соединении полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников. Этот результат справедлив для любого числа последовательно соединенных проводников.

ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ напряжения U₁ и U₂ на обоих проводниках одинаковы: 

U1 = U2 = U.

Записывая на основании закона Ома получим:

При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников. Этот результат справедлив для любого числа параллельно включенных проводников.
31.32.33.Правила Кирхгофа для разветвленных цепей . Первое и второе правило Кирхгофа.

Для упрощения расчетов сложных электрических цепей, содержащих неоднородные участки, используются правила Кирхгофа, которые являются обобщением закона Ома на случай разветвленных цепей.

В разветвленных цепях можно выделить узловые точки (узлы), в которых сходятся не менее трех проводников 

В узлах цепи постоянного тока не может происходить накопление зарядов. Отсюда следует первое правило Кирхгофа:

Алгебраическая сумма сил токов для каждого узла в разветвленной цепи равна нулю:

I1 + I2 + I3 + ... + In = 0.

Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения электрического заряда.

В разветвленной цепи всегда можно выделить некоторое количество замкнутых путей, состоящих из однородных и неоднородных участков. Такие замкнутые пути называются контурами. 

Второе правило Кирхгофа является следствием обобщенного закона Ома.

 алгебраическая сумма произведений сопротивления каждого из участков любого замкнутого контура разветвленной цепи постоянного тока на силу тока на этом участке равна алгебраической сумме ЭДС вдоль этого контура.

– I₂R₂ + I₃R₃ = ₂ + ₃.

Таким образом, правила Кирхгофа сводят расчет разветвленной электрической цепи к решению системы линейных алгебраических уравнений.

34. Работа электрического тока

При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время Δt по цепи протекает заряд Δq = I Δt. Электрическое поле на выделенном участке совершает работу 

ΔA = (φ1 – φ2) Δq = Δφ12IΔt = UIΔt,

где U = Δφ₁₂ – напряжение. Эту работу называют работой электрического тока.

Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Если обе части формулы 

RI = U,

выражающей закон Ома для однородного участка цепи с сопротивлением R, умножить на IΔt, то получится соотношение 

RI2Δt = UIΔt = ΔA.

Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи. Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.

ΔQ = ΔA = RI² Δt.

Работа электрического тока равна произведению силы тока на участке цепи, напряжению на концах этого участка и времени а течении которого протекает ток по проводнику

ΔA =UI Δt,

35.Мощность электрического тока

Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.

ΔQ = ΔA = RI² Δt.

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена: 



Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Электрическая мощность –это физическая величина характ-ая скорость передачи или преобразования электрической энергии( Вт)

Мощность электрического тока- это количество работы совершаемой за одну секунду времени

P=A/t
36.КПД источника тока

Различают полную и полезную работу источника тока.

Полезная работа – это та, которую совепшает источник по перемещению зарядов во внешней цепи

Полная работа- это работа источника по перемещению зарядов во всей цепи.

A_{полезная}=I²Rt A_полная=I²(R+r)t
Соответственно этому различают полезную и полную мощность источника тока

P_{полезная}=I²R P_полная=Iԑ

Коэффициент полезного действия источника тока (КПД)- называют отношение полезной мощности P_n, к ее полной мощности P

ȵ=
Полезная мощность — это мощность, которая выделяется во внешней цепи, т.е. на нагрузке (резисторе), и может быть использована для каких-то целей. Полезная мощность достигает максимального значения при R=r.В этом случае КПД получают из уравнения:

ȵ=

Полная мощность источника тока:

P_полн = P_полезн + P_потерь,
где P _полезн — полезная мощность, P _полезн = I ²R; P _потерь — мощность потерь, P _потерь = I ²r; I — сила тока в цепи; R — сопротивление нагрузки (внешней цепи); r — внутреннее сопротивление источника тока.

Мощность потерь — это мощность, которая выделяется в источнике тока, т.е. во внутренней цепи, и расходуется на процессы, имеющие место в самом источнике; для каких-то других целей мощность потерь не может быть использована.

Мощность потерь, как правило, рассчитывается по формуле

P_потерь = I²r,

где I — сила тока в цепи; r — внутреннее сопротивление источника тока.

37.38. Электрический ток в металлах

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси. В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру .Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда. Полный заряд, протекающий по цепи, измерялся по отбросу стрелки гальванометра. На основании результатов опытов Толмена и Стюарта было установлено, что носители свободного заряда в металлах имеют отрицательный знак, а отношение заряда носителя к его массе близко к удельному заряду электрона, полученному из других опытов. Так было установлено, что носителями свободных зарядов в металлах являются электроны.

39) Закон Джоуля-Ленца

В XIX в. независимо друг от друга англичанин Д. Джоуль и россиянин Э. Ленц изучали нагревание проводников при прохождении электрического тока и опытным путём обнаружили закономерность: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени: Q = I²Rt  (в случае постоянных силы тока и сопротивления). Эту закономерность называют законом Джоуля-Ленца. Данный закон дает количественную оценку теплового действия электрического тока.

При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию. Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается: Q = А или Q = IUt. Учитывая, что U = IR, в результате получаем формулу:

Q = I²Rt , где

Q — количество выделяемой теплоты (в Джоулях)
I — сила тока (в Амперах)
R — сопротивление проводника (в Омах)
t — время прохождения (в секундах)

 Закон Джоуля–Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

Например, в лампах накаливания и в электронагревательных приборах применяется закон Джоуля-Ленца. В них используют нагревательный элемент, который является проводником с высоким сопротивлением.Одной из областей применения закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии. Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии.
40.Сверхпроводимость

Сверхпроводимость это свойство некоторых металлов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определенного значения.

Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. Однако наибольший интерес представляет удивительное явление сверхпроводимости, открытое датским физиком Х. Каммерлинг-Оннесом в 1911 году. При некоторой определенной температуре T_кр, различной для разных веществ, удельное сопротивление скачком уменьшается до нуля

Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают исключительными свойствами. Практически наиболее важным их них является способность длительное время поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи.