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.

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, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64