Энергия заряженного конденсатора

Если на обкладках конденсатора электроемкостью С находятся электрические заряды +q и -q, то согласно формуле (20.1) напряжение между обкладками конденсатора равно

В процессе разрядки конденсатора напряжение между его обкладками убывает прямо пропорционально заряду q от первоначального значения U до 0.

Среднее значение напряжения в процессе разрядки равно

Для работы А, совершаемой электрическим полем при разрядке конденсатора, будем иметь:

Следовательно, потенциальная энергия W_p конденсатора электроемкостью С, заряженного до напряжения U, равна

Энергия конденсатора обусловлена тем, что электрическое поле между его обкладками обладает энергией. Напряженность Е поля пропорциональна напряжению U, поэтому энергия электрического поля пропорциональна квадрату его напряженности.

Билет 29

Электри́ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки Условия: 1.наличие свободных носителей зарядов, 2. наличие разности потенциалов 3. замкнутая цепь, 4. источник сторонних сил, который поддерживает разность потенциалов. характерезуется плотностью,силой и мощностью

1. наличие свободных носителей зарядов, 2. наличие разности потенциалов. это условия возникновения тока. чтобы ток существовал необходимы еще: 3. замкнутая цепь, 4. источник сторонних сил, который поддерживает разность потенциалов.

а) Источники тока.

На столе находятся специальные устройства. Как они называются? Для чего они нужны?

Ответ: Это гальванические элементы, аккумулятор, генератор - общее название источники тока. Они необходимы для подачи электрической энергии, создают электрическое поле в проводнике.

Мы знаем, что существуют заряженные частицы, электроны и протоны, знаем, что существуют устройства, которые называются источниками тока.

Как вы считаете, что такое электрический ток?

Ответ: Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.

б) Действия электрического тока.

Скажите, как мы можем понять, что в цепи существует электрический ток, по каким действиям?

Ответ: Электрический ток оказывает различные виды действия:

• Тепловое – проводник по которому идет электрический ток нагревается (электроплита, утюг, лампа накаливания, паяльник).

• Химическое действие тока можно наблюдать при пропускании электрического тока через раствор медного купороса – выделение меди из раствора купороса, хромирование, никелирование.

• Физиологическое – сокращение мышц человека и животных, по которым прошел электрический ток.

• Магнитное – при прохождении электрического тока по проводнику, если рядом расположить магнитную стрелку она способна отклонится. Это действие является основным. Демонстрация опыта: аккумулятор, лампа накаливания, соединительные провода, компас.

в) Физическая оперетта “Королева Электричество”. (Приложение № 1)

Теперь девушки старшего курса представят вашему вниманию оперетту “Королева Электричество”. Не забываем русскую народную пословицу “Сказка ложь, да в ней намек, добрым молодцам урок”. То есть, вы не только слушаете и смотрите, но и берете из нее определенную информацию. Ваша задача записать как можно больше физических терминов, которые встречаются в представлении.

г) Заполнение таблицы “Электрический ток”. (Приложение № 2)

Скажите, какое одно понятие объединяет все термины, которые вы записали?

Ответ: Электрический ток.

Приступаем к заполнению таблицы “Электрический ток”.

Заполняя таблицу, давайте, обобщим полученные на уроке знания и получим новую информацию.

В процессе заполнения таблицы делаем вывод о том, какие условия необходимы для создания электрического тока.

• Первое условие - это наличие свободных заряженных частиц.

• Второе условие - это наличие электрического поля внутри проводника.

д) Меры безопасности при работе с электроприборами.

Где, на производственной практике, вы сталкиваетесь с применением электрического тока? Ответы учащихся.

Главная наша задача сохранить здоровье в течение всей жизни, скажите, а какие меры безопасности необходимо соблюдать при работе с электроприборами?

Ответ: При работе с электроприборами.

Запрещено.

• Ходить по земле, держа в руках включенные в сеть электроприборы. Особенно опасно ходить босиком по влажной почве.

• Входить в электрощитовые и другие электротехнические помещения.

• Браться за оборванные, оголенные, висящие и лежащие на земле провода.

• Вбивать гвозди в стену в месте, где может располагаться скрытая проводка. Смертельно опасно в этот момент заземляться на батареи центрального отопления, водопровод.

• Сверлить стены в местах возможной электропроводки.

• Красить, белить, мыть стены с наружной или скрытой проводкой, находящейся под напряжением.

