Енергія електричного поля

Згідно з теорією близькодії вся енергія взаємодії заряджених тіл сконцентрована в електричному полі цих тіл. Отже енергія може бути виражена через основну  характеристику поля – напруженість.

 

Електричний струм. Умови існування електричного струму. Сила струму. Закон Ома для ділянки кола. Опір провідників. Послідовне та паралельне зєднання провідників. Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола. Робота і потужність електричного струму

Електричний струм

 

 

Сила струму

Закон Ома для ділянки кола. Опір та електропровідність.

 

 

Джерела струму. ЕРС.

 

Закон Ома для повного кола

 

Робота і потужність струму. Закон Джоуля-Ленца.

 

Послідовне та паралельне зєднання провідників.

Електричний струм в металах. Електронна провідність металів. Залежність опору металів від температури. Надпровідність.

Електронна провідність металів.Рух електронів в металах.

   

Носіями вільних зарядів у металах є електрони. Концентрація їх велика– порядку 10²⁶ в одному м³. Ці електрони беруть участь у хаотичному тепловому русі. Під впливом електричного поля вони починають пересуватися упорядковано із середньою швидкістю порядку 10^-4 м/с.

    Електрони під впливом сталої сили, що діє на них з боку електричного поля, набувають певної швидкості впорядкованого руху. Ця швидкість з часом не збільшується, оскільки з боку іонів кристалічної рішітки на електрони діє деяка гальмівна сила. Ця сила подібна до сили опору, що діє на камінь, коли він тоне у воді. В результаті середня швидкість упорядкованого руху електронів пропорційна напруженості електричного поля в провіднику υ~E і, отже, різниці потенціалів на кінцях провідника, бо Е = U/l, де l – довжина провідника.

    Ми знаємо, що сила струму в провіднику пропорційна швидкості впорядкованого руху частинок I = q₀n υS, тому можна сказати, що сила струму пропорційна різниці потенціалів на кінцях провідника: І~ U. У цьому полягає якісне пояснення закану Ома на основі електронної теорії провідності металів.

    Побудувати задовільну кількісну теорію руху електронів у металі на основі законів класичної механіки не можна. Умови руху електронів у металі такі, що класичну механіку Ньютона не можна застосовувати для опису цього руху. Найбільш наочно це видно з такого прикладу.

    Якщо експерементально визначити середню кінетичну енергію теплового руху електронів у металі при кімнатній температурі і знайти температуру, що відповідає цій енергії, за формулою mυ² ₌ 3 kT, то ця температура буде порядку 10⁵ – 10⁶ К. Така температура існує всередині зір. Рух електронів у металі підлягає законам квантової механіки.

 

Залежність опору провідника від температури.

 

Із зміною температури опір провідника змінюється.

 

Якщо при 0⁰С опір провідника дорівнює R₀ а при температурі t він дорівнює R, то відносна зміна опору прямо пропорційна зміні температури t:

Коефіцієнт пропорційності  α  називають температурним коефіцієнтом опору. Він характеризує залежність опору речовини від температури. Температурний коефіцієнт опору дорівнює відносній зміні опору провідника при нагріванні на 1 К.

      Для всіх металевих провідників  α>0 і дуже мало змінюється зі зміною температури. Якщо інтервал зміни невеликий, то температурний коефіцієнт можна вважати сталим, що дорівнює його середньому значенню на цьому інтервалі температур.  У чистих металів

            α ~1/273 К ^-1.

    У розчині електролітів опір з підвищенням температури не збільшується, а зменшується. Для них α<0. Наприклад для 10%-ного розчину кухонної солі α = - 0,02 К ^-1.

   Від нагрівання геометричні розміри провідника мало змінюються. Його опір змінюється в основному внаслідок зміни питомого опору.

R =  ρ l/ S і R₀ = ρ₀ l/ S, тоді      ρ = ρ₀ (1 + α t )

 

Оскільки α  мало змінюється зі зміною температури,   то вважають, що питомий   опір лінійно залежить від температури.