Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

E =

Напряженность поля бесконечной равномерно заряженной плоскости постоянна (одинакова на любом расстоянии от плоскости) и зависит лишь от поверхностной плотности заряда.

E =

В случае среды с относительной диэлектрической проницаемостью e, напряженность поля уменьшится в e раз:

для сферы или точечного заряда E =

для плоскости E =

Если между платин конденсатора пометить диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью e, то емкость конденсатора возрастет в e раз:

C =

Напряженность электрического поля зависит от относительной диэлектрической проницаемости среды e поэтому при наличии нескольких граничащих диэлектриков на границе разрыва двух сред напряженность поля меняется скачком (линии вектора Е терпят разрыв).

Поляризация диэлектриков в сильном электростатическом поле используется в электрических фильтрах для очистки газа от угольной пыли.

Когда сила тяжести частиц, задержанных фильтром, становится больше их силы притяжения к электродам, пыль оседает на дно фильтра.

ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПЛОСКОГО КОНДЕНСАТОРА(уч.10кл.стр.400-402, 403-406)

Конденсатор (см.выше уч.10кл.стр. 400-402)

Потенциальная энергия пластин конденсатора. Рисунок (стр.403)

Формула потенциальной энергии плоского конденсатора. Обозначение

Определение объемной плотности энергии электростатического поля. Единицы измерения

Формула объемной плотности энергии плоского конденсатора и ее физический смысл

Применение конденсаторов в лампах-вспышках

Как и любая система заряженных тел, конденсатор обладает энергией. Вычислим ее.

Работа, совершаемая при разделении положительных и отрицательных зарядов, сообщаемых пластинам конденсатора, равна энергии, приобретаемой конденсатором.

Потенциальная энергия пластин конденсатора

Пластины конденсатора притягиваются одна к другой, обладая определенной потенциальной энергией.

Рассчитаем энергию электростатического поля, накопленную конденсатором, если заряд на его платинах +Q –Q, а разность потенциалов между ними U.

Сила кулоновского притяжения пластины конденсатора определяются напряженностью поля, созданной противоположной пластиной.

E+ = E- = E =

F+ = F- = Q

Под действием кулоновских сил притяжения пластины, предоставленные сами себе, схлопнутся. Считая их конечную энергию равной нулю, получаем, что работа сил электростатического поля равна потенциальной энергии пластин:

A = W

Работа по перемещению каждой пластины на расстояние d/2 в центр конденсатора (где пластины могли бы схлопнуться)

A+ = F+  ; A- = F-

Полная работа и потенциальная энергия электростатического поля конденсатора:

A = A+ + A- = = W

Потенциальная энергия электростатического поля плоского конденсатора ( учитывая, что C = ) пропорциональна его емкости и квадрату напряжения между обкладками:

W =  =

W =

Вся эта энергия сосредоточена в электрическом поле.

Концентрация энергии электростатического поля в пространстве характеризуется объемной плотностью энергии поля.

Объемная плотность энергии электростатического поля – физическая величина, равная отношению энергии электростатического поля, сосредоточенного в объеме, к этому объему.

w =

Единица измерения – Дж/м3

1 Дж/м3 равен объемной плотности энергии однородного электростатического поля, в 1м3 которого содержится энергия 1 Дж.

Объемная плотность энергии поля конденсатора пропорциональна квадрату напряжения напряженности поля:

w =

где E =  - напряженность поля в конденсаторе

Объемная плотность энергии электростатического поля пропорциональна квадрату напряженности поля.

Энергия электростатического поля, запасенная в конденсаторе, используется, например, в лампах –вспышках.

Конденсатор может долго накапливать энергию и очень быстро отдавать ее.

ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электрический ток – упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Направленное движение свободных зарядов (носителей заряда) в проводнике возможно под действием внешнего электрического поля.

За направление тока принимается направление движения положительно заряженных частиц.

Сила т ока в данный момент времени – скалярная физическая величина, равная пределу отношения величины электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени его прохождения

I =  = (производная заряда по времени)

Единица измерения – А (Ампер) = Кл/с

Постоянный электрический ток – ток, сила которого не изменяется с течением времени.

