Электродинамика - раздел учения об электричестве, в котором рассматриваются явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов. Электрический ток Носители тока в проводящей среде: в металлах – электроны; в электролитах - либо ионы. При отсутствии электрического поля носители тока совершают хаотическое движение. Поэтому в обе стороны через любую поверхность S проходит в среднем одинаковое число носителей и ток через эту поверхность равен нулю. При включении электрического поля на хаотическое движение носителей накладывается упорядоченное движение с некоторой средней скоростью - через поверхность начинает течь ток. 1
Электрический ток - упорядоченное движение электрических зарядов. Направление тока - направление движения положительных зарядов. Количественная мера электрического тока сила тока. Сила тока - скаляр, равна отношению заряда переносимого сквозь рассматриваемую поверхность за малый промежуток времени, к величине этого промежутка: Электрический ток называется постоянным, если сила тока и его направление не изменяются с течением времени и для него: Единица силы тока - ампер (А) 2
Плотность электрического тока Характеристикой направления электрического тока в разных точках поверхности и распределения силы тока по этой поверхности служит вектор плотности тока j. Плотность электрического тока – вектор, совпадающий с направлением электрического тока в рассматриваемой точке и численно равный отношению силы тока сквозь малый элемент поверхности, ортогональный направлению тока, к площади этого элемента: Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора плотности тока: где 3
Если за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд: концентрация, заряд, средняя скорость упорядоченного движения, то плотность Если носителями являются как заряды разных знаков, то: Поле вектора j можно изобразить графически с помощью линий тока (линий вектора j), которые проводят так же, как и линии вектора Е. Единица плотности тока - А/м 2. 4
Уравнение непрерывности Для замкнутых поверхностей векторы нормалей направлены наружу, поэтому: есть убыль заряда из объема. Это соотношение называется уравнением неразрывности - является выражением закона сохранения электрического заряда В случае постоянного (стационарного) тока распределение зарядов в пространстве остается неизменным - правая часть уравнения равна нулю. Линии вектора нигде не начинаются и нигде не заканчиваются, в случае постоянного тока поле вектора j не имеет источников. 5
Георг Симон Ом (1787 -1854) — немецкий физик. Установил основной закон электрической цепи (закон Ома). Труды по акустике, кристаллооптике, член Баварской АН (1845), членкорреспондент Берлинской АН, иностранный почетный член Лондонского Королевского общества (1842). Георг Ом родился 16 марта 1787, Эрланген. Скончался 6 июля 1854, в Мюнхене. 6
Закон Ома, открытый экспериментально, гласит: сила тока, протекающего по однородному проводнику, пропорциональна разности потенциалов на его концах (напряжению U): Коэффициент пропорциональности R - электрическое сопротивление проводника. Единицей сопротивления - ом (Ом): 1 Ом – сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В течет постоянный ток 1 А. Сопротивление зависит от: формы, размеров, материала, температуры. величина G называется электрической проводимостью проводника. 7
Для однородного цилиндрического проводника сопротивление: где l - длина проводника; S - площадь его поперечного сечения; удельное электрическое coпротивление. выражают в ом • метрах (Ом • м). Величина обратная удельному сопротивлению называется удельной электрической проводимостью вещества проводника: Единица удельной электрической проводимости (удельная электропроводность сименс на метр (См/м). Удельное сопротивление зависит от материала проводника и его температуры. Удельное сопротивление наиболее хороших проводников (медь, алюминий) при комнатной температуре порядка 10 -8 Ом • м 8
Опытным путем установлено - для большинства случаев изменение удельного сопротивления (а значит и сопротивления) с изменением температуры задается: - температурный коэффициент сопротивления. На зависимости электрического сопротивления металлов от температуры основано действие термометров сопротивления. Сопротивление многих металлов при низких температурах 0. 14 -20 К (шкала Кельвина), называемых критическими, скачкообразно уменьшается до нуля возникает явление - сверхпроводимость. 9
Закон Ома в дифференциальной (локальной) форме В проводнике напряженность электрического поля : Сопротивление проводника: Сила тока : - закон Ома в дифференциальной форме устанавливает связь между величинами, относящимися к одной и той же точке проводника. 10
О заряде внутри проводника с током. Если ток постоянный, то избыточный заряд внутри однородного проводника всюду равен нулю. Избыточный заряд может появиться только на поверхности однородного проводника и там, где проводник имеет неоднородности. Электрическое поле проводника с током При наличии тока вектор напряженности электрического поля вблизи поверхности проводника составляет некоторый угол с нормалью к поверхности. При отсутствии тока угол равен нулю. Электрическое поле стационарных токов – потенциальное поле. В отличие от электростатического поля зарядов, поле стационарных токов и внутри проводника не равно нулю. Работа и мощность электрического тока 11
