Контрольный вопрос В плоский конденсатор подключенный к аккумуляторной

Контрольный вопрос В плоский конденсатор, подключенный к аккумуляторной батарее, ввели диэлектрик, полностью заполняющий пространство между обкладками. Как изменилась энергия электрического поля внутри конденсатора? V = const C = 0 A/d U = C V 2/2 1

Cодержание сегодняшней лекции Ток и сопротивление Электрический ток. Микроскопическая модель тока. Сопротивление. Классическая модель электросопротивления. Электродвижущая сила (ЭДС). Правила Кирхгофа. Работа выхода электрона из металла. Контактная разность потенциалов. Термо. ЭДС. 2

Электрический ток 3

Электрический ток - суммарный заряд, переносимый в единицу времени через площадку, перпендикулярную вектору скорости перемещения носителей заряда. Аналогия между течением воды и электрическим током. Мгновенное значение тока Условность: ток течет в направлении перемещения положительных зарядов. Направление тока противоположно направлению перемещения отрицательных зарядов. 4

Электрический ток Движущийся заряд (положительный или отрицательный) – подвижный носитель заряда. Металлы: подвижные носители заряда - электроны. 5

Закон Ома в дифференциальной форме Джорд Симон Ом немецкий физик (1789 -1854) Для многих материалов (включая большинство металлов) величина , равная отношению плотности тока j к напряженности электрического поля E, есть величина постоянная, независящая от величины электрического поля, вызывающего ток. = j / E = const 6

Закон Ома в интегральной форме Однородный проводник Закон Ома в интегральной форме - сопротивление проводника Ом ( ) - единица измерения сопротивления в СИ: Удельное электросопротивление [ ] – Ом метр ( м) 7

Сопротивление Материал Удельное сопротивление (Ω м) Коэффициент теплового расширения [( C)-1] Cеребро 1, 59 10 -8 3, 8 10 -3 Медь 1, 7 10 -8 3, 9 10 -3 Золото 2, 44 10 -8 3, 4 10 -3 Алюминий 2, 82 10 -8 3, 9 10 -3 Вольфрам 5, 6 10 -8 4, 5 10 -3 Железо 10 10 -8 5, 0 10 -3 Платина 11 10 -8 3, 92 10 -3 Свинец 22 10 -8 3, 9 10 -3 Нихром 1, 50 10 -6 0, 4 10 -3 Углерод 3, 5 10 -5 -0, 5 10 -3 Германий 0, 46 -48 10 -3 Кремний 640 -75 10 -3 Стекло от 1010 до 1014 Эбонит 1013 Сера 1015 Кварц (плавленый) 75 1016 Все значения для 20 С 8

Сопротивление Сопротивления (резисторы) – элементы электрических цепей, используемые для управления величиной тока на различных участках цепи. Цветная маркировка сопротивлений Цвет Число Множитель Черный 0 1 Коричневый 1 101 Красный 2 102 Оранжевый 3 103 Желтый 4 104 Зеленый 5 105 Голубой 6 106 Фиолетовый 7 107 Серый 8 108 Белый 9 Допустимая погрешность 109 Золотой 10 -1 5% Серебряный 10 -2 10% Бесцветный 20% 9

Классическая теория электропроводности Карл Виктор Рикке (1845 -1915) – 1901 (через 4 года после открытия электрона). Медь Алюминий Медь I 1 год, Q = 3, 5· 106 Кл, 3. 5· 1025 элементарных зарядов Массы металлов остались неизменными. Заключение: электрический ток вызван движением каких-то определенных частиц, но не атомов. 10

Классическая модель электропроводности Идея Г. Лоренца: инерциальное движение зарядов после резкой остановки движущегося проводника должно вызвать электрический ток. Эксперимент Р. Толлмена и Т. Стюарта (1916): резкая остановка вращающейся с v = 300 м/с ( > 1000 км/час) катушки с проволокой (500 м) появление тока (движение отрицательных зарядов с удельным зарядом e/m, близким к характерному для электрона). Заключение: электрический ток вызван движением электронов. 11

Электродвижущая сила Все точки проводника в форме замкнутой петли обладают одинаковым потенциалом Электрическое поле равно нулю Ток в петле отсутствует Постоянный ток – ток, величина и направление которого не изменяются. Необходимость поддерживать постоянную разность потенциалов для поддержания постоянного тока. Электродвижущая сила (ЭДС) ξ батареи максимально возможное напряжение между ее контактами. Батарея Сопротивление Источник ЭДС обеспечивает перемещение зарядов “вверх” от точек с низким потенциалом к точкам с высоким потенциалом. 12

Электродвижущая сила Внутреннее сопротивление r – сопротивление течению зарядов внутри батареи. Разность потенциалов между клеммами батареи V = Vb – Va = ξ – Ir. Эквивалентность ЭДС ξ напряжению в разомкнутой цепи - разности потенциалов между клеммами при токе в цепи, равном нулю. Внешнее сопротивление R – сопротивление нагрузки. ξ = IR + Ir 13

Густав Кирхгоф немецкий физик (1824 -1887) Правила Кирхгофа Правило узлов: cумма токов, входящих в любой узел цепи, должна равняться сумме токов, выходящих из данного узла. Втекает Вытекает 14

Правила Кирхгофа Правило замкнутого контура: cумма разностей потенциалов вдоль всех элементов любого замкнутого контура должна равняться нулю. вдоль любого замкнутого контура 15

Классическая теория электропроводности металлов Суммарный заряд в объеме Mеталл n – концентрация носителей заряда в объеме, q – заряд носителя, A – площадь поперечного сечения, vd – скорость, t – интервал времени. Суммарный заряд, пересекающий со скоростью vd одно из оснований цилиндра за время t, равен Среднее значение тока в проводнике равно 16

Классическая теория электропроводности металлов vd – средняя скорость носителей заряда называется скоростью дрейфа. Если приложенная разность потенциалов V = 0, то свободные электроны движутся хаотично и vd = 0. Если V 0, свободные электроны раз за разом сталкиваются с атомами металла, их движение становится зигзагообразным и vd 0. Появление в проводнике эффективной внутренней силы трения в результате столкновения между движущимися электронами и ионами. Увеличение энергии колебаний ионов в результате этих столкновений и соответствующее увеличение температуры проводника. 17

Сопротивление Заряды в проводнике в статическом равновесии, тогда Е=0 в проводнике. Вывод зарядов из равновесного состояния электрическим полем. Плотность тока Направление вектора плотности тока совпадает с направлением движения положительных зарядов Установление при поддержании определенной разности потенциалов между концами проводника определенной плотности тока j и напряженности электрического поля E. Некоторые (омические) материала: j = E, где коэффициент пропорциональности - электропроводность проводника. 18

Классическая электронная теория Закон Ома Предположение: пусть в металлическом проводнике существует Ускорение а заряда е под действием силы F Cкорость электрона к концу свободного пробега 19

Классическая электронная теория Закон Ома Классическая теория металлов Друде: передача накопленной электроном энергии иону в конце свободного пробега. Следствие: средняя скорость направленного движения электрона Друде: распределение электронов по скоростям не учитывается. Зависимость среднего времени свободного пробега от средней длины свободного пробега и средней скорости движения электронов относительно кристаллической решетки проводника, равной +, где - средняя скорость теплового движения электронов. 20