Постоянный ток

Начертательная геометрия
и инженерная графика
Начертательная геометрия
Задание по инженерной графике
Геометрические характеристики
плоских сечений
Построение геометрических фигур
Контрольная работа по
инженерной графике
Практикум по черчению
Оформление чертежей
Построения черчежа
Позиционные задачи

Основы машиностроительного черчения

Черчение Практикум по решению задач
Построение касательной
История искусства
Архитектура и скульптура Западной Европы
Живопись Франции
Барбизонская школа
Эдуард Мане
Импрессионизм
Неоимпрессионизм
Постимпрессионизм
Живопись Германии
Живопись Англии
Галерея Тейт в Лондоне
Искусство России
Архитектура и скульптура
Живопись
Иван Айвазовский
Василий Поленов
Василий Суриков
Исаак Левитан

Государственная Третьяковская галерея

Сопромат
Сопротивление материалов
Задачи по сопротивлению материалов
Теоретическая механика
Лабораторные работы по
сопротивлению материалов
Контрольная работа по сопромату
Лекции по черчению,
начертательной геометрии
Вычерчивание контуров деталей
Аксонометрическая проекция
Тени цилиндра
Конические сечения
Математика решение задач
Вычисление объемов с помощью
тройных интегралов
Основы векторной алгебры
Аналитическая геометрия
Решение типового варианта контрольной работы
Курсовая по математике
Вычисления интегралов
Интегралы при решении задач
Физика
Лекции и конспекты
Физика примеры решения задач
Механика
Термодинамика
Молекулярная физика
Электростатика и постоянный ток
Электромагнетизм
Электромагнитная индукция
Теория электромагнитного поля
Геометрическая оптика
Радиоактивность. Элементы физики ядра
Электротехника
Схемы выпрямителей, фильтров
MATLAB приложение Simulink
Курсовая по ТОЭ
Примеры выполнения заданий
Курс лекций по ТОЭ и типовые задания
Линейные электрические цепи
Резонанс в электрических цепях
Несинусоидальные токи
Расчет переходных процессов
Теория нелинейных цепей
Переходные процессы в нелинейных цепях
Лабораторные работы и расчеты по ТОЭ
Исследование переходных процессов
Моделирование электрических цепей
Задание на курсовую работу
Расчет переходного процесса в цепях
первого порядка
Использование программы Mathcad
Исследование  трёхфазных цепей
Исследование сложной электрической цепи постоянного тока
Исследование  трёхфазных цепей при соединении сопротивлений нагрузки
в треугольник
Информатика
Школьный учебник по информатике
Графический пакет AutoCAD
Adobe Illustrator
Инструменты
Векторные фильтры
Цветовые фильтры
Работа с текстом и шрифтом
Информационная графика
Учебник по Microsoft Internet Explorer
Основы безопасной работы с ресурсами сети
Microsoft Outlook
Компьютерные сети
Вычислительные сети
Основные проблемы построения сетей
Понятие «открытая система» и проблемы стандартизации
Локальные и глобальные сети
Сети отделов, кампусов и корпораций
Требования, предъявляемые к современным вычислительным сетям
Основы передачи дискретных данных
Методы передачи дискретных данных на физическом уровне
Методы передачи данных канального уровня
Методы коммутации
Базовые технологии локальных сетей
Протокол LLC уровня управления логическим каналом (802.2)
Технология Ethernet (802.3)
Технология Token Ring (802.5)
Технология FDDI
Fast Ethernet и 100VG - AnyLAN как развитие технологии Ethernet
Высокоскоростная технология Gigabit Ethernet
Построение локальных сетей по стандартам физического и канального уровней
Концентраторы и сетевые адаптеры
Логическая структуризация сети с помощью мостов и коммутаторов
Техническая реализация и дополнительные функции коммутаторов
Сетевой уровень как средство построения больших сетей
Адресация в IP-сетях
Протокол IP
Протоколы маршрутизации в IP-сетях
Средства построения составных сетей стека Novell
Маршрутизаторы
Глобальные сети
Глобальные связи на основе выделенных линий
Глобальные связи на основе сетей с коммутацией каналов
Компьютерные глобальные сети с коммутацией пакетов
Удаленный доступ
Средства анализа и управления сетями
Мониторинг и анализ локальных сетей
Ядерная индустрия
История ядерной индустрии
Урановый проект
Попытка создать атомное оружие в Германии
США применила атомные бомбы
Атомная индустрия в Великобритании
Проектирование ядерного реактора Франция
Развитие ядерной индустрии в СССР
Урановый проект СССР в годы войны
Проектирование атомной подводной лодки
Первая в мире атомная электростанция
Атомный ледоход"Ленин"
Путешествие советской атомной подводной лодки на Северный полюс
Атомные двигатели для космоса
Курчатовский институт
Ядерные реакторы
Компоновка реакторного контура
Реактор ВВЭР
Реактор РБМК
Реакторная установка МКЭР -1500
Газоохлаждаемые реакторы
Атомные электростанции с натриевым теплоносителем
АЭС с реактором БН-350
Цепная ядерная реакция
Термоядерный синтез
Реакторы на быстрых нейтронах
Варианты  плавучего энергоблока и опреснительных установок
Радиационная и ядерная безопасность
Обеспечение защиты населения
 