Соединение сопротивлений 12
13
ДЖОУЛЬ (Joule), Джеймс Прескотт 24 декабря 1818 г. – 11 октября 1889 г. Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль родился в Солфорде близ Манчестера в семье богатого пивовара. Получил домашнее образование. В течение нескольких лет его учил математике, физике, началам химии известный физик и химик Джон Дальтон, под влиянием которого Джоуль уже в 19 лет начал экспериментальные исследования. Среди наград и почестей, которых был удостоен учёный, – золотая медаль Королевского общества (1852), медаль Копли (1866), медаль Альберта (1880). В 1872 и 1877 гг. Джоуль был избран президентом Британской ассоциации по распространению научных знаний. 14
Ленц Эмилий Христианович (Генрих Фридрих Эмиль) (1804– 1865) — знаменитый российский физик, океанограф и путешественник, профессор, доктор филологии, действительный член Российской академии наук, участник второго кругосветного плавания О. Е. Коцебу, исследователь Камчатки. Родился 12 февраля 1804 года в городе Дерпте (в настоящее время Тарту, Эстония) в семье оберсекретаря городского магистрата. Э. Х. Ленц известен многими открытиями в области физики. Но среди его научных работ особенно известны две. В 1833 году он установил правило определения направления электродвижущей силы индукции (так называемый закон Ленца), а в 1842 году (независимо от Дж. Джоуля) — закон теплового действия электрического тока (известный как закон Джоуля-Ленца). Кроме того, совместно с Б. С. Якоби Эмилий Христианович впервые разработал методы расчета электромагнитов в электрических машинах. 15
Закон Джоуля-Ленца При прохождении тока по проводнику происходит рассеяние энергии из-за столкновений носителей тока между собой и с другими частицами среды. Вся работа тока d. А идет на нагревание проводника - выделяется теплота d. Q. Количество теплоты, выделяющееся за промежуток времени постоянным током во всем объеме проводника сопротивлением R равно интегралу: Закон Джоуля-Ленца (в интегральной форме): количество теплоты, выделяемое постоянным электрическим током на участке цепи, равно произведению квадрата силы тока на время его прохождения и электрическое сопротивление этого участка цепи. 16
Выделим в проводнике цилиндрический объем d. V = d. Sdl (ось цилиндра совпадает с направлением тока). Сопротивление этого объема: ток По закону Джоуля-Ленца, за время dt в объеме выделится теплота: Удельная тепловая мощность тока (w) – количество теплоты выделяющееся за единицу времени в единице объема: Поскольку - закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. 17
Сторонние силы При наличии в проводнике только кулоновских сил носители зарядов перемещаются пока потенциалы всех точек не сравняются: – ток прекращается – электростатическое поле исчезает. Для существования в цепи постоянного тока должны существовать участки, на которых перенос положительных носителей происходит в сторону возрастания потенциала - против сил электрического поля, чтобы компенсировать участки с падением потенциала для поддержания разности потенциалов. Эти участки могут существовать лишь с помощью сил не электростатического происхождения - сторонних сил. Устройства, создающие сторонних силы - источниками тока. Электрический ток возникает и существует при: 1) наличие свободных носителей тока - заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно; 2) наличии электрического поля, энергия которого должна восполняться. 18
Физическая природа сторонних сил может быть различна: химическая - силы, возникают при соприкосновении разнородных проводников (гальванические элементы, аккумуляторы) физическая (неоднородность проводника) - силы, возникают в проводниках при различной температуре (термоэлементы). Роль источника тока в электрической цепи такая же как роль насоса, который необходим для поддержания тока жидкости в гидравлической системе Сторонние силы характеризуются: - полем и его напряженностью E , определяемой как силой, действующей на единичный положительный заряд. Участок цепи на котором действуют сторонние силы называется неоднородным участком цепи. Ранее рассматривали законы для однородных участков. 19
Обобщенный закон Ома Под действием электрического поля Е в проводнике возникает ток плотности: при совместным действии поля Е и поля сторонних сил Е - обобщенный закон Ома в локальной форме для неоднородного участка цепи. Это выражение проинтегрируем: Для тонкого проводника плотность тока const, тогда левая часть: 20
Правая часть: I-ый интеграл: II-ой интеграл: - электродвижущая сила на участке цепи 1 -2. -закон Ома для неоднородного участка цепи. При положительном направление от 1 к 2 диаграмма потенциала 21
Частные случаи: 1) Если на участке цепи источник тока отсутствует , то - закон Ома для однородного участка цепи 2) Если цепь замкнута (точки 1 и 2 соеденены - их потенциалы одинаковы): - внешнее сопротивление цепи; - внутреннее сопротивление источника тока. 3) Если цепь разомкнута, то ток равен нулю Э. Д. С. источника - разность потенциалов на его клеммах 4) В цепи нет внешнего сопротивления – короткое замыкание. Сила тока ограничивается только величиной внутреннего сопротивления источника тока: 22
Скачать презентацию Электродинамика — раздел учения об электричестве в котором
Эл ток З-н Ома 1.ppt