Источник тока – устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.

Сторонние силы – силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов в источнике тока.

ЭДС – скалярная физическая величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению положительного заряда от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда:

ε = Aст/q

ЭДС равна напряжению между полюсами разомкнутого источника тока.

Закон Ома для однородного проводника (участка цепи):

сила тока в однородном проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

I = U/R

 Сопротивление проводника прямо пропорционально его удельному сопротивлению и длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

 R = ρ

Единица измерения – Ом = В/А

Резистор – проводник с определенным постоянным сопротивлением

Удельное сопротивление – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади.

Обозначение - ρ

Единица измерения – Ом*м

Удельное сопротивление металлического проводника линейно возрастает с температурой

 ρ = ρ0 (1+ αt)

ρ0 – удельное сопротивление при T0 = 293оК, DT = T - T0;

a – температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла

Единица измерения – 1/К = К-1

Удельное сопротивление полупроводника уменьшается при увеличении температуры из-за увеличения числа свободных зарядов, способных переносить электрический ток.

Дырка – вакантное электронное состояние в кристаллической решетке имеющее избыточный положительный заряд.

Сверхпроводимость – физическое явление, заключающееся в скачкообразном падаении до нуля сопротивления вещества.

Критическая температура – температура скачкообразного перехода вещества из нормального состояния в сверхпроводящее.

Изотопический эффект – зависимость критической температуры от массы ионов в кристаллической решетке.

Электрический ток в полупроводнике обусловлен согласованным движением пар электронов, связанных между собой взаимодействием с кристаллической решеткой.

При последовательном соединении резисторов общее сопротивление цепи равно сумме их сопротивлений.

При параллельном соединении резисторов проводимость цепи равна сумме их проводимостей.

Закон Ома для замкнутой цепи:

сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи

I =

R и r – внешнее и внутреннее сопротивления цепи

Закон Ома для замкнутой цепи с несколькими последовательно соединенными источниками тока:

сила тока в замкнутой цепи с последовательно соединенными источниками тока прямо пропорциональна алгебраической сумме их ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи

 I =

Амперметр измеряет силу электрического тока, включается в цепь последовательно.

Шунт – проводник, присоединенный параллельно амперметру для увеличения предела его измерений

Rш =

RA – внутреннее сопротивление амперметра

n - кратность изменения предела измерения

Вольтметр измеряет электрическое напряжение, включается в цепь параллельно.

Дополнительное сопротивление – проводник, присоединяемый последовательно с вольтметром для увеличения пределов его измерений

Rд = RV (n – 1)

RV – внутреннее сопротивление вольтметра

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, равно работе электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца:

количество теплоты, выделяемое в проводнике с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения по нему тока.

Q = I2 R t

 Мощность электрического тока – работа, совершаемая в единицу времени электрическим полем при упорядоченном движении заряженных частиц в проводнике

P =  = = I2R = = IU

Потребителю передается максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно суммарному сопротивлению источника тока и подводящих проводов.

Жидкости, как и твердые тела, могут быть проводниками электрического тока.

Электролиты – вещества, растворы и расплавы которых обладают ионной проводимостью.

Электролитическая диссоциация – расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя.

Электролиз – выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор (или расплав) электрического тока.

Закон Фарадея для электролиза:

масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (расплав) электролита

m = kQ

k – электрохимический эквивалент вещества

Единица измерения электрохимического эквивалента – кг/Кл

Объединенный закон Фарадея для электролиза:

m = Q

М – молярная масса

n – валентность химического элемента

F = 9.65*104 Кл/моль – постоянная Фарадея

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Электрический ток – это совокупность упорядоченно движущихся заряженных частиц.

При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда с одного места в другое. Однако если заря­женные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит.

Электрический заряд перемещается через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц

Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов. Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет.

Полный заряд, переносимый через любое сечение проводника, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.

Электрический ток имеет определенное направление.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. (электроны движутся в противоположном направлении)

Направление тока совпадает с направлением напряженности электрического поля, вызывающего этот ток.

Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Движение частиц в проводнике непосредственно не видно. О наличии электрического тока судят по тем действиям и явлениям, которые его сопровождают:

-         тепловое – нагревание проводника, по которому течет ток;

-         химическое - электрический ток может изменять химический состав проводника, например выделять его составные химические части;

-         магнитное - силовое воздействие на соседние токи и на намагниченные тела.

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо:

- наличие свободных заряженных частиц.

- сила, действующая на них в определенном направлении

Если положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом в атомах или молекулах, то их перемещение не приведет к появлению электрического тока.

Если внешняя сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за сопротивления, оказываемого их движению ионами кристаллической решетки металлов или нейтральными молекулами электролитов.

(На заряженные частицы действует электрическое поле с силой F = qE.)

Обычно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.

Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника существует разность потенциалов.

Когда разность потенциалов не меняется во времени, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

Электрическое поля внутри проводника и соответственно разность потенциалов на его концах создается за счет действия внешнего источника тока.

Перенос зарядов с одного конца проводника на другой осуществляется за счет источника тока.

Движение носителей заряда внутри проводника происходит за счет сил электрической природы, а внутри источника тока – не электрической.

СИЛА ТОКА

Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока.

Сила тока - физическая величина, определяющая величину электрического заряда, перемещаемого в единицу времени через поперечное сечение повода

I =

Единица измерения – А (Ампер , в честь ученого Анри Ампера)

Сила тока в данный момент времени – скалярная величина, равная пределу отношения величины электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени его прохождения:

(В более общем виде сила тока равна отношению заряда dq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени dt, к этому интервалу времени)

 I = =    (производная заряда по времени)

Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Магнитное взаимодействие проводников используется для определения величины силы тока.

1 ампер – сила тока, проходящего по двум параллельным проводникам бесконечной длины, и малого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 метра друг от друга в вакууме, при которой магнитный поток вызывает в низ силу взаимодействия, равную 2*10-7Н на каждый метр длины.

Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.

Сила тока, подобно заряду,— величина скалярная.

Она может быть как положительной, так и отрицательной.

Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принять за положительное.

Cила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным, положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I < 0.

Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, концентрации частиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника.

Плотность тока – векторная физическая величина численно равная заряду переносимому за единицу времени через единичную площадку поперечного сечения расположенного перпендикулярно току:

j =

Единица измерения – А/м2 = Кл/с*м2

Можно говорить о потоке вектора плотности тока через площадь поперечного сечения.

Для измерения силы тока амперметр включают в цепь последовательно.

Сам амперметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. Поэтому сопротивление участка цепи с включенным амперметром увеличивается и при неизменном напряжении сила тока в нем уменьшается по закону Ома.

Для уменьшения влияния амперметра на силу измеряемого тока внутреннее сопротивление амперметра делают очень малым.

Источник тока – устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.

Разделение зарядов возможно в результате преобразования механической, тепловой, химической, световой энергии в электрическую. Так, в гальваническом элементе заряды на электродах оказываются разными за счет химической реакции между электродами и электролитом.

См.ниже «Закон Ома»

См.ниже «Удельное сопротивление»

См.ниже «Последовательное и параллельное соединение проводников»

НАПРЯЖЕНИЕ

Для измерения напряжения на участке цепи с сопротивлением R, к нему параллельно подключают вольтметр. Напряжение на вольтметре совпадает с напряжением на участке цепи.

Если сопротивление вольтметра RV, то после его включения в цепь сопротивление участка изменится и будет уже не R, а R’= R║RV = < R.

Из-за этого измеряемое напряжение на участке цепи уменьшится.

Для того, чтобы вольтметр не вносил заметных искажений в измеряемое напряжение, его сопротивление должно быть большим по сравнению с сопротивлением участка цепи, на котором измеряется напряжение.

НОСИТЕЛИ СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ В МЕТАЛЛАХ, ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ

Электрический ток в металлах

Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны. Их концентрация велика – порядка 1028 м-3. Эти электроны участвуют в беспорядочном тепловом движении. Под действием электрического поля они начинают перемещаться упорядоченно со средней скоростью 10-4 м/с.

