ЭЛЕКТРИЧЕСТВО I. Электростатика – q = e

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
I. Электростатика
Физические величины - буквенное обозначение (единица измерения)
электрический заряд – q (Кл);
элементарный заряд (заряд электрона) – q0 = e- = - 1,6 10-19 Кл
сила Кулона – Fk (H);
напряженность - Е (В/м=Н/Кл)
работа поля - А (Дж);
энергия поля – W (Дж);
потенциал – φ (В);
разность потенциалов, напряжение – U (В)
диэлектрическая проницаемость – έ;
электрическая постоянная - έ0 = 8,85 10-12 Кл2/(Нм2)
коэффициент пропорциональности в законе Кулона – k = 9 109 Н м2/Кл2
площадь обкладок конденсатора – S (м2);
расстояние между обкладками – d (м)
электроемкость – С (Ф)
Электрическое поле – особая форма материи, в которой осуществляется электрическое
взаимодействие, существующая вокруг электрического заряда и обнаруживаемая по
действию на другие тела.
Два вида зарядов: положительный и отрицательный. Два одноименных заряда
отталкиваются, а два разноименных притягиваются (необходимо учитывать при
определения направления силы Кулона)
Закон Кулона: Сила электрического взаимодействия прямопропорциональна
произведению взаимодействующих зарядов и обратно пропорциональна квадрату
расстояния между ними.
сила Кулона
Fk = k |q1||q2| / έR2
напряженность электростатического поля
E = Fk / |q2| = k |q| / έR2
Закон сохранения заряда: сумма зарядов в замкнутой системе остается неизменной
Принцип суперпозиции: общая напряженность электрического поля в точке равна
векторной сумме напряженности каждого поля
В таком случае общая напряженность находится по правилам сложения векторов
Силовые линии электрического поля (линии напряженности): линии, вдоль которых
осуществляется взаимодействие, и касательная в каждой точке которых совпадает с
вектором напряженности. Силовые линии электрического поля разомкнуты, они
начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Т.е.
напряженность поля направлена от «+» к «-»
работа электрического поля по перемещению заряда А = q E d = q(φ1 - φ2) = q U
работа электрического поля не зависит от формы траектории и на замкнутой
траектории равна 0
Т.к. силу Кулона – это потенциальная сила, то работа силы Кулона равно изменению
потенциальной энергии с обратным знаком
А = - ∆W
потенциал электростатического поля – это энергетическая характеристика поля, не
зависящая от заряда внесенного в поле.
φ = W/q = k|q|/έr
поверхности с равными потенциалами – эквипотенциальные поверхности, вектор
напряженности перпендикулярен эквипотенциальным поверхностям
Разность потенциалов U = (φ1 - φ2)
- напряжение
связь напряженности и напряжения
E = U/d
Напряженность направлена в сторону уменьшения потенциала; т.е положительный
заряд движется в сторону уменьшения потенциала, а отрицательный – в сторону
увеличения.
Проводники:
- внутри проводника напряженность поля равна 0.
- весь заряд скапливается на поверхности проводника
- потенциал внутри проводника одинаков и равен потенциалу границы
- поверхность проводника эквипотенциальна (потенциал одинаковый)
Диэлектрики:
- в электрическом поле на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды
- возникает напряженность поля связанных зарядов Еп противоположная напряженности
внешнего поля Е0
- напряженность поля внутри диэлектрика
Е = Е0 – Еп
Конденсатор: устройство для накопления электрического заряда, состоящее из двух
проводников (обкладок) и слоя диэлектрика между ними.
электроемкость конденсатора (техническая характеристика)
заряд конденсатора
q=CU
энергия конденсатора (энергия электрического поля)


