Розв’язання типових задач
Задача
№1.
Знайтдіть залежність коефіцієнту
від вектору поляризації довільного
пучка.
Розв’язання.
Враховуючи, що
і
.
Відповідь:
Задача №2. Яке значення дивергенції вектора, якщо значення заряду становить 100 клон.
Теоретичні питання
1. З якою швидкістю рухаються електрони в провіднику?
2. Скільки вільних електронів може поміститись в одному сантиметрі кубічному?
3. Що таке неполярні діелектрики?
4. Коли виникає ефект надпровідності?
5. Що таке п’єзоелектрик?
6. Сегнетоелектрик – це…?
7. Чим діелектрики відрізняються від напівпровідників?
Практичні завдання
Задача №1 Побудуйте графік залежності провідності напівпровідника від температури.
Задача №2 Два заряди один із яких в чотири рази більший від другого, находячись в вакуумі на відстані 0,1м взаємодіють з силою 10 Н. Визначте Значення дивергенції.
ЛІТЕРАТУРА
Основна: [1].
Додаткова: [1,2].
МІСЦЕ ДЛЯ НОТАТОК
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Лекція 17. Постійний електричний струм
Постійний струм — це електричний струм, який є незмінним в часі. Необхідно відзначити деяку некоректність терміну постійний струм: насправді для постійного струму незмінним є перш за все значення напруги (вимірюється у вольтах), а не значення струму (вимірюється в амперах), хоча значення струму також може бути незмінним. Тому термін постійний струм слід розуміти як постійну напругу. Далі використовуватимемо термін саме в цьому значенні.
Використовування терміну постійний струм (так само, як і змінний струм) підкреслює «силовий» характер даного сигналу, тобто це електричний сигнал, що передає потужність, призначений для живлення електричних пристроїв. У інших значеннях використовують точніші терміни: напруга, сигнал тощо. Нерідко цим терміном називають також електричний струм, який з часом може і змінюється за величиною, але не змінюється за напрямом (наприклад, пульсуючий електричний струм). Останнє обумовлюється можливістю розкладу одержуваного сигналу в ряд Фур'є, у якого постійна складова буде не нульова.
Постійний струм широко використовується в техніці: переважна більшість електронних схем як живлення використовує постійний струм. Змінний струм використовується переважно для зручнішої передачі від генератора до споживача.
Простим джерелом постійного струму є хімічне джерело (гальванічний елемент або акумулятор), оскільки полярність такого джерела не може мимовільно змінитися. Для отримання постійного струму використовують також електричні машини — генератори постійного струму. У електронній апаратурі, що живиться від мережі змінного струму, для отримання пульсуючого струму використовують випрямляч. Далі для зменшення пульсацій може бути використаний згладжувальний фільтр і, при необхідності, стабілізатор напруги.
Під час руху електричних зарядів порушується їхній рівномірний розподіл; поверхня провідника вже не є еквіпотенціальною поверхнею. Всередині провідника повинно бути електричне поле. Переміщення електричних зарядів – електричний струм – продовжується доти, доки всі точки провідника не будуть еквіпотенціальними.
Для появи й існування електричного струму треба, щоб виконувалися дві умови:
перша – наявність у даному середовищі вільних електричних зарядів. Такими зарядами в металах є електрони провідності; у газах – позитивні іони й електрони;
друга – наявність у даному середовищі електричного поля, енергія якого витрачалась б на переміщення електричних зарядів.
Щоб струм був тривалим, енергія електричного поля повинна весь час поповнюватись, тобто потрібен такий пристрій, в якому би певний вид енергії безперервно перетворювався в енергію електричного поля. Такий пристрій називається джерелом електрорушійної сили, або джерелом струму.
За напрямок електричного струму умовно приймають напрямок руху позитивних електричних зарядів.
Кількісною мірою електричного струму служить сила струму – скалярна фізична величина, яка числово дорівнює електричному заряду, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу:
.
Якщо сила струму і його напрямок з часом не змінюються, то струм називається постійним. Тоді
.
Звідси
.
Щоб струм був постійний, треба, щоб в кожній частині провідника заряди не нагромаджувались і не зникали. Тому коло постійного струму повинно бути замкненим.
Для
характеристики розподілу електричного
струму по перерізу провідника вводять
вектор густини
струму
.
Вектор
напрямлений
вздовж струму і числово дорівнює силі
струму, який проходить через одиницю
площі перерізу провідника, який проведений
перпендикулярно до напрямку струму:
.
Повна сила струму у провіднику
.
Виразимо
силу і густину струму через швидкість
впорядкованого
руху зарядів у провіднику. За час dt
через поперечний переріз S
переноситься заряд
.
Сила струму
,
отже, густина струму:
.
У джерелі електрорушійної сили на електрони повинні діяти сили неелектростатичного походження, які називаються сторонніми.
Головне
поняття розділу "Закони постійного
струму" - "постійний електричний
струм" (рис.4.2.1). Важливо зрозуміти,
що електричний струм, зокрема в металах,
це не безперервний рух електронів по
електричному колу від його початку
(джерела) до кінця (споживача), а напрямлений
"дрейф" в одному напрямі одночасно
(одразу після замикання кола) всіх
електронів по всьому об'єму з'єднувальних
провідників. Це "пожвавлення"
електронів відбувається миттєво скрізь
вздовж кола через велику швидкість
поширення електричного поля (c 
3·10
8 м/с), що
діє на вільні електрони металу, з якого
виготовлені з'єднувальні провідники.
Вивчати матеріал цього розділу потрібно починати з поняття електричного заряду, який, рухаючись напрямлено в електричному полі, сприяє проходженню струму в замкненому колі. Сила струму залежить від величини заряду, що проходить через поперечний переріз провідників у колі за одиницю часу.
Такому напрямленому рухові носіїв заряду можуть чинитися перешкоди, вплив яких виражає опір провідника. Унаслідок проходження струму на кінцях провідника виникає різниця потенціалів (напруга). Кількісне співвідношення між характеристиками електричного кола виражає закон Ома для ділянки кола.
Електричні кола складаються з послідовно з'єднаних провідників і паралельного їх з'єднання. Під час впорядкованого руху заряджених частинок у провіднику електричне поле виконує роботу. Якщо на ділянці кола не виконується механічна робота і струм не чинить хімічних дій, то відбувається тільки нагрівання провідника з виділенням кількості теплоти навколишнім тілам, яку розраховують за законом Джоуля-Ленца.
Будь-який електричний прилад, лампочка, електродвигун розраховані на використання певної енергії за одиницю часу. Тому поряд з роботою струму важливе значення має поняття потужності струму.
Оскільки проходження струму по провідниках супроводжується виділенням енергії, то в будь-якому колі має бути якесь джерело енергії, що надсилає її в коло. У цьому джерелі, крім кулонівських сил, обов'язково мають діяти сторонні, не потенціальні сили. Дія сторонніх сил характеризується важливою фізичною величиною - ЕРС.
У замкненому колі, що складається із джерела струму із внутрішнім опором r і резистора (провідника) опором R, ЕРС дорівнює сумі спадів напруг на цих опорах. Взаємозв'язок цих характеристик кола виражає закон Ома для повного кола.
Для розв'язування задач з цієї теми рекомендуємо:
- зобразити електричну схему, показати на ній всі елементи електричного кола і напрями струмів;
- визначити у разі потреби точки з рівними потенціалами, враховуючи при цьому, що сила струму між такими точками електричного кола не проходить;
- у складному електричному колі виділити ділянки послідовного та паралельного з'єднання провідників, спростити схему, замінити окремі ділянки еквівалентними їм у відношенні до опору;
- з'ясувати суть описаних в задачі явищ, визначити, що саме в цій ситуації слід розуміти під корисною потужністю чи роботою і чи можна знехтувати втратами потужності в підвідних провідниках;
- використати основні відношення між величинами, виконати алгебраїчні перетворення і визначити шукану величину.
Таким чином дана лекція містить найважливіші прикладні питання: електричний струм, закон Ома для ділянки кола, опір провідників, робота і потужність постійного струму, а також відомості про сторонні сили й ЕРС, закон Ома для повного кола.
При послідовному з'єднанні провідників сила струму в будь-яких частинах кола одна й та ж:
Повна напруга в колі при послідовному з'єднанні, або напруга на полюсах джерела струму, дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола:
Загальний опір усієї ланки кола дорівнює сумі опорів
При паралельному з'єднанні падіння напруги між двома вузлами, що поєднують елементи кола, однакове для всіх елементів. При цьому величина, зворотня загальному опору кола, дорівнює сумі величин, обернених опорам паралельно включених провідників. Сила струму в нерозгалуженій частині кола дорівнює сумі сил струмів в окремих паралельно з'єднаних провідниках:
Напруга на ділянках кола і на кінцях всіх паралельно з'єднаних провідників одна й та ж:
Опір ділянки визначається із рівняння і є сумою провідностей
