Металлические проводники характеризуются наличием

Обновлено: 23.01.2025

1.2. Основные элементы электрической цепи постоянного тока.

Система из двух, разделенных диэлектриком, проводников, способных накапливать заряды, называется …

Трансформатором

1.3. Расчёт электрических цепей постоянного тока

Как изменится количество теплоты, выделяющейся в нагревательном приборе, при ухудшении контакта в штепсельной розетке?

Не изменится

Зависимость количества теплоты, выделяемого в проводнике, от силы тока, определяется законом …

Джоуля

Каким свойством обладает параллельное соединение резисторов?

Алгебраическая сумма I в узле равна 0

Как изменится общее сопротивление, если к двум параллельно соединенным прибавить третье?

Уменьшится

Резисторы соединены последовательно. Как изменится общее сопротивление, если их соединить параллельно?

Увеличится

На сколько сократится число уравнений при использовании метода контурных токов?

На число узлов в схеме

Раздел 2. Электромагнетизм.

2.1. Основные свойства магнитного поля.

На электрон, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца. При этом электрон движется с ускорением, если …

Всегда.

Как изменится индуктивность катушки L при изменении числа витков катушки?

При увеличении числа витков индуктивность увеличивается

При увеличении числа витков индуктивность уменьшается

Если намагничивающая сила F измеряется в ньютонах, то в каких единицах брать B и S?

B - тесла, S – см 2

Будет ли наводиться ЭДС индукции в проводнике, если он неподвижен, а магнитное поле перемещается относительно этого проводника?

Не будет

Будет ли наводиться ЭДС индукции в диэлектрическом стержне, который перемещается в магнитном поле под прямым углом?

Будет

Как изменяется ЭДС самоиндукции при подключении катушки к источнику постоянного напряжения?

Увеличивается

Как изменится общий магнитный поток, если увеличить воздушный зазор в сердечнике?

2.2 Магнитные цепи

Влияет ли направление обхода контура на конечный результат при использовании закона полного тока?

Не влияет

2.3. Электромагнитная индукция.

Электрон, влетевший в магнитное поле параллельно магнитным линиям, движется в нем ____________.

С ускорением

Если замкнутый проводник движется в однородном магнитном поле параллельно магнитным линиям, то ЭДС в нем ___________

Максимальна

Раздел 3. Цепи переменного электрического тока

3.1 Электрические цепи переменного тока

3.2 Расчёт электрических цепи синусоидального тока

Какая из векторных диаграмм относится к цепи с активным сопротивлением?

Выбрать правильный ответ: электрическая энергия в цепи с активным сопротивлением поступает…

…импульсами

В какой вид энергии превращается электрическая энергия в цепи с активным сопротивлением?

В механическую

Какая из векторных диаграмм относится к цепи с емкостью:

Какая из векторных диаграмм относится к цепи с индуктивностью?

В какой вид энергии превращается электрическая энергия, поступающая из сети в цепь с индуктивностью?

Тепловую

В какие моменты времени изменения тока в цепи индуцируется ЭДС самоиндукции?

При возрастании тока

Предварительный просмотр:

Задачи для аттестации учащихся 2 курса на 2019-2020 уч. год.

К источнику с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 1 Ом подключен реостат, сопротивление которого 5 Ом. Найти силу тока в цепи и напряжение на зажимах батарейки.

Измерение фокусного расстояния и оптической силы линзы на основе прямых измерений расстояний от линзы до предмета и изображения".

На какую высоту поднимется вода в капиллярной трубке радиусом 0,5 мм?

Плотность воды 1000 кг/м , коэффициент поверхностного натяжения воды 73 * 10 –3 Н/м.

Какую работу совершает электрический ток в электродвигателе за 30 мин., если сила тока в цепи 0,5 А, а напряжение на клеммах двигателя 12В?

Измерение показателя преломления вещества на основе прямых измерений углов падения и преломления.

Измерение ускорения свободного падения с использованием законов колебания математического маятника. Сравнение полученного результата с достоверным значением ускорения свободного падения.

Собрать действующую модель радиоприемника

Вычислите общее сопротивление участка цепи, изображённого , на рисунке, если R 1 = 6 Ом, R 2 = 3 Ом, R 3 = 5 Ом, R 4 = 24 Ом.

