17 Классическая теория электропроводности металлов

В 1900 ᴦ. Друде и Лоренц предложили электронную теорию проводимости металлов, в которой совокупность свободных электронов воспринимается как некоторый идеальный газ, к которому применимы законы идеальных газов. Электроны участвуют в двух видах движения˸ хаотическом тепловом и направленном упорядоченном, обусловленном действием внешнего электрического поля. В электрическом поле электрон движется ускоренно и при соударении с атомом кристаллической решетки передает ему кинœетическую энергию упорядоченного движения, получаемую им от поля на расстоянии свободного пробега < ℓ>, ᴛ.ᴇ. , между двумя последовательными соударениями. С помощью этой теории были получены законы Ома и Джоуля-Ленца и выяснена физическая природа удельной электропроводности , величина которой определяется концентрацией свободных электронов n, расстоянием между атомами в металле < ℓ> и средней скоростью теплового движения <υ> электронов. При этом, теория Друде-Лоренца не смогла объяснить температурную зависимость электрического сопротивления в металлах. Действительно, в случае если вспомнить, что , а , то для удельного сопротивления проводника получается . Опыт показывает, что сопротивление от температуры зависит линœейно˸ . Вместе с тем, классическая теория электропроводности не смогла объяснить явление сверхпроводимости, отсутствие различия в теплоемкостях диэлектриков и металлов. Все это удалось объяснить лишь после создания квантовой физики.

18. Зависимость сопротивления металлов от температуры.

В разумных температурных пределах вокруг некоторой точки зависимость удельного сопротивления металлов от температуры описывается как:

ΔR = α*R*ΔT, где α - температурный коэффициент электрического сопротивления.

19.Магнитное поле. Закон Ампера.

Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю

Формулировка закона: сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником. 

Если размер проводника произволен, а поле неоднородно, то формула выглядит следующим образом: 

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки.

Правило левой руки : если расположить левую руку так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а четыре пальца были вытянуты по направлению тока в проводнике, то отставленный на 90° большой палец, укажет направление силы Ампера.

 

20.Напряженность магнитного поля

Напряженность магнитного поля можно определить с помощью силы, которая действует на помещенный в поле пробный магнит. Так как магнитные полюсы не существуют по отдельности, на северный и южный полюсы пробного магнита действуют противоположно направленные силы, и возникает момент пары сил. Этот момент характеризует величину напряженности поля в данном месте.

Магнитное поле характеризуется напряженностью. Напряженность H магнитного поля аналогична механической силе. Она является векторной величиной, т. е. имеет величину и направление.

Магнитное поле, т. е. пространство вокруг магнита, можно представить заполненным магнитными линиями, которые принято считать выходящими из северного полюса магнита и входящими в южный (рис. 1). Касательные к магнитной линии показывают направление напряженности магнитного поля. 

Напряженность магнитного поля больше там, где магнитные линии гуще (на полюсах магнита или внутри катушки с током).

Магнитное поле около проводника (или внутри катушки) тем больше, чем больше ток I и число витков ω катушки.

Напряженность магнитного поля H в любой точке пространства тем больше, чем больше произведение I∙ω и чем меньше длина магнитной линии:

H=(I∙ω)/l.

Из уравнения следует, что единицей измерения напряженности магнитного поля является ампер на метр (А/м). 

Для каждой магнитной линии в данном однородном поле произведения H1∙l1=H2∙l2=...=H∙l=I∙ω равны

21. Напряженность магнитного поля. Магнитное поле– это одна из форм проявления электромагнитного поля, особенностью которого является то, что это поле действует только на движущиеся частицы и тела, обладающие электрическим зарядом, а также на намагниченные тела. Магнитное поле создается проводниками с током, движущимися электрическими заряженными частицами и телами, а также переменными электрическими полями.  Силовой характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции В  поля созданного одним зарядом в вакууме: Еще одной характеристикой магнитного поля являетсянапряженность.Напряженностью магнитного поля называют векторную величину Н , характеризующую магнитное поле и определяемую следующим образом: Напряженность магнитного поля зарядаq, движущегося в вакууме равна: , в катушке:Н=In/L где n-число витков,L-длина катушки,вокруг прямолинейного проводника:H=I/2Pi*r, в центре витка с током:H=I/2r

22.Закон Био-Савара-Лапласа и его применение: вектор индукции магнитного поля, созданного элементом проводника dL, по которому течет ток I, имеет вид: где r– радиус-вектор, проведенный от элемента dL до той точки, в которой определяется индукция поля; – магнитная постоянная.В скалярной формегдеa– угол между векторами dL и r.Индукция магнитного поля в произвольной точке А, созданного отрезком проводника с током I конечной длины, где r₀ – расстояние от т. А до проводника; a – углы, образованные радиус-вектором, проведенном в т.А соответственно из начала и конца проводника, с направлением тока.Магнитная индукция поля в центре кругового тока радиусом RИндукция магнитного поля в произвольной т. А, созданного бесконечно длинным прямым проводником с током, Закон полного тока: циркуляция вектора B по замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуромПринцип суперпозиции магнитных полей: магнитная индукцияB в любой точке магнитного поля проводника с током равна векторной сумме магнитных индукций dB, созданных в этой точке всеми элементами dL проводника с током, т. е.

23. Магнитная индукция -векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле.Вектор магнитной индукции всегда направлен по касательной к магнитной линии(тесла)где F- сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током ( H );I - сила тока в проводнике ( A );l - длина проводника ( м ).Контур, помещенный в однородное магнитное поле, пронизывается магнитным потоком ( потоком векторов магнитной индукции). Ф - магнитный поток, пронизывающий площадь контура, зависит от величины вектора магнитной индукции, площади контура и его ориентации относительно линий индукции магнитного поля.Если вектор магнитной индукции перпендикулярен площади контура, то магнитный потокмаксимальный.

Если вектор магнитной индукции параллелен площади контура, то магнитный поток равен нулю.

24.Поток вектора магнитной индукции.Потоком вектора магнитной индукции называется скалярная физическая величинагде B_n=Вcosα - проекция вектора В на направление нормали к площадке dS (α — угол между векторами n и В), dS=dSn — вектор, у которого модуль равен dS, а направление его совпадает с направлением нормали n к площадке. Поток вектора В может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знака cosα (задается выбором положительного направления нормали n). Поток вектора В обычно связывают с контуром, по которому течет ток. В этом случае положительное направление нормали к контуру нами задавалось: оно связывается с током правилом правого винта. Значит,магнитный поток, который создается контуром, через поверхность, ограниченную им самим, всегда положителен. Поток вектора магнитной индукции Ф_B через произвольную заданную поверхность S равен Для однородного поля и плоской поверхности, которая расположена перпендикулярно вектору В, B_n=B=const и (вебер Вб) Теорема Гаусса для поля В: поток вектора магнитной индукции сквозь любую замкнутую поверхность равен нулю:  Эта теорема является отражением факта, что магнитные заряды отсутствуют, вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми.  25.Сила Ампера. На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равнаяF = I·L·B·sina.I - сила тока в проводнике;B - модуль вектора индукции магнитного поля;L - длина проводника, находящегося в магнитном поле;a - угол между вектором магнитного поля инаправлением тока в проводнике.Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.

26.Работа сил Ампера. Работа при перемещении проводника с током в магнитном поле совершается за счет энергии источника тока. Если проводник, сила тока I в котором поддерживается постоянной, совершает конечное перемещение из положения 1 в положение 2, то работа сил при таком перемещении. Работа сил для замкнутого контурагде Ф-магнитный поток.

27.Сила Лоренца. Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущиеся в нем заряды, называют силой Лоренца.F_л = q·V·B·sina,где q - величина движущегося заряда;V - модуль его скорости; B - модуль вектора индукции магнитного поля;a - угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.Сила Лоренца перпендикулярна скорости и поэтому она не совершает работы, не изменяет модуль скорости заряда и его кинетической энергии. Но направление скорости изменяется непрерывно

Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и v , и её направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера: если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца F л.

Сила Лоренца зависит от модулей скорости частицы и индукции магнитного поля. Эта сила перпендикулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ускорение частицы. Частица равномерно движется по окружности радиуса r.

28.Электоромагнитная индукция Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем в 1831 г. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур.Ф=В*S*cosa

где B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором  B и нормалью n к плоскости контура. Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции E равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус: E=-∆Ф/∆t(з. Фарадея)

Опыт показывает, что индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

29.Законы Фарадея и Ленца. Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.Электромагнитная индукция была открыта Фарадеем. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура в магнитном поле.Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.З.Фарадея: ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, взятой с обратным знаком : E=-∆Ф/∆t. Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца:Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

30.Самоиндукция. При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке. Явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией. В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствует нарастанию силы тока при включении и убыванию силы тока при выключении цепи.  ЭДС самоиндукции , возникающая в катушке с индуктивностью L, по закону электромагнитной индукции равна ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в катушке.

31.Индуктивность— коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность^[1], краем которой является этот контур:Ф=L*I где Ф-магнитный поток, I-сила тока в контуре, L- индуктивность.Через индуктивность выражается ЭДС самоиндукции в контуре, возникающая при изменении в нём тока Из этой формулы следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции (в вольтах), возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за1 с.При заданной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током

31диамагнетизм (англ. diamagnetism) — (от греч. "диа" - расхождение) — свойство тел намагничиваться в направлении, противоположном действующему на них внешнему магнитному полю.