15 Билет

Электрический ток - упорядоченное по направлению движение электрических зарядов. За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.

Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:

наличие в среде свободных электрических зарядов

создание в среде электрического поля.

В разных средах носителями электрического тока являются разные заряженные частицы.

Различают переменный (англ. alternating current, AC) и постоянный (англ. direct current, DC) токи.

Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняется во времени.

Переменный ток — это ток, направление и величина которого меняется во времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.

Время, за которое происходит один такой цикл (время, включающее изменение тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц соответствует одному периоду в секунду.

Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника, этот эффект называется скин-эффектом.

Сила и плотность тока

Основная статья: Сила тока

Силой тока называется физическая величина, равная отношению количества заряда, прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в системе СИ измеряется в Амперах.

По закону Ома сила тока для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению к участку цепи и обратно пропорциональна сопротивлению проводника этого участка цепи :

Плотностью тока называется вектор, модуль которого равен отношению силы тока, протекающего через некоторую площадку, перпендикулярную направлению тока, к величине этой площадки, а направление вектора совпадает с направлением движения положительного заряда в токе.

Согласно закону Ома плотность тока в среде пропорциональна напряжённости электрического поля и проводимости среды :

Мощность

Основная статья: Закон Джоуля — Ленца

При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Эта работа выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:

Мощность измеряется в ваттах

В сплошной среде объёмная мощность потерь определяется скалярным произведением вектора плотности тока и вектора напряжённости электрического поля в данной точке:

Билет 16

Закон Ома для участка цепи. Немецкий физик Георг Ом (1787—1854) в 1826 г. обнаружил, что отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:

. (43.1)

Эту величину R называют электрическим сопротивлением проводника.

Единица электрического сопротивления в СИ — ом (Ом). Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение равно 1 В:

.

Опыт показывает, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади S поперечного сечения:

. (43.2)

Постоянный для данного вещества параметр называется удельным электрическим сопротивлением вещества.

Экспериментально установленную зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R участка цепи называют законом Ома для участка цепи:

. (43.3)

Сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R участка цели.

Билет 17

Закон Ома для полной цепи. Если в результате прохождения постоянного тока в замкнутой электрической цепи происходит только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии полная работа электрического тока в замкнутой цепи, равная работе сторонних сил источника тока, равна количеству теплоты, выделившейся на внешнем и внутреннем участках цепи:

. (43.16)

Из выражений (43.14), (43.15) и (43.16) получаем

. (43.17)

Так как , то

, (43.18)

или

. (43.19)

Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна сумме электрических сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи. Выражение (43.19) называется законом Ома для полной цепи.

Билет 18

Постоянные резисторы

резисторы, обладающие неизменным сопротивлением (в границах погрешности).

Переменные и подстроечные резисторы (реостаты)

резисторы сопротивление которых изменяется механически, посредством рукоятки или другого органа управления (переменные), либо посредством вставляемого в шлиц инструмента.

Варисторы

резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения.

Терморезисторы и термисторы

резисторы, у которых используется зависимость сопротивления от температуры, с положