§ 7.8. Энергия электростатического поля

Энергия системы неподвижных точечных зарядов

_,

где - потенциал, создаваемый всеми зарядами, кроме i-го, в той точке, где находится заряд _.

Единица энергии: джоуль (Дж).

Энергия уединенного заряженного проводника

_,

где C, Q, φ - соответственно электроемкость, заряд, потенциал проводника.

Энергия заряженного конденсатора

,

где Δφ - разность потенциалов между обкладками конденсатора.

Энергия плоского конденсатора

,

где Е - напряженность электростатического поля в конденсаторе, V = Sd - объем конденсатора.

Объемная плотность энергии - энергия электростатического поля в единице объема:

.

Единица объемной плотности энергии: джоуль на кубический метр (Дж/м³).

§ 7.10. Постоянный электрический ток

Электрический ток - любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов.

Условия возникновения и существования электрического тока:

• наличие свободных носителей тока - заряженных частиц, способных перемещаться упорядочено;

• наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение.

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

_{Рис. 7.11}

_{Рис. 7.12}

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

_{Рис. 7.11}

_{Рис. 7.12}

Конвекционный ток - упорядоченное движение электрических зарядов осуществляется перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела (рис. 72).

За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

Сила тока - скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника за 1 с:

.

Единица силы тока: ампер (А).

Постоянный ток - ток, сила тока и направление которого не изменяются со временем.

Плотность тока - физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока:

.

Единица плотности тока: ампер на квадратный метр (А/м²).

Если концентрация носителей тока равна п, каждый носитель обладает зарядом е (что не обязательно для ионов) и движется со средней скоростью , то за время dt через поперечное сечение S проводника переносится заряд dQ = neS dt.

Тогда сила тока I = пеS, а плотность тока j= пе.

.

Плотность тока - вектор, его направление совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов.

§ 7.11. Сторонние силы. Электродвижущая сила и

напряжение

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с бо́льшим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электростатического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами, в генераторе - за счет механической энергии вращения ротора генератора и т. п. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе.

Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Электродвижущая сила (ЭДС) - физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда:

,

где А_ст -работа сторонних сил; Q_o -единичный положительный заряд.

Единица ЭДС: вольт (В).

Напряжение на участке 1-2 - физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном учаcтке цепи:

; ,

где - работа сил электростатического поля при перемещении заряда Q_o из точки 1 в точку 2.

Напряжение - обобщенное понятие разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов, если участок не содержит источника тока.

Единица напряжения: вольт (В).

Напряжение на участке 1-2, содержащем источник тока, равно сумме ЭДС источника и разности потенциалов на этом участке:

.