Электростатика и постоянный ток

Лекции
Физика

Контрольная

На главную
Электротехника

Электростатика И ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Закон Кулона , где   – сила взаимодействия двух точечных зарядов  и  в среде с диэлектрической проницаемостью .  – электрическая постоянная ,  – расстояние между зарядами.

Пример 1. К бесконечной, равномерно заряженной, вертикальной плоскости подвешен на нити одноименно заряженный шарик массой   и зарядом , Натяжение нити, на которой висит шарик, . Найти поверхностную плотность заряда на плоскости.

Пример 3. К воздушному конденсатору, заряженному до разности потенциалов   и отключенному от источника напряжения, присоединен параллельно второй конденсатор таких же размеров и формы, но с другим диэлектриком (стекло). Определить диэлектрическую проницаемость ε стекла, если после присоединения второго конденсатора разность потенциалов уменьшилась до .

Пример 5. Сила тока в проводнике сопротивлением   нарастает в течение времени   по линейному закону от   до  (рисунок 10). Определить теплоту Q1, выделившуюся в этом проводнике за первую и Q2 —за вторую секунды, а также найти отношение .

 

Пример 3. На продолжении оси тонкого прямого стержня длиной b = 0,6м, равномерно заряженного с линейной плотностью заряда t = 15нКл/см, на расстоянии а = 40см от конца стержня находится точечный заряд q = 10мкКл.

Напряженность электростатического поля. Напряженность поля точечного заряда Вектор напряженности электростатического поля в некоторой точке является физической величиной, численно равной силе, действующей на помещенный в эту точку единичный положительный заряд (пробный).

Пример 5. Два равных заряда |q1| = |q2| противоположных знаков создают электростатическое поле. В какой из отмеченных точек А, В или С напряженность электростатического поля наибольшая?

Пример 6. Напряженность поля равномерно заряженного по поверхности шара радиуса R с поверхностной плотностью заряда s.

Пример 8. Напряженность поля тонкой бесконечно длинной заряженной нити (или цилиндра) Нить можно отнести к тонкой, если ее радиус много меньше расстояния, на котором определяется напряженность, а к бесконечно длинной – если длина нити значительно больше этого расстояния

Работа сил поля при перемещении заряда, потенциал, разность потенциалов, потенциальная энергия системы зарядов

Расчет потенциала точек поля, создаваемого распределенным зарядом. В данном случае применяется тот же прием, что при нахождении силы и напряженности поля распределенного заряда, а именно: находят потенциал поля, создаваемого в данной точке бесконечно малым участком распределенного заряда, а затем, суммируя потенциал от всех элементов распределенного заряда, находят результирующий потенциал.

Пример 10. Шарик массой 4∙10–5кг, заряженный положительным зарядом в 10–9Кл, движется со скоростью, равной 0,1м/с. На какое расстояние может приблизиться шарик к положительному точечному заряду, равному 1,3∙10–9Кл. ε0 = 8,85∙10–12Ф/м.

Электроемкость конденсатора, энергия поля конденсатора Электроемкость проводника численно равна величине заряда, который нужно сообщить данному проводнику для изменения его потенциала на единицу.

Законы постоянного тока Сила тока Электрический ток характеризуется величиной, которая называется силой тока. Ток I, протекающий через данную площадку, представляет собой физическую величину, измеряемую количеством электричества, переносимого через эту площадку за единицу времени.

Пример 15. Два гальванических элемента, имеющих ЭДС e1 = 1,5В, e2 = 1,6В и внутренние сопротивления r1 = 0,60Ом, r2 = 0,40Ом, соединены разноименными полюсами

Закон Джоуля - Ленца Из опыта известно, что прохождение тока по проводнику сопро­вождается выделением тепла. Это выделение тепла связано с переносом зарядов и, следовательно, с работой электрических сил, которая идет на этот перенос.

Электрический ток в различных средах.

 Электрический ток в газах.

 Газы в нормальных условиях являются диэлектриками, состоят их электрически нейтральных атомов и молекул.

 При ионизации газов возникают носители электрического тока (положительные заряды).

 Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Для осуществления газового разряда к трубке с ионизированным газом должно быть электрическое или магнитное поле.

 Ионизация газа может происходить под влиянием внешних воздействий – сильного нагревания, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, радиоактивных излучений, при бомбардировке атомов (молекул) газов быстрыми электронами или ионами.

 Мерой процесса ионизации является интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположно заряженных частиц, возникающих в единичном объеме газа за единичный промежуток времени.

 Ударной ионизацией называется отрыв от атома (молекулы) одного или нескольких электронов, вызванный соударением с атомами или молекулами газа электронов или ионов, разогнанных электрическим полем в разряде.

1. Несамостоятельный газовый разряд – это электропроводность газов, вызванная внешними ионизаторами.

 Вольтамперная характеристика газового разряда: по мере увеличения U растет число заряженных частиц, достигающих электрода и возрастает ток до I=Iк, при котором все заряженные частицы достигают электродов. При этом U=Uк 

, (27)

ток насыщения

где е – элементарный заряд;

 N0 – максимальное число пар одновалентных ионов, образующихся
в объеме газа за 1 с.

 Крутое возрастание тока на участке АВ связано с возникновением ударной ионизации.

2. Самостоятельный газовый разряд – разряд, который продолжается после прекращения действия внешнего ионизатора. Поддерживается и развивается за счет ударной ионизации.

 Несамостоятельный газовый разряд переходит в самостоятельный при Uз – напряжении зажигания. Процесс такого перехода называется электрическим пробоем газа.

 В зависимости от давления газа и от напряжения различают:

1) тлеющий разряд;

2) коронный разряд;

3) искровой разряд;

4) дуговой разряд.

 Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, газовых лазерах.

 Коронный разряд – применяется при обеззараживании семян сельскохозяйственных культур.

 Искровой разряд – молния (токи до нескольких тысяч Ампер, длина – несколько километров).

 Дуговой разряд (Т=3000 °С – при атмосферном давлении, температура газа равна 5000…6000 °С). Используется как источник света в мощных прожекторах, в проекционной аппаратуре.

 Плазма – особое агрегатное состояние вещества, характеризующееся высокой степенью ионизации его частиц.

 Плазма подразделяется на

– слабо ионизированную (a – доли процента – верхние слои атмосферы, ионосфера);

– частично ионизированную (несколько %);

– полностью ионизированную (солнце, горячие звезды, некоторые межзвездные облака).

 Искусственно созданная плазма используется в газоразрядных лампах, плазменных источниках электрической энергии, магнитодинамических генераторах.

 Эмиссионные явления:

1. Фотоэлектронная эмиссия – вырывание под действием света электронов с поверхности металлов в вакууме.

2. Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании.

3. Вторичная электронная эмиссия – встречный поток электронов с поверхности, бомбардируемой электронами в вакууме.

 Приборы, основанные на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами.

 Диод, триод рассмотреть самостоятельно.

Электрический ток в твердых телах.

 Металл представляет собой кристаллическую решетку. Положительно заряженные ионы-узлы создают внутри металла электрическое поле. Узлы решетки расположены в строгом порядке, поэтому создаваемое ими поле является периодической функцией координат. Поэтому электроны могут находиться только в определенных состояниях, соответствующих дискретным значениям их энергии.

 Так как в твердых телах электрон взаимодействует не только со своим атомом, но и с другими атомами кристаллической решетки, происходит расщепление энергетических уровней атомов с образованием энергетической полосы.

 На рис. показано расщепление уровней энергии изолированных атомов при их сближении и образовании энергетических полос.

 Энергия этих электронов может находиться в пределах заштрихованных областей, называемых разрешенными энергетическими зонами. Дискретные уровни разделены областями недозволенных значений энергии – запрещенными зонами (ширина их соизмерима с шириной запретных зон).

 Различия в электрических свойствах различных типов твердых тел объясняется:

1) шириной запрещенных энергетических зон;

2) различным заполнением электронами разрешенных энергетических зон
(пров. диэлектр.).

8. Ток в жидкостях. Электролиз. Законы Фарадея.

 Наблюдения показали, что многие жидкости очень плохо проводят электрический ток (дистиллированная вода, глицерин, керосин и т. д.). Водные растворы солей, кислот и щелочей хорошо проводят электрический ток.

 Электролиз – прохождение тока через жидкость, вызывающее выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита.

 Электролиты – вещества, обладающие ионной проводимостью. Ионная проводимость – упорядоченное движение ионов под действием электрического поля. Ионы – атомы или молекулы, потерявшие или присоединившие к себе один или несколько электронов. Положительные ионы – катионы, отрицательные – анионы.

 Электрическое поле создается в жидкости электродами (“+” – анод, “–” – катод). Положительные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательные – к аноду.

 Возникновение ионов в электролитах объясняется электрической диссоциацией – распадом молекул растворимого вещества на положительные и отрицательные ионы в результате взаимодействия с растворителем (Na+Cl-; H+Cl-; K+I-…).

 Степенью диссоциации a называется число молекул n0¢, диссоциировавших на ионы, к общему числу молекул n0

. (28)

 При тепловом движении ионов происходит и обратный процесс воссоединения ионов, называемый рекомбинацией.

Законы М. Фарадея (1834 г.).

Масса вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит

 или , (29)

где k – электрохомический эквивалент вещества; равен массе вещества,
выделившегося при прохождении через электролит единицы
количества электричества.

, (30)

где I – постоянный ток, проходящий через электролит.

Электрохимические эквиваленты веществ прямо пропорциональны отношениям их атомных (молярных) масс к валентности n

, (31)

где А – атомная масса;

 n – валентность.

 (32)

постоянная Фарадея

где С – универсальная постоянная для всех элеменов.

F = 9,648 × 104 Кл/моль

физический смысл следует из объединенного закона электролиза Фарадея

 или . (33)

Физический смысл: постоянная Фарадея (F) равна количеству электричества, которое необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде 1 грамм-эквивалента вещества.

 Из объединенного закона электролиза определяется электрический заряд q любого иона

, (34)

где n – валентность иона;

 F – постоянная Фарадея;

 NA – число Авогадро.

 Заряд 1-валентного иона равен элементарному заряду

q = е = 1,602 × 10-19 Кл.

Любой электрический заряд кратен элементарному

NA = 6,022 × 1023 моль-1.

 

Ядерные реакторы

Сети