Постоянный ток

Пример. Три одинаковых источника тока с ЭДС В каждый соединены параллельно и создают в цепи ток А. Определить коэффициент полезного действия батареи, если внутреннее сопротивление каждого источника тока  Ом.

Пример 4. Электрон, начальная скорость которого Мм/с, влетел в однородное электрическое поле перпендикулярно линиям напряженности и пролетел его за время нс. Определить работу сил поля, скорость покидающего поле электрона и отношение работы сил поля к приращению кинетической энергии электрона. Напряженность поля кВ/м.

Тема: “Электрический ток”

Цель лекции: Дать студентам основные понятия и определения, используемые в разделе электрический ток: вектор тока, сила тока, сопротивление, напряжение. Дать основные законы и определения.

План лекции.

 1. Понятие о токе проводимости. Вектор тока и сила тока.

 2. Дифференциальная форма закона Ома.

 3. Последовательное и параллельное соединение проводников.

 4. Причина появления электрического поля в проводнике, физический
смысл понятия сторонних сил.

 5. Вывод закона Ома для всей цепи.

 6. Первое и второе правила Кирхгофа.

 7. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления.

 8. Электрический ток в различных средах.

 9. Ток в жидкостях. Электролиз. Законы Фарадея.

1. Понятие о токе проводимости. Вектор тока и сила тока.

 Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Носителями тока могут быть электроны, ионы, заряженные частицы.

 Если в проводнике создать электрическое поле, то в нем свободные электрические заряды придут в движение – возникает ток, называемый током проводимости. Если в пространстве перемещается заряженное тело, то ток называется конвекционным. 

Ток может течь в твердых телах (металлах), жидкостях (электролитах) и газах (газовый разряд обусловлен движением как положительных, так и отрицательных зарядов).

Носителями тока являются:

- в металлах – направленное движение электронов;

- в жидкостях – ионов;

- в газах – электронов и ионов.

 За направление тока принято принимать направление движения положительных зарядов.

 Для возникновения и существования тока необходимо:

наличие свободных заряженных частиц;

наличие электрического поля в проводнике.

Основной характеристикой тока является сила тока, которая равна величине заряда, прошедшего за 1 секунду через поперечное сечение проводника.

, (1)

где Dq – величина заряда;

 Dt – время прохождения заряда.

 Сила тока величина скалярная.

 Ток, сила и направление которого не изменяются с течением времени, называются постоянным, в противном случае – переменным.

 Электрический ток по поверхности проводника может быть распределен неравномерно, поэтому в некоторых случаях пользуются понятием плотность тока i.

 Средняя плотность тока равна отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.

 , (2)

где DJ – изменение тока;

 DS – изменение площади.

2. Дифференциальная форма закона Ома.

 В 1826 г. немецкий физик Ом опытным путем установил, что сила тока J в проводнике прямо пропорциональна напряжению U между его концами

, (3)

где k – коэффициент пропорциональности, называемый
электропроводностью или проводимостью; [k] = [См] (сименс).

 Величина  (4)

называется электрическим сопротивлением проводника.

 Получим выражение

. (5)

закон Ома для участка электрической цепи, не содержащей источника тока

 Выражаем из этой формулы R

 .  (6)

 Электрическое сопротивление зависит от формы, размеров и вещества проводника.

 Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S.

, (7)

где r – характеризует материал, из которого изготовлен проводник и
называется удельным сопротивлением проводника.

 Выразим r:

 . (8)

 Сопротивление проводника зависит от температуры. С увеличением температуры сопротивление увеличивается

, (9)

где R0 – сопротивление проводника при 0°С;

 t – температура;

 a – температурный коэффициент сопротивления
(для металла a » 0,04 град-1).

 Формула справедлива и для удельного сопротивления

, (10)

где r0 – удельное сопротивление проводника при 0°С.

 

 При низких температурах (<8К) сопротивление некоторых металлов (алюминий, свинец, цинк и др.) скачкообразно уменьшается до нуля: металл становится абсолютным проводником.