• Работать с включенными электроприборами вблизи батарей или водопровода.

• Работать с электроприборами, менять лампочки, стоя на ванной.

• Работать с неисправными электроприборами.

• Ремонтировать необесточенные электроприборы.

Билет 30

Электрическая цепь это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока.

Элементами электрической цепи являются: источник тока, нагрузка и проводники.

То, что внутри источника (гальванического элемента, аккумулятора или генератора) - внутренний, остальное - внешний.

31. Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источникахпостоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительногозаряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил ( ). В замкнутом контуре ( ) тогда ЭДС будет равна:

, где   — элемент длины контура.

ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в вольтах. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами тока вне самого источника равна нулю.

Зако́н О́ма — физический закон, определяющий связь между Электродвижущей силой источника или напряжением с силой тока исопротивлением проводника. Экспериментально установлен в 1826 году, и назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.

В своей оригинальной форме он был записан его автором в виде :  ,

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи

Закон Ома для замкнутой цепи.

Электричество и магнетизм. - Химические и тепловые генераторы тока.

Сила тока в замкнутой цепи, состоящей из источника тока с внутренним сопротивление и нагрузки с сопротивлением, равна отношению величины ЭДС источника к сумме внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки.

Если обозначить э. д. с. источника через ξ, его внутреннее сопротивление через r, сопротивление внешней цепи через R, а ток через I, то закон Ома представится следующей формулой: Мы видим, что ток, который способен дать источник, зависит не только от э. д. с. источника и сопротивления внешней цепи, но еще и от внутреннего сопротивления. Сказанное относится, конечно, не только к гальваническим элементам, но и к любым источникам тока, например к аккумуляторам или генераторам постоянного тока.

32. Последовательное и параллельное соединения — два основных способа соединения элементов электрической цепи. При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так, что включающий их участок цепи не имеет ни одного узла. При параллельном соединении все входящие в цепь элементы объединены двумя узлами и не имеют связей с другими узлами, если это не противоречит условию.

При последовательном соединении проводников сила тока во всех проводниках одинакова.

При параллельном соединении падение напряжения между двумя узлами, объединяющими элементы цепи, одинаково для всех элементов. При этом величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

33. Рези́стор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь) — пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, то есть для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома для участка цепи: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току проходящему через него  . На практике же резисторы в той или иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольт-амперной характеристики.

Зависимость сопротивления от температуры

Сопротивление металлических и проволочных резисторов немного зависит от температуры. При этом зависимость от температуры практически линейная  , так как коэффициенты 2 и 4 порядка достаточно малы и при обычных измерениях ими можно пренебречь. Коэффициент   называют температурным коэффициентом сопротивления. Такая зависимость сопротивления от температуры позволяет использовать резисторы в качестве термометров. Сопротивление полупроводниковых резисторов может зависеть от температуры сильнее, возможно, даже экспоненциально по закону Аррениуса, однако в практическом диапазоне температур и эту экспоненциальную зависимость можно заменить линейной.

Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении имитемпературы ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%9C%D0%B5%D0%B9%D1%81%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0"Мейснера, заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника. Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.

Открытие в 1986—1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4.2 К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

34. Работа тока - работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника; Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.

Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:

По закону сохранения энергии:

работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока.

В системе СИ:

ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА

При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.

В системе СИ:

[Q] = 1 Дж

МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

- отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.

В системе СИ:

35. Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику переноса вещества не происходит, следовательно, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.

Контактная разность потенциалов — это разность потенциалов, возникающая при соприкосновении двух различных проводников, находящихся при одинаковой температуре. При соприкосновении двух проводников с разными работами выхода на проводниках появляются электрические заряды. А между их свободными концами возникает разность потенциалов. Разность потенциалов между точками находящимися вне проводников, в близи их поверхности называется контактной разностью потенциалов^[1]. Так как проводники находятся при одинаковой температуре, то в отсутствие приложенного напряжения поле может существовать только в пограничных слоях (Правило Вольта). Выделяется внутренняя разность потенциалов(при соприкосновении металлов) и внешняя (в зазоре). Значение внешней контактной разности потенциалов равно разности работ выхода отнесенной к заряду электрона. Если проводники соединить в кольцо то ЭДС в кольце будет равна 0. Для разных пар металлов значение контактной разности потенциалов колеблется от десятых до единиц вольт.^[2]