Какой изотоп образуется из 238 92 U после трёх α –распадов и двух β - распадов?

Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

Билет №11

Найдите амплитуду, период и частоту колебаний, представленных графиком.

Пронаблюдать действие магнитного поля на проводник с током. Сделать вывод о наблюдаемом явлении и возможности его практического применения.

При передаче газу количества теплоты 20000 Дж он совершил работу, равную 50000 Дж. Рассчитать изменение внутренней энергии газа. Что при этом произошло с газом?

Измерение относительной влажности воздуха

Определите давление воздуха в сосуде объёмом 2* 10 3 м 3 , если его масса 1,2* 10 -2 кг, температура 27°С, а молярная масса 0,029 кг/моль.

Чему равен период собственных колебаний в контуре, если его индуктивность равна 25 * 10 -4 Гн, а ёмкость 1,5 * 10 -6 Ф?

Определите импульс фотона излучения с длиной волны 6 * 10 –7 м. Какова масса
этого фотона?

С какой силой взаимодействуют два заряда по 10 нКл, находящиеся на расстоянии 3 см друг от друга?

Измерение (расчет) сопротивления резистора на основе прямых измерений силы тока и напряжения

Какой кинетической энергией обладают электроны, вырванные с поверхности цинка, при облучении её светом с частотой 6*10 16 Гц? Работа выхода электронов из цинка равна 4,2 эВ.

Вычислите массу меди, выделившейся за 1 час на катоде во время электролиза
медного купороса при силе тока 2 А. Электрохимический эквивалент меди 0,33*10 -6 кг/Кл.

ЭДС батареи 6 В. Внешнее сопротивление цепи равно 11,5 Ом, а внутреннее – 0,5 Ом. Найти силу тока в цепи и напряжение на зажимах батареи.

Измерение фокусного расстояния и оптической силы линзы на основе прямых измерений расстояний от линзы до предмета и изображения".

Спирт поднялся в капиллярной трубке на 1,2 см. найти радиус трубки.

Плотность спирта 790 кг/м 3 , коэффициент поверхностного натяжения спирта 22 * 10 –3 Н/м.

Какую работу совершает электродвигатель подъемного крана за 50 секунд, работающего под напряжением 380 В, если сила тока в его обмотке равна 20 А?

Определить общее сопротивление цепи, если R 1 = 7,9 Ом, R 2 = 1 Ом, R 3 = 2 Ом, R 4 = 3 Ом,

Какой изотоп образуется из 239 92 U после двух β –распадов и одного α - распада?

Найти амплитуду, период и частоту колебаний представленных графиком.

Над газом была совершена работа 75000 Дж, при этом его внутренняя энергия увеличилась на 25000 Дж. Получил или отдал тепло газ в этом процессе? Какое именно количество теплоты?

Какова температура 1,6 * 10 –2 кг кислорода, находящегося под давлением 10 6 Па и занимающего объем 1,6 * 10 –3 м 3 ? Молярная масса кислорода 0,032 кг/моль.

Найти период колебаний в контуре, емкость конденсатора в котором 7,47 * 10 –10 Ф, индуктивность катушки 9,41 * 10 -4 Гн.

На каком расстоянии друг от друга заряды 1 мкКл и 10 нКл взаимодействуют с силой

Рассчитайте сопротивление резистора на основе прямых измерений силы тока и напряжения.

Найти частоту света, которым освещается поверхность металла, если фотоэлектроны имеют кинетическую энергию 4,5 * 10 -19 Дж, а работа выхода электрона из металла равна 7,5 * 10 -19 Дж.

Амперметр, включенный в цепь с электрохимической ванной, показал 0,2 А. Правильно ли показания амперметра, если на катоде за 25 мин. выделилось 0,25 грамм серебра?

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Проводники электрического тока могут быть твердыми телами, жидкостями, а при выполнении ряда условий и газами.

Твердые металлические проводники по величине удельного сопротивления делятся на следующие группы:

– металлы и сплавы с высокой удельной электропроводимостью γ;

– металлы и сплавы со средним значением удельного электрического сопротивления ρ;

– металлы и сплавы с высоким значением ρ

Жидкие проводники делятся в зависимости от характера электропроводимости на два рода:

- проводники первого рода (электронная электропроводимость);

- проводники второго рода (электронно-ионная электропроводимость).