С = έέ0S/d
Wэ.п. = СU2/2 = q2/2C = qU/2
Если заряженный конденсатор отключить от источника тока, то заряд
конденсатора – постоянный, следовательно энергия конденсатора
обратнопропорциональна емкости конденсатора
Если конденсатор включен в сеть, то постоянно напряжение , следовательно
энергия прямопропорциональна емкости конденсатора
При параллельном подключении конденсаторов:
qобщ = q1 + q2 + …
U = const
Cобщ = С1 + С2 + …
Энергия прямопропорциональна емкости конденсатора
При последовательном подключении:
q = const
Uобщ = U1 + U2 + …
1/Собщ = 1/С1 + 1/С2 + …
энергия обратнопропорциональна емкости конденсатора
II. ПОСТОЯННЫЙ ТОК
Физические величины - буквенное обозначение (единица измерения)
сила тока – I (А);
сопротивление – R (Ом);
электродвижущая сила ЭДС -
έ
(В)
удельное сопротивление – ρ (Ом мм2/м);
длина проводника – l (м)
площадь поперечного сечения проводника – S (мм2);
работа тока – А (Дж)
мощность тока – Р (Вт)
Электрический ток: это упорядоченное движение заряженных частиц.
Условия существования тока: наличие свободных зарядов, разность потенциалов на
концах проводника (электрическое поле); устройство, в котором заряды перемещаются
против Кулоновских сил (источник тока)
Направление тока: от «+» к «-», т.е. направление движение положительных зарядов, т.е в
сторону уменьшения потенциала.
Действия тока: тепловое, химическое, магнитное
Амперметр: прибор для измерения силы тока, подключается последовательно, для
увеличения диапазона измерений к амперметру параллельно включают малое
сопротивление (шунт)
Сила тока
I = q/t
I = q0nSv
(n – концентрация зарядов; S - площадь поперечного сечения проводника; V – скорость
зарядов)
Напряжение (разность потенциалов) на концах проводника
U = A/q
Вольтметр: прибор для измерения напряжения (разницы потенциалов), включается
параллельно, для увеличения диапазона измерений к нему последовательно подключается
добавочное сопротивление
R = ρl/S
сопротивление
I = U/R - закон Ома для участка цепи
сторонние силы – силы, под действием которых заряды перемещаются против
Кулоновских сил (источник тока)
электродвижущая сила (ЭДС источника) – характеризует источник тока и определяется
отношением работы сторонних сил по
перемещению заряда к заряду.
έ = Аст/ q
I = έ /(R+r) - закон Ома для полной цепи
Короткое замыкание – резкое возрастание тока при падении сопротивления
Ток короткого замыкания
I = έ /r
(R = 0)
Виды соединений:
Последовательное
U = 𝛴Ui
Параллельное:
I = 𝛴Ii
I = const
R = 𝛴Ri
U = const
1/R = 𝛴(1/Ri)
При различных соединениях источников тока ЭДС определяется по правилам
определения напряжения, а внутреннее сопротивление источника по правилам
определения сопротивления.
Работа тока
A = U q = U I t = U2 t /R = I2 R t
(равна выделяемому количеству теплоты)
Мощность тока
P = A/t = U I = U2/R = I2 R
мощность тока во внешней цепи максимальна, когда сопротивление внешней цепи равно
внутреннему сопротивлению
При последовательном соединении мощность прямопропорциональна сопротивлению
При параллельном соединении мощность обратнопропорциональна сопротивлению
III. ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ
1. Металлы представляют собой ионные кристаллические решетки (в узлах ионы)
между ними электронный газ. Концентрация свободных электронов 10 29 м-3
Проводимость – электронная
Сталкиваясь с ионами е- отдают часть своей энергии – тепловое действие тока
Скорость движения е- 10-4 м/с. Но ток распространяется со скоростью света
Сопротивление металлов прямопропорционально температуре
R = R0(1 + α∆T)
ρ = ρ0(1 + α∆T)
α – температурный коэффициент
Сверхпроводимость – явление потери сопротивления при понижении температуры
(около абсолютного нуля)
2. Полупроводники вещества, у которых с ростом температуры уменьшается
удельное сопротивление, следовательно, возрастает проводимость (за счет теплового
движения и разрушения связей образуются свободные заряды)
Проводимость может быть электронная или «дырочная»
«дырка» - отсутствие е- связи, знак «+»
 Собственные полупроводники (проводимость и электронная, и «дырочная»)
Примесные полупроводники:
 Донорные – лишний е- (проводимость электронная) - полупроводники n-типа
 Акцепторные – недостающий е- (проводимость «дырочная») – полупроводники
р-типа
прямое включение – уменьшается запирающий слой – уменьшается сопротивление
+
катод
анод
обратное включение – увеличивается запирающий слой – увеличивается сопротивление
Обратный ток всегда меньше прямого.
+
IV. Жидкости свободные заряды – ионы, проводимость ионная, сопровождается
переносом вещества
Проводниками являются расплавы или растворы электролитов.
При прохождении тока через электролит на электроде выделяется чистое вещество –
электролиз (химическое действие тока)
Закон электролиза (Фарадея)
m=kIt
k = M/n e-Na – электрохимический эквивалент (таблица)
V. Газы ток в газах называется газовым разрядом. Носителями могут быть и электроны, и
ионы (проводимость и электронная, и ионная). Ток сопровождается переносом вещества.
Типы разрядов:



Тлеющий (высокое напряжение, низкое давление –газоразрядные трубки)

Искровой (очень высокое напряжение при атмосферном давлении – молния)
Дуговой (большая сила тока при маленькой напряженности – сварка, прожекторы)
Коронный (атмосферное давление при неоднородности электрического поля –
огни «святого Эльма»)