Термоэлектричество представляет собой совокупность явлений, в которых разница температур создаёт электрический потенциал, или электрический потенциал создаёт разницу температур. В современном техническом использовании термин почти всегда относится вместе к эффекту HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%97%D0%B5%D0%B5%D0%B1%D0%B5%D0%BA%D0%B0"Зеебека, эффекту HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%9F%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1%8C%D0%B5"Пельтье и эффекту Томсона (термоэлектрические явления). По своей этимологии термин «термоэлектричество» мог бы относиться в целом ко всем тепловым двигателям, используемым для генерации электричества, и все электрическим нагревателям, производимым огромным числом способов, однако реально использование данного термина в таком широком смысле практически не встречается.

В последние время термоэлектричество применяется все шире в таких устройствах как портативные холодильники, кулеры для напитков, охладители электронных узлов, устройства сортировки металлических сплавов и т. д. Один из материалов, наиболее часто применяющихся в подобных устройствах — теллурид висмута Bi2Te3, химическое соединение висмутаи теллура.

36. Электролиты относятся к так называемым проводникам второго рода. В отличие от металлов и полупроводников в электролитах протекание тока всегда сопровождается химическими превращениями. Электролитами являются растворы солей, кислот и щелочей в воде и некоторых других жидкостях, а также расплавы солей, являющихся в твердом состоянии ионными кристаллами.

Носителями тока в электролитах являются положительные и отрицательные ионы, на которые диссоциируют (расщепляются) молекулы растворенного вещества. Степень диссоциации характеризуется коэффициентом диссоциации. Коэффициент диссоциации зависит от химической природы растворителя и концентрации растворяемого вещества. Если в электролит ввести твердые проводящие электроды и подать на них напряжение, то ионы придут в движение - возникнет электрический ток Положительные ионы (катионы) движутся к отрицательному электроду (катоду); отрицательные ионы (анионы) – к положительному электроду (аноду). Достигнув соответствующих электродов, анионы и катионы отдают избыточные или получают недостающие электроны и превращаются в нейтральные молекулы. Таким образом, прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением на электродах составных частей электролита. Это явление называется электролизом. Основные законы электролиза были установлены в 1836г. Майклом Фарадеем . 1закон Фарадея - количество вещества, выделившегося на каждом из электродов при электролизе, пропорционально заряду, протекшему через электролит: 2 закон Фарадея - электрохимический эквивалент всех веществ пропорционален их химическому эквиваленту:

37. При отсутствии облучения и при невысоких температурах газы практически не проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками. Газ становится электропроводным в результате ионизации. Ионизация может быть вызвана нагреванием газа до высокой температуры или действием ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-излучения. Ионизация газа состоит в том, что нейтральные молекулы или атомы газа теряют электроны и превращаются в положительные ионы. Большинство освободившихся электронов остаются свободными, но некоторые присоединяются к молекулам (или атомам) и образуют отрицательные ионы. Таким образом, в результате ионизации в газе появляются три типа носителей заряда: положительные, отрицательные ионы и электроны. При создании в газе электрического поля положительные ионы движутся к катоду, а электроны и отрицательные ионы - к аноду, образуя электрический ток. Электрический ток через газ называют газовым разрядом. Если разряд протекает только при действии ионизатора, то разряд является несамостоятельным. Если разряд может протекать без действия внешнего ионизатора, то его называют самостоятельным ( виды самостоятельного разряда. а) тлеющий разряд -представляет собой ток малой плотности, возникающий при низком давлении и напряжении на электродах порядка нескольких сотен вольт. Тлеющий разряд сопровождается свечением столба газа, используется в лампочках и рекламных столбах

б) коронный разряд представляет собой ток через газ при атмосферном давлении, возникающий под действием неоднородного электрического поля высокой напряженности. Коронный разряд сопровождается слабым свечением и небольшим шумом. Используется в электрических фильтрах для очистки продуктов сгорания топлива.

38. В газовом разряде возникает большое количество положительных ионов вследствие высокой эффективности ударной ионизации, причем концентрация ионов и электронов одинакова. Такая система из электронов и положительных ионов, распределенных с одинаковой концентрацией, называется плазмой. Термин «плазма» был введен в 1929 г. американскими физиками И. Ленгмюром и Л. Тонксом.