Наличие сво­бодных электронов в металлах было доказано в опытах Л.И.Мандельштама и Н.Д.Папалекси (1913 г.), Б. Стю­артом и Р. Толменом (1916 г.).

Опыт проводился следующим образом: на катушку наматывают проволоку, концы которой припаивают к двум металлическим дискам, изолированным друг от друга. К концам дисков при помощи скользящих контактов при­соединяют гальванометр.

Катушку приводят в быстрое движение, а затем резко останавливают.

После резкой остановки катушки свободные заряженные частицы некоторое время движутся относительно проводника по инерции, и, следовательно, в катушке возникает электрический ток.

Ток существует незначительное время, так как из-за сопротивления проводника заряженные частицы тормозятся и упорядоченное движение частиц, обра­зующее ток прекращается.

Переноси­мый при этом заряд пропорционален отношению заряда частиц, создающих ток, к их массе, т. е. |q|/m. Поэтому, измеряя заряд, проходящий через гальванометр за время существования тока в цепи, удалось определить это отношение. Оно оказалось равным 1,8*10¹¹ Кл/кг.

Электрический ток в металлах это направленное и упорядоченное движение свободных электронов.

Скорость упорядоченного движения электронов прямо про­порциональна напряженности поля в проводнике. (v ~ E)

Электрический ток в металлах это направленное и упорядоченное движение свободных электронов.

Построить удовлетворительную количественную теорию движения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно.

Движение электронов в металле подчиняется законам квантовой механики.

Электрический ток в растворах и расплавах электролитов

Жидкости, как и твердые тела, могут быть диэлектриками (дистиллированная вода), проводниками(растворы и расплавы электролитов, щелочей, солей, жидкие металлы) и полупроводниками (расплавленный селен, расплавы сульфидов и т.д.).

Электролиты – вещества, растворы и расплавы которых обладают ионной проводимостью.

Электролиты – водные растворы солей, кислот и щелочей.

В растворах и расплавах электролитов перенос зарядов под действием электрического поля осуществляется положительными и отрицательными ионами, движущимися в противоположных направлениях.

При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы.

Этот процесс называется электролитической диссоциацией.

Электролитическая диссоциация – расщепление молекул электролита на положительные и отрицательные ионы под действием растворителя.

Степень диссоциации – отношение количества молекул, диссоциировавших на ионы, к общему количеству молекул вещества.

Вследствие теплового движения молекул растворимость существенно зависит от температуры.

Степень диссоциации, т.е. доля молекул в растворенном веществе, распавшихся на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и диэлектрической проницаемости e растворителя.

С увеличением температуры степень диссоциации возрастает и, следовательно, увеличивается концентрация положительно и отрицательно заряженных ионов.

Носителями заряда в водных растворах или расплавах электролитов являются положительно или отрицательно заряженные ионы.

Поскольку перенос заряда в водных растворах или расплавах электролитов осуществляется ионами, такую проводимость называют ионной.

Жидкости могут обладать и электронной проводимостью. Например, жидкие металлы.

Положительные и отрицательные ионы могут возникать и при плавлении твердых электролитов в результате распада полярных молекул из-за увеличения амплитуды тепловых колебаний.

Ионы разных знаков при встрече могут снова объединится в нейтральные молекулы – рекомбинировать.

Наряду с диссоциацией в растворах электролитов идет и обратный процесс рекомбинации ионов разных знаков в нейтральную молекулу. Когда число молекул, распадающихся на ионы, становится равным числу молекул, возникающих за это же время в результате рекомбинации, устанавливается динамическое равновесие. Степень диссоциации остается постоянной.

В отсутствии внешнего электрического поля ионы вместе в нераспавшимися молекулами находятся в хаотическом тепловом движении.

Электролиз

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролита.

Электролизом называют процесс выделения на электроде чистого вещества, связанный с окислительно-восстановительными реакциями.

Электролиз – это выделение веществ из электролита с последующим осаждением на электродах

Электролиз – выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита, при протекании через его раствор (или расплав) электрического тока.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43