Газообразными проводниками можно считать высокоионизированные газы, т.е. вещества, переведенные в состояние плазмы.

Все проводниковые материалы делятся на металлические и неметаллические (модификации углерода - уголь, графит, угольно-графитовые композиции и высокоионизированные газы, электролиты) материалы.

По плотности металлы разделяют на легкие и тяжелые. К легким относят те металлы, плотность которых меньше 5 Мг/м 3 . Одним из наиболее легких металлов считается натрий, плотность которого меньше плотности воды. К тяжелым относят подавляющее большинство металлов, используемых в технике (железо, медь, никель, олово и др.).

ТВЕРДЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРОВОДНИКИ

Металлическая связь

Твердые металлические проводники характеризуются высокой электро- и теплопроводностью, что обусловлено особенностями металлической связи между атомами.

Металлические связи образуются в металлах и обусловлены особенностями поведения внешних (валентных) электронов. Атомы металлов обладают способностью отдавать внешние (валентные) электроны, превращаясь в положительный ион, или присоединять их вновь, превращаясь снова в нейтральный атом.

Внешние электроны, которые покидают атомы, становясь свободными, называются коллективизированными.

В результате металл представляет собой систему, состоящую из положительных ионов, которые находятся в среде коллективизированных электронов.

Рис.1. Строение металлического проводника

В этой системе одновременно имеют место притяжение между ионами и свободными электронами и ковалентная связь между нейтральными молекулами. Наличие этих связей определяет монолитность и прочность металлов.

Благодаря наличию свободных электронов металлы обладают высокой электро- и теплопроводностью. Металлическая связь в отличие от ковалентной не имеет направленного характера, что придает металлам высокую пластичность. Большинство металлов имеют высокие температуры плавления и кипения.

Типы решеток у металлов

В металле атомы расположены так, что образуют правильную кристаллическую решетку, что определяется минимальной энергией взаимодействия атомов. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой. Они бывают кубическая объемноцентрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

В гексагональной решетке атомы находятся в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома в средней плоскости призмы.

Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной решетке называют периодом решетки a. Обычно a =0,1 – 0,7нм.

Плотность кристаллической решетки характеризуется координационным числом – числом атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от рассматриваемого атома. Так у ОЦК решетки координационное число 8, его обозначают К8, у ГЦК – К12.

Благодаря разной плотности атомов в различных плоскостях и направлениях решетки в металлах наблюдается анизотропия свойств. Технические металлы являются поликристаллами, т.е. состоят из большого числа анизотропных кристаллов, которые статически неупорядоченно ориентированы по отношению друг к другу. То есть поликристаллическое тело является псевдоизотропным. Такой изотропности не будет, если кристаллы имеют преимущественную ориентацию (текстуру) в каком – либо направлении; например, за счет значительной холодной деформации.

Дефекты решетки металлов

Различают по геометрическим признакам: точечные, линейные, поверхностные.

Точечные дефекты:

Вакансии возникают при переходе атомов из узла решетки на поверхность или из-за испарения и реже в результате перехода в междоузлие. Тепловые вакансии характерны для поверхностного расположения атомов. С ростом температуры концентрация вакансий растет.

Такие дефекты влияют на проводимость, магнитные и другие свойства металлов.

Линейные дефекты

Чаще всего краевые и винтовые дислокации. Вокруг дислокации на протяжении нескольких межатомных расстояний возникают искажения решетки. Вектор Бюргера – критерий такого искажения – разность периметров контуров вокруг данного атома в плоскости удельной решетки и вокруг центра дислокации в реальной решетке.

Поверхностные дефекты

Эти дефекты малы только в одном измерении и представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами.

Кристаллизация металлов

Превращения из жидкого состояния в твердое характеризует кристаллизацию. При этом система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббса (свободная энергия) W_св.

При Т>Т_рав более устойчив жидкий металл. При ТТ_рав устойчивее твердое состояние. Т_рав – равновесная температура кристаллизации, когда сосуществуют обе фазы одновременно.

Кристаллизация начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации. Растущие кристаллы или зерна геометрически правильной формы переходят к неправильной. Минимальный размер зародыша, способного к росту при данной температуре, называется критическим. С повышением ΔТ размер такого зародыша уменьшается, как и работа, необходимая для его образования. Чем выше скорость образования зародышей и их роста, тем интенсивнее идет кристаллизация.

Размер зерна меняет механические свойства. Так вязкость и пластичность растет, если зерно малое. Размер зерна зависит от химического состава, наличия примесей.

Форма кристаллов различна в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще они имеют разветвленную форму (дендриты). Их можно обнаружить при специальном травлении шлифов особенно у литого металла (сплава). Столбчатые кристаллы нежелательны для стали, так как при ковке и других операциях возможны трещины. Многие металлы в зависимости от температуры могут иметь разные кристаллические формы (полиморфные модификации).

Электрический ток в металлах

Электрическим током в металлах называют упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.

Исходя из опытов, видно, что металлический проводник вещество не переносит, то есть ионы металла не участвуют в передвижении электрического заряда.

Носители тока в металлах

При исследованиях были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Еще в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси выдали первые качественные результаты. А в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт модернизировали имеющуюся методику и выполнили количественные измерения, которые доказывали, что движение электронов происходит под действием тока в металлических проводниках.

Рисунок 1 . 12 . 1 показывает схему Толмена и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие при помощи вращения вокруг своей оси. Ее концы были прикреплены к баллистическому гальванометру Г. Производилось резкое торможение катушки, что было следствием возникновения кратковременного тока, обусловленного инерцией носителя заряда. Измерение полного заряда производилось при помощи движения стрелок гальванометра.

Рисунок 1 . 12 . 1 . Схема опыта Толмена и Стюарта.

Во время торможения вращающейся катушки сила F = - m d υ d t , называемая тормозящей, действовала на каждый носитель заряда е . F играла роль сторонней силы, иначе говоря, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризующаяся единицей заряда, является напряженностью поля сторонних сил E с т :

E с т = - m e d υ d t .

То есть при торможении катушки происходит возникновение электродвижущей силы δ , равной δ = E с т l = m e d υ d t l , где l – длина проволоки катушки. Определенный промежуток времени процесса торможения катушки обусловлен протеканием по цепи заряда q :

q = ∫ I d t = 1 R ∫ δ d t = m e l υ 0 R .

Данная формула объясняет, что l – это мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ 0 – начальная линейная скорость проволоки. Видно, что определение удельного заряда e m в металлах производится, исходя из формулы:

Величины, находящиеся с правой стороны, можно измерить. Основываясь на результатах опытов Толмена и Стюарта, установили, что носители свободного заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя в его массе близко по значению удельного заряда электрона, получаемого в других опытах. Было выявлено, что электроны – это носители свободных зарядов.

Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, то есть элементарный заряд, равняется e = 1 , 60218 · 10 - 19 К л , а обозначение его удельного заряда – e m = 1 , 75882 · 10 11 К л / к г .

При наличии отличной концентрации свободных электронов есть смысл говорить о хорошей электропроводимости металлов. Это выявили еще перед опытами Толмена и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, создал электронную теорию проводимости металлов. Ее развил и расширил Х. Лоренц, после чего она получила название классическая электронная теория. На ее основании поняли, что электроны ведут себя как электронный газ, похожий на идеальный по своему состоянию. Рисунок 1 . 12 . 2 показывает, каким образом он может заполнить пространство между ионами, которые уже образовали кристаллическую решетку металла.

Рисунок 1 . 12 . 2 . Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов.

Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке

После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.

Высота такого барьера получила название работы выхода.

Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.

Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.

Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.

По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υ т ¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.

Комнатная температура дает значение, равное 10 5 м / с .

Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υ д ¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆ t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме S υ д ∆ t .

Количество таких е равняется n S υ д ∆ t , где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆ t через сечение проводника проходит заряд ∆ q = e n S υ д ∆ t .

Тогда I = ∆ q ∆ t = e n S υ д или υ д = I e n S .

Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 10 28 - 10 29 м - 3 .

Формула дает возможность оценить среднюю скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0 , 6 - 6 м м / с для проводника с сечением 1 м м 2 и проходящим током в 10 А .

Средняя скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υ т их теплового движения υ д ≪ υ т .