Плазма, возникающая в газовом разряде, носит название газоразрядной; к ней относятся положительный столб тлеющего разряда, канал искрового и дугового разрядов.

      Положительный столб представляет собой так называемую неизотермическую плазму. В такой плазме средние кинетические энергии электронов, ионов и нейтральных молекул (атомов) различны.

Плазма, в которой выполняется равенство:   (где индексы «э», «и», «а» относятся к электронам, ионам, атомам) называется изотермической. Такая плазма имеет место при ионизации с помощью высокой температуры

Кулоновское дальнодействующее взаимодействие заряженных частиц в плазме приводит к качественному своеобразию плазмы, позволяющему считать ее особым, четвертым агрегатным состоянием вещества.

39. В раскаленной металлической нити скорость движения и

энергия электронов повышаются настолько, что они отрываются от поверхности нити и свободным потоком устремляются в окружающее ее пространство. Вырывающиеся из нити электроны можно уподобить ракетам, преодолевшим силу земного притяжения. Если к электроду будет присоединен плюс батареи, то электрическое поле внутри баллона между нитью накаливания и электродом устремит к нему электроны. То есть внутри лампы потечет электрический ток.

Поток электронов в вакууме является разновидностью электрического тока. Такой электрический ток в вакууме можно получить, если в сосуд, откуда тщательно откачивается воздух, поместить нагреваемый катод, являющийся источником «испаряющихся» электронов, и анод. Между катодом и анодом создается электрическое поле, сообщающее электронам скорости в определенном направление.

В электровакуумных приборах для эмиссии электронов используется

специальный электрод, называемый катодом. Нагрев осуществляется за счет электрического тока, который пропускает через нить накала, как в электроплитке через спираль. Этот ток называется током накала. В приборах прямого накала сама нить является катодом и эмитирует электроны. В приборах косвенного накала нить подогревается металлический цилиндр, изолированный от нее, который и служит катодом.

40. Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью? которая невелика.  Собственная проводимость бывает двух видов: 1) электронная ( проводимость "n " - типа) При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление уменьшается. Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности эл.поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

2) дырочная ( проводимость " p" - типа ) При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка". Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда. Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

Кроме нагревания , разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость ) и действием сильных электрических полей.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов  и называется электронно-дырочной проводимостью.

"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) - область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот). электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью, т.е. при прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников. Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются, а при запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет. Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

41. Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выводами и одним

p-n переходом. Принцип работы полупроводникового диода основан на

использовании односторонней проводимости, электрического пробоя и других

свойств p-n перехода. Диоды различают по назначению, материалу,

конструктивному исполнению, мощности и другим признакам.

В зависимости от технологии изготовления различают точечные диоды,

сплавные, микросплавные, эпитаксиальные и другие.

По функциональному назначению диоды делятся на выпрямительные,

универсальные, импульсные, смесительные, СВЧ, стабилитроны, стабисторы,

варикапы, динисторы, тиристоры, симисторы, фотодиоды, светодиоды и т.д.

По конструктивному исполнению диоды бывают плоскостные и точечные.

По используемому материалу - кремниевые, германиевые, арсенид-галлиевые.

Диоды обладают односторонней проводимостью и служат: для выпрямления

переменного тока, стабилизации тока и напряжения, формирования импульсов,

для регулирования мощностей и т.д.

Транзи́стор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Терморезистор  - это полупроводниковый резистор, обладающий свойством существенно изменять своё электрическое сопротивление при изменении температуры.

42. Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения^[1], магнитная составляющая электромагнитного поля^{HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E0%E3%ED%E8%F2%ED%EE%E5_%EF%EE%EB%E5"[2]}

ействие  движущихся зарядов (электрических токов) друг на друга отличается от кулоновского взаимодействия неподвижных зарядов.

Взаимодействие движущихся зарядов называется магнитным.

Примеры проявления магнитного взаимодействия:

	притяжение или отталкивание двух параллельных проводников с током;
	магнетизм некоторых веществ, например, магнитный железняк, из которых изготавливаются постоянные магниты; поворот легкой стрелки, сделанной из магнитного материала, вблизи проводника с током
	вращение рамки с током в магнитном поле.

Графическое изображение магнитных полей. Для графического изображения магнитных полей используются  линии магнитной индукции (силовые линии магнитного поля). Линией магнитной индукции называют линию, в каждой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Линии магнитной индукции - замкнутые линии.

Примеры магнитных полей: