9. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца. Разветвление цепи. Правила Кирхгофа

1. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца

2. Разветвление цепи

3. Правила Кирхгофа

9.1. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца

Общеизвестен факт, что ток при прохождении по проводникам нагревает их.

Опыт по закону Джоуля – Ленца

Оборудование:

1. Спираль нихромовая для электроплитки.

2. Штатив универсальный.

3. Стержень от изолирующего штатива.

4. Р еостат рычажный.

5. Шнур соединительный с вилкой.

6. Провод соединительный.

Рис. 9.1.

Вывод: проводник под действием электрического тока нагревается.

Количество теплоты, которое выделяется в проводнике, определяется по закону Джоуля - Ленца, математическая формулировка которого записывается так:

Мощность тока измеряется количеством теплоты в единицу времени т.е.

9.2. Разветвление цепи

Электрические цепи могут разветвляться. Участок цепи, в котором сходятся более двух проводников, называется узлом. Промежутки между узлами — суть ветви цепи.

Возможны два вида соединения проводников.

Последовательное соединение проводников.

Рис. 9.2.

Параллельное соединение проводников

Рис. 9.3.

По закону Ома для участка цепи

В общем случае применение закона Ома для разветвленной цепи представляет собой известную трудность, поэтому на практике часто используют правила Кирхгофа.

9.3. Правила Кирхгофа

1. Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле равна нулю. Причем токи, входящие в узел, берутся со знаком "плюс", а выходящие — со знаком "минус". Это правило является прямым следствием закона сохранения заряда.

Пример 1.(см. рис. 9.4)

Рис. .9.4.

I₁-I₂+I₃-I₄=0.

2. Алгебраическая сумма падений напряжения на участках контура равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в нем. Если ток или ЭДС совпадают с направлением обхода, то они берутся со знаком "+", в противном случае — со знаком "-"

Пример 2.(см. рис. 9.5)

Рис. 9.5.

I₁r₁+I₁R₁-I₂R₂+I₃R₃+I₃r₂-I₄R₄=E₂-E₁.

10. Понятие о зоной теории проводимости. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления и их применение

1. Понятие о зонной теории проводимости

2. Контактная разность потенциалов

3. Термоэлектрические явления и их применение

10.1. Понятие о зонной теории проводимости

Классическая теория проводимости, несмотря на все свои достоинства, не смогла объяснить некоторые явления, например, сверхпроводимость и удельную теплоемкость металлов.

Эти явления может объяснить зонная теория проводимости.

По этой теории уровень энергии электрона в атоме расщепляется на ряд близко расположенных подуровней (рис. 10.1, 10.2). Это объясняется взаимодействием атомов (ионов) в кристаллической решетке.

Рис. 10.1.

Рис. 10.2.

Электроны, находящиеся в составе атома, образуют валентную зону, свободные электроны– зону проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости существует запретная зона, нахождение электронов в которой запрещено (рис. 10.3).

Рис. 10.3.

В зависимости от распределения электронов вещества делятся на три класса: проводники, полупроводники, диэлектрики.

Одной из важнейших характеристик микрочастиц в квантовой механике является спин (от англ. Spin – волчок). Эта характеристика не имеет аналогов в классической механике, поэтому можно говорить только о грубой аналогии. С этой точки зрения наличие спина объясняется как бы собственным вращением частицы (если ее считать шариком определенного радиуса).

Различают частицы с полуцелым (1/2, 3/2, ...) и целочисленным (0, 1, 2, ...) спином. (Значения спина даны в долях ћ, где ћ=h/2, h= 6,6210^-34 Джсек - постоянная Планка)

Для первого класса частиц выполняется распределение по энергиям Ферми – Дирака, поэтому их называют фермионами. Для второго класса частиц выполняется распределение по энергиям Бозе – Эйнштейна, поэтому их называют бозонами.

Электроны относятся к фермионам. Согласно распределению Ферми – Дирака, существует максимальный уровень энергии, которой могут обладать фермионы при абсолютном нуле. Это уровень Ферми W_F.

Для фермионов выполняется принцип Паули, согласно которому на одном энергетическом уровне не может быть двух частиц с одинаковыми спинами (рис. 10.4).

Рис. 10.4.

При данной температуре электроны в твердом теле занимают все уровни энергии, начиная с нижнего согласно принципа Паули. Известно, что при комнатной температуре превышение энергии электронов над W_F составляет доли процента. Поэтому ширина запрещенной зоны W и уровень Ферми W_F полностью определяют электрические свойства твердого тела.