Рисунок 1 . 12 . 3 демонстрирует характер движения свободного е , находящегося в кристаллической решетке.

Рисунок 1 . 12 . 3 . Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υ д ¯ ∆ t сильно преувеличены.

Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c = 3 · 10 8 м / с . По прошествии времени l c ( l - длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.

Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.

Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.

Закон Ома

В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю e E , в результате чего получает ускорение e m E .

Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле

υ д = υ д m a x = e E m τ .

Время свободного пробега обозначается τ . Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υ д равняется половине максимального значения:

υ д = 1 2 υ д m a x = 1 2 e E m τ .

Если имеется проводник с длиной l , сечением S с концентрацией электронов n , тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:

I = e n S υ д = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U .

U = E l – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:

R = 2 m e 2 n τ l S .

Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:

ρ = 2 m e 2 n τ ; ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m .

Закон Джоуля-Ленца

Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией

1 2 m ( υ д ) m a x 2 = 1 2 e 2 τ 2 m E 2 .

Исходя из предположений, энергия при соударениях передается решетке, а в последствии переходит в тепло.

Время ∆ t каждого электрона испытывается ∆ t τ соударений. Проводник с сечение S и длиной l имеет n S l электронов. Тогда выделившееся тепло в проводнике за ∆ t равняется

∆ Q = n S l ∆ t τ e 2 τ 2 2 m E 2 = n e 2 τ 2 m S l U 2 ∆ t = U 2 R ∆ t .

Данное соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Благодаря классической теории, имеет место трактовка существования электрического сопротивления металлов, то есть законы Ома и Джоуля-Ленца. Классическая электронная теория не в состоянии ответить на все вопросы.

Она не способна объяснить разницу в значении молярной теплоемкости металлов и диэлектрических кристаллов, равняющейся 3 R , где R записывается как универсальная газовая постоянная. Теплоемкость металла не зависит от количества свободных электронов.

Классическая электронная теория не объясняет температурную зависимость удельного сопротивления металлов. По теории ρ ~ T , а исходя из экспериментов – ρ ~ T . Примером расхождения теории с практикой служит сверхпроводимость.

Сопротивление металлического проводника

Исходя из классической теории, удельное сопротивление металлов должно постепенно уменьшаться при понижении температуры, причем остается конечным при любой T . Данная зависимость характерна для проведения опытов при высоких температурах. Если T достаточно низкая, тогда удельное сопротивление металлов теряет зависимость от температуры и достигает предельного значения.

Особый интерес представило явление сверхпроводимости. В 1911 году его открыл Х. Каммерлинг-Оннес.

Если имеется определенная температура T к р , различная для разных веществ, тогда удельное сопротивление уменьшается до нуля с помощью скачка, как изображено на рисунке 1 . 12 . 4 .

Критической температурой для ртути считается значение 4 , 1 К , для алюминия – 1 , 2 К , для олова – 3 , 7 К . Наличие сверхпроводимости может быть не только у элементов, но и у химических соединений и сплавов. Ниобий с оловом Ni 3 Sn имеют критическую точку температуры в 18 К . Существуют вещества, которые при низкой температуре переходят в сверхпроводящее состояние, тогда как в обычных условиях ими не являются. Серебро и медь являются проводниками, но при понижении температуры сверхпроводниками не становятся.

Рисунок 1 . 12 . 4 . Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Сверхпроводящее состояние говорит об исключительных свойствах вещества. Одним из важнейших является способность на протяжении длительного времени поддерживать электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, без затухания.

Классическая электронная теория не может объяснить сверхпроводимость. Это стало возможным спустя 60 лет после его открытия, основываясь на квантово-механических представлениях.

Рост интереса к данному явлению увеличивался по мере появления новых материалов, способных обладать высокими критическими температурами. В 1986 было обнаружено сложное соединение с температурой T к р = 35 К . На следующий год сумели создать керамику с критической Т в 98 К , которая превышала Т жидкого азота ( 77 К ) .

Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при Т , превышающих температуру кипения жидкого азота, называют высокотемпературной сверхпроводимостью.

Позже в 1988 году создали Tl - Ca - Ba - Cu - O соединение с критической Т , достигающей 125 К . На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями T к р . Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике. До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.

Электрические цепи постоянного тока
методическая разработка на тему

• производить преобразование цепей с последовательным, параллельным и смешанным соединением элементов.

Для того чтобы изучить данную тему, Вы должны:

• иметь представление о режимах работы электрических цепей постоянного тока;

• знать: единицы измерения тока, напряжения, сопротивления, мощности; закон Ома для участка и полной цепи; закон Джоуля-Ленца; законы Кирхгофа.

Рекомендуемые дополнительные информационные ресурсы

1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники.- М.: Высшая школа, 2010.

2. Евдокимов Ф.Е. Общая электротехника.- М.: Высшая школа, 2014.

3. Синдеев Ю.Г. Электротехника с основами электроники – Ростов н/Д: Феникс, 2014.

Электрическая цепь и ее элементы.

Электрический ток, его величина, направление, единицы измерения.

Физические основы работы источника электродвижущей силы (ЭДС).

Закон Ома для участка и полной цепи.

Электрическое сопротивление и электрическая проводимость, единицы измерения. Зависимость электрического сопротивления от температуры.

Работа и мощность электрического тока. Преобразование электрической энергии в тепловую, закон Джоуля-Ленца. Использование электронагревательных приборов. Токовая нагрузка проводов и защита их от перегрузок.

Режимы работы электрической цепи.

Виды соединений приемников энергии. Законы Кирхгофа. Понятие о расчете электрических цепей.

1. Электрическая цепь и ее элементы.

Электрическая цепь - это совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи, преобразования и использования электрического тока.
Все электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три большие группы:

• Источники энергии, т.е. устройства, вырабатывающие электрический ток (генераторы, термоэлементы, фотоэлементы, химические элементы).

• Приемники, или нагрузка, т.е. устройства, потребляющие электрический ток (электродвигатели, электролампы, электромеханизмы и т.д.)

• Проводники, а также различная коммутационная аппаратура (выключатели, реле, контакторы и т.д.).

Для работы электрической цепи необходимо наличие источников энергии. В любом источнике за счет сторонних сил неэлектрического происхождения создается электродвижущая сила. На зажимах источника возникает разность потенциалов или напряжение, под воздействием которого во внешней, присоединенной к источнику части цепи, возникает электрический ток.
Различают активные и пассивные цепи, участки и элементы цепей. Активными называют электрические цепи, содержащие источники энергии, пассивными - электрические цепи, не содержащие источников энергии.

Электрическую цепь называют линейной, если ни один параметр цепи не зависит от величины или направления тока, или напряжения.

Электрическая цепь является нелинейной, если она содержит хотя бы один нелинейный элемент. Параметры нелинейных элементов зависят от величины или направления тока, или напряжения.

Электрическая схема - это графическое изображение электрической цепи, включающее в себя условные обозначения устройств и показывающее соединение этих устройств. На рис. 1.1 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии, электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.

Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения.
Схема замещения - это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов. На рисунке 1.2 показана схема замещения.

Простейшими пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность и емкость.

В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д. Общим свойством всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве. В схеме замещения во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление.

2. Электрический ток, его величина, направление, единицы измерения.

Электрический ток – направленное движение заряженных частиц.

Электрический ток в проводнике – это направленное движение электронов.

Электрический ток определяет количества электричества проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Сила тока – физическая величина, показывающая заряд, проходящий через проводник за единицу времени. Математически это определение записывается в виде формулы:

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E → включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E 0 → и внутреннее поле E ' → которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Проводники

Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.

Если внешнее поле отсутствует, то в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд будет компенсироваться положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, который внесен в электрическое поле, произойдет перераспределение свободных зарядов, следствием чего будет возникновение на поверхности проводника нескомпенсированных положительных и отрицательных зарядов (рис. 1 . 5 . 1 ). Описанный процесс носит название электростатической индукции, а возникающие на поверхности проводника заряды называют индукционными зарядами.

Индукционными зарядами создается свое собственное поле E ' → и оно компенсирует внешнее поле E 0 → во всем объеме проводника: E → = E 0 → + E ' → = 0 (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника есть нуль, а потенциалы во всех точках являются одинаковыми и равными потенциалу на поверхности проводника.

Рисунок 1 . 5 . 1 . Электростатическая индукция.