 Это явление называется сверхпроводимостью.

 Подставим выражение (7) в (5)

. (11)

 Перегруппируем члены выражения

, (12)

где J/S=i – плотность тока;

 1/r=g – удельная проводимость вещества проводника;

 u/е=Е – напряженность электрического поля в проводнике.

 (13)

закон Ома в дифференциальной форме.

3. Причина появления электрического тока в проводнике.
Физический смысл понятия сторонних сил. Работа сторонних сил.

 Закон Ома показывает, что плотность тока прямо пропорциональна напряженности Е электрического поля, действующего на свободные заряды и вызывающие их упорядоченное движение.

 Что же представляет из себя электрическое поле в проводнике? Это электростатическое поле, создаваемое электронами и положительными ионами (поле кулоновских сил).

 Кулоновские силы приводят к такому перераспределению свободных зарядов, при котором электрическое поле в проводнике исчезает, а потенциалы во всех точках выравниваются. Поэтому кулоновские силы не могут явиться причиной возникновения постоянного электрического тока.

 Для поддержания постоянного тока в цепи на свободные заряды должны действовать силы неэлектрического происхождения, называемые сторонними силами. Сторонние силы вызывают разделение разноименных зарядов и поддерживают разность потенциалов на концах проводника. Добавочное электрическое поле сторонних сил в проводнике создается источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами). Источник сторонних сил в цепи постоянного тока так же необходим, как насос в гидравлической системе.

 За счет создаваемого сторонними силами поля электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля. Благодаря этому на концах внешней цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи идет постоянный электрический ток.

 Сторонние силы совершают работу за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока (механической, химической и т. д.).

 Работа сторонних сил над единичным положительным зарядом называется электродвижущей силой e

. (14)

4. Вывод закона Ома для всей электрической цепи.

 Пусть замкнутая электрическая цепь состоит из источника тока с e, с внутренним сопротивлением r и внешней части, имеющей сопротивление R.

R – внешнее сопротивление;

r – внутреннее сопротивление.

, (15)

где – напряжение на внешнем сопротивлении; (16)

 А¢ – работа по перемещению заряда q внутри источника тока,
т. е. работа на внутреннем сопротивлении. Тогда

, (17)

так как , то

, (18)

перепишем выражение для e 

,

. (19)

 Так как согласно закона Ома для замкнутой электрической цепи (e=IR)

IR и Ir – падение напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи, то

. (20)

закон Ома для замкнутой электрической цепи

 В замкнутой электрической цепи электродвижущая сила источника тока равна сумме падений напряжения на всех участках цепи.

5. Первое и второе правила Кирхгофа.

 На практике часто приходится рассчитывать сложные электрические цепи постоянного тока. Сложная электрическая цепь состоит из нескольких замкнутых проводящих контуров, имеющих общие участки. В каждом контуре может быть несколько источников тока. Силы тока на отдельных участках могут быть различны по величине и направлению.

Первое правило Кирхгофа является условием постоянства тока в цепи.

 Назовем узлом разветвления любую точку, в которой сходятся более двух проводников, тогда первое правило Кирхгофа: Алгебраическая сумма сил тока в узле разветвления равна нулю

, (21)

где n – число проводников;

 Ii – токи в проводниках.

 Токи, подходящие к узлу, считаются положительными, выходящие из узла – отрицательными.

 Для узла А первое правило Кирхгофа запишется:

. (22)

 Второе правило Кирхгофа является обобщением закона Ома на разветвленные электрические цепи. Оно звучит так: В любом замкнутом контуре разветвленной электрической цепи алгебраическая сумма Ii на сопротивления Ri соответствующих участков этого контура равна сумме приложенных в нем ЭДС ei

. (23)

 Для составления уравнения необходимо выбрать направление обхода (по часовой стрелке или против нее). Все токи, совпадающие по направлению с обходом контура, считаются положительными. ЭДС источников тока считаются положительными, если они создают ток, направленный в сторону обхода контура. Так, например, правило Кирхгофа для I, II, III к.

I – e1 + e2 = –I1r1 – I1R1 + I2r2 + I2R2.

II – e2 + e3 = –I2r2 – I2R2 – I3r3 – I3R3.

III – e1 + e3 = –I1r1 – I1R1 – I3r3 – I3R3.

 На основании этих уравнений производится расчет цепей.

6. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления.

 Электроны в металле находятся в беспорядочном тепловом движении. Электроны, обладающие наибольшей кинетической энергией, могут вылететь из металла в окружающее пространство. При этом они совершают работу против сил притяжения со стороны избыточного положительного заряда, возникающего в результате вылета электронов, образующих вокруг проводника “электронное облако”. Между электронным газом в металле и “электронным облаком” существует динамическое равновесие.

 Работа выхода электрона – это работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в безвоздушное пространство.

 Недостаток электронов в проводнике и избыток в окружающем его пространстве проявляется в очень тонком слое по обе стороны поверхности проводника (несколько межатомных расстояний в металле). Следовательно, поверхность металла представляет собой двойной электрический слой, подобный очень тонкому конденсатору.

 Разность потенциалов между обкладками конденсатора зависит от работы выхода электрона.

, (24)

где е – заряд электрона;

 Dj – контактная разность потенциалов между металлом и
окружающей средой;

 А – работа выхода (электрон-вольт – Э-В).

 Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности (загрязнение, влага).

 Возникновение контактной разности потенциалов между соприкасающимися металлическими проводниками было открыто в конце XVIII в. итальянским физиком Вольтом. Он экспериментально установил два закона Вольта:

1. При соединении двух проводников, изготовленных из различных металлов, между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит только от химического состава и температуры.

2. Разность потенциалов между концами цепи, состоящей из последовательно соединенных металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников. Она равна контактной разности потенциалов, возникающих при непосредственном соединении крайних проводников.

Термоэлектрические явления.

 Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух металлических проводников 1 и 2. ЭДС, приложенная к этой цепи равна алгебраической сумме всех скачков потенциала

. (25)

Если температуры слоев равны,

, то e=0.

Если температуры слоев различны, например, , тогда

, (26)

где a – постоянная, характеризующая свойства контакта двух металлов.

 В этом случае в замкнутой цепи появляется термоэлектродвижущая сила, прямо пропорциональная разности температур обоих слоев.

 Термоэлектрические явления в металлах широко используются для измерения температуры. Для этого используются термоэлементы или термопары, представляющие собой две проволоки, изготовленные из различных металлов и сплавов. Концы этих проволок спаяны. Один спай помещается в среду, температуру Т1 которой нужно измерить, а второй – в среду с постоянной известной температурой.

 Термопары имеют ряд преимуществ перед обычными термометрами: позволяют измерять температуры в широком диапазоне от десятков до тысяч градусов абсолютной шкалы. Термопары обладают большой чувствительностью и поэтому дают возможность измерять очень малые разности температур (до 10-6 град.). Например: железо-константан измеряют температуру до 500 °С и имеют чувствительность 5,3 × 10-5 в/град; платина-платинородий (90% платины и 10% родия) имеют чувствительность 6 × 10-6 в/град и применяется для измерения температур от самых низких до тысяч градусов.

 С помощью термопары можно следить за изменением температуры во времени. Возможность установить гальванометр на значительном расстоянии позволяет применять термопары в автоматических устройствах. Для увеличения чувствительности термопар применяются их последовательные соединения, называемые термобатареями.

Электромагнетизм Магнитное поле в вакууме

Пример. На виток проволоки, имеющей сопротивление R=0,5 Ом, подается напряжение U=10 В. Определить: 1) индукцию магнитного поля в центре витка; 2) магнитный момент витка, если его диаметр 20 см; 3) максимальный вращающий момент, если виток поместить в магнитное поле с индукцией B= 5 Тл.

Пример. Плоская рамка площадью S=100 см2, содержащая N=20 витков тонкого провода, вращается в однородном магнитном поле с индукцией В=100 мТл. Амплитуда ЭДС индукции εmax=10 B. Определить частоту вращения рамки.

Пример. Вычислить световой поток, падающий на площадку 10 см2, расположенную на расстоянии 2 м от источника, сила света которого 200 кд.

Пример. Над круглым столом диаметром 1,6 м на высоте 0,6 м висит лампа, которая считается точечным источником света, равномерно излучающим по всем направлениям. Световой поток, падающий на стол, равен 201 лм. Определить силу света лампы, полный световой поток, испускаемый лампой, освещенность в центре и на краю стола

Пример. От двух когенерентных источников (мкм) лучи попадают на экран. На экране наблюдается интерференционная картина. Когда на пути одного из лучей помещают прозрачную стеклянную пленку (), интерференционная картина изменяется на противоположную. Оценить наименьшую толщину пленки, при которой это возможно.

Пример. Определить концентрацию С сахарного раствора, если при прохождении света через трубку длиной l=20 см с этим раствором плоскость поляризации света поворачивается на угол . Удельное вращение раствора сахара []=0,6 град/(дм∙%).

Пример. Определить: 1) кинетическую энергию Т и 2) скорость фотоэлектронов при облучении натрия светом длиной волны нм, если красная граница (порог) фотоэффекта для натрия нм.