Элек ток. Электрический ток. Законы постоянного электрического тока. Разветвлённые цепи. Правила Кирхгофа
 Скачать 0.78 Mb.
|
Постоянный электрический токТема лекцииПлан:План:
Электрический ток - упорядоченное движение электрических зарядов Электрический ток и его характеристики Условия существования электрического тока:
Сила тока – скалярная физическая величина равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени за которое прошёл: В СИ измеряется в Амперах (А). Сила тока численно равна заряду, прошедшему через поперечное сечение за одну секунду. За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительные носители. Постоянный электрический ток – это ток, который не меняется ни по величине и ни по направлению. Сила тока характеризует течение тока во всем сечении. Но в разных участках сечения может проходить разное количество заряда. Более детальную информацию от течении заряда в проводнике дает вектор плотности тока. Плотность тока – векторная физическая величина равная отношению силы тока, протекающего через перпендикулярное направлению тока сечение проводника, к величине площади этого сечения: Плотность тока измеряется в амперах на метр в квадрате (А/м2). Если сила тока меняется во времени, то выражение записывается в дифференциальном виде: Если плотность тока в разных точках сечения разная, то применяется выражение: I – сила тока, протекающее через сечение S↓ S↓ - сечение, перпендикулярное течению зарядов dI – сила тока, протекающее через сечение dS↓ dS↓ - бесконечно малое сечение Зная плотность тока во всех точках проводника можно найти силу тока. Если плотность тока в сечении одинаковая: Если плотность тока в сечении неодинаковая: S↓ Сторонние силы. Эдс. Напряжение В замкнутой цепи должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания φ, т. е. против сил электростатического поля. Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сторонних сил. Сторонние силы – этонеэлектростатического происхождения, способные перемещать положительный заряд из точки с меньшим потенциалом в точку с большим потенциалом. Эти силы могут иметь химическую, электромагнитную, механическую или иную природу, кроме электростатической. Сторонние силы действуют в источниках тока, они осуществляют разделение зарядов по полюсам (положительные к «+», отрицательные к «-».) φ1 > φ2 При перемещении заряда сторонние и электрические силы совершают работу. Электродвижущая сила (эдс) – физическая величина равная отношению работы сторонних сил по перемещению заряда к величине этого заряда: Аст – работа сторонних сил по перемещению заряда q Эдс измеряется в вольтах (В). Эдс численно равна работе сторонних сил по перемещению 1 кулона заряда. Эдс = 1,5 В. Напряжение – физическая величина равная отношению работы электростатических и сторонних сил по перемещению заряда к величине этого заряда: Проведем преобразования. Таким образом, получаем: Участок цепи, в котором отсутствуют сторонние силы, называют однородным. В противном случае он будет называться неоднородным. Для однородного участка напряжение равно разности потенциалов: Закон Ома. Сопротивление Закон Ома: сила тока, текущего по металлическому проводнику, пропорциональна напряжению на проводнике. R - электрическое сопротивление проводника. Сопротивление измеряется в Омах (Ом). Ом это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 вольт течет ток силой 1 ампер. Величина сопротивления зависит от формы и размеров проводника, а также от свойств материала, из которого он сделан. Для однородного цилиндрического проводника: l — длина проводника, S — площадь его поперечного сечения, ρ —удельное электрическое сопротивление. l S Выведем закон Ома в дифференциальной форме. делим обе части уравнения на S и l введем обозначение: Закон Ома в дифференциальной форме: j – плотность тока, γ – удельная проводимость, Е – напряженность электрического поля Формула связывает плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке. Закон Ома для неоднородного участка цепи Неоднородным называется участок цепи, в котором действуют сторонние силы, и, следовательно, содержит эдс. - закон Ома для неоднородного участка цепи. Если источник включен как на рис. (а) (повышает потенциал участка по выбранному направлению тока), то ЭДС в формуле берется со знаком «плюс», Если источник включен как на рис. (б) (понижает потенциал участка по выбранному направлению тока), то ЭДС в формуле берется со знаком «минус», φ1, φ2 - потенциалы, ε12 – эдс на участке 1-2, R – сопротивление проводника Если соединить между собой проводником точки 1 и 2, то получим замкнутую цепь. В таком случае , и закон Ома примет вид: - закон Ома для замкнутой цепи ε - эдс, R – сопротивление проводника, r – внутренне сопротивление проводника. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца Работа тока электрического тока на участке цепи: I – сила тока, U – напряжение на участке, t – время. Разделив работу на время, за которое она совершается, получим выражение для мощности, развиваемую током на рассматриваемом участке цепи. I – сила тока, U – напряжение на участке. Часто используют внесистемную единицу измерения работы – 1 киловатт*час. 1 кВт*ч = 1000 Вт * 3600 с = 3600000 Дж. Стоимость 1 кВт*ч = 2,5 рубля (г. Оренбург, РФ) В случае, когда проводник неподвижен и химических превращений в нем не совершается, работа тока затрачивается на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается. При протекании тока в проводнике выделяется количество теплоты Q, которое можно определить из закона Джоуля-Ленца: R I Q I – сила тока, R – сопротивление, t – время. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа Обобщенный закон Ома позволяет рассчитать практически любую сложную цепь. Однако непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров, довольно сложен. Эта задача решается более просто с помощью правил Кирхгофа. Первое правило формулируется для узла. Узлом называется точка, в которой сходятся три и более проводника. Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю. Токи, входящие в узел, считаются положительными, а выходящие – отрицательными. Второе правило Кирхгофа: в любом замкнутом контуре разветвленной электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС, действующих в этом контуре, равна сумме произведений токов в каждой его ветви на их сопротивления Контур – это любой замкнутый участок цепи. Для примера запишем 2 правило для контура, состоящего из 4 участков: Выберем направлением обхода (например, по часовой стрелке). Все токи, совпадающие по направлению с направлением обхода контура, считаются положительными, не совпадающие - отрицательными. Те эдс, которые повышают потенциал в направлении обхода, считаем положительными, а которые понижают – отрицательными. Схема применения правил Кирхгофа:
Природа носителей тока в металлах Рикке взял три цилиндра — два медных и один алюминиевый — с тщательно отшлифованными торцами. После взвешивания цилиндры были сложены вместе в последовательности: медь—алюминий—медь. Через такой составной проводник пропускался непрерывно ток одного и того же направления в течение года. Опыт Рикке, 1901 г. Cu Al Cu I За все время через цилиндры прошел заряд, равный 3,5*106 Кл. Взвешивание показало, что пропускание тока не оказало на вес цилиндров никакого влияния. При исследовании соприкасавшихся торцов под микроскопом не было обнаружено проникновения одного металла в другой. Результаты опыта свидетельствовали о том, что перенос заряда в металлах осуществляется не атомами, а какими-то частицами, входящими в состав всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897 г. Томсоном электроны. Подготовить эту лекцию на ЛПЗ № 4 в 307 ауд с 29.02.16 по 5.03.16 В начале занятия будет проверка знаний по вопросам лекции. Вопросы и задачи ПЗ можно будет скачать с сайта. Спасибо за внимание!Лекция окончена. |