Все внутренние области проводника, который внесен в электрическое поле, остаются электронейтральными. Удаление некоторого объема, выделенного внутри проводника, а соответственно образование пустой полости, приведет к тому, что электрическое поле внутри полости станет равным нулю. На этом основана электростатическая защита – приборы, имеющие чувствительность к электрическому полю в целях исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Рисунок 1 . 5 . 2 . Схема электростатической защиты. Поле в металлической полости равно нулю.

Поскольку поверхность проводника эквипотенциальна, необходимо, чтобы силовые линии у поверхности являлись перпендикуляром к ней.

Диэлектрики

Диэлектрики (изоляторы) отличаются от проводников тем, что не имеют свободных электрических зарядов. Диэлектрики включают в себя нейтральные атомы или молекулы. Заряженные частицы в нейтральном атоме являются связанными друг с другом и не имеют способности к перемещению под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

Внесение диэлектрика во внешнее электрическое поле E 0 → вызовет возникновение в нем некоторого перераспределения зарядов, которые входят в состав атомов или молекул. Следствием этого перераспределения является появление на поверхности диэлектрического образца избыточных нескомпенсированных связанных зарядов. Все заряженные частицы, которые образуют макроскопические связанные заряды, все так же входят в состав своих атомов.

Связанные заряды образуют электрическое поле E ' → направленное внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности E 0 → внешнего поля: данный процесс носит название поляризации диэлектрика.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E → = E 0 → + E ' → = 0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E 0 → .

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, которая есть отношение модуля напряженности E 0 → внешнего электрического поля, создаваемого в вакууме, к модулю напряженности E → полного поля в однородном диэлектрике.

Известно несколько механизмов поляризации диэлектриков: основные - это ориентационная и электронная поляризации. Проявление этих механизмов происходит в основном при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация появляется, когда полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых имеет место несовпадение центов распределения положительных и отрицательных зарядов. Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи.

Микроскопические электрические диполи – это нейтральная совокупность двух зарядов, являющихся равными по модулю и противоположными по знаку, расположенных на расстоянии друг от друга.

К примеру, дипольный момент имеет молекула воды, а также молекулы некоторых прочих диэлектриков ( H 2 S , N O 2 и т. д.).

Когда внешнее электрическое поле отсутствует, оси молекулярных диполей по причине теплового движения имеют хаотичную ориентацию, в связи с чем на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем является равным нулю.

Если внести диэлектрик во внешнее поле E 0 → , возникнет частичная ориентация молекулярных диполей. Вследствие этого поверхность диэлектрика получит нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E ' → направленное навстречу внешнему полю E 0 → (рис. 1 . 5 . 3 ).

Рисунок 1 . 5 . 3 . Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика.

Поляризация полярных диэлектриков обладает сильной зависимостью от температуры, поскольку тепловое движение молекул выступает в качестве дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм возникает при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не имеют при отсутствии внешнего поля дипольного момента. Электрическое поле, воздействуя на молекулы неполярных диэлектриков, вызывает их деформацию – положительные заряды смещаются в направлении вектора E 0 → а отрицательные – в противоположном направлении. В итоге каждая молекула становится электрическим диполем, ось которого имеет направление вдоль внешнего поля. Поверхность диэлектрика получает нескомпенсированные связанные заряды, которые создают свое поле E ' → имеющее направление навстречу внешнему полю E 0 → Таким образом происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1 . 5 . 4 ).

Деформация неполярных молекул, испытывающих влияние внешнего электрического поля, не имеет зависимости от теплового движения, т.е. поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.

В качестве примера неполярной молекулы можно рассмотреть молекулу метана C H 4 , в которой четырехкратно ионизированный ион углерода C 4 – расположен в центре правильной пирамиды; в вершинах этой пирамиды - ионы водорода H + . Наложение внешнего электрического поля вызовет смещение иона углерода из центра пирамиды: в этом случае у молекулы возникнет дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Рисунок 1 . 5 . 4 . Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E ' → связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E 0 → . В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 10 10 – 10 12 В / м . При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.

Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла N a C l , в котором ионы N a + и C l – составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла N a C l является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.

Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E ' → связанных зарядов и полное поле E → будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E → точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:

В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q , напряженность электрического поля E → этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:

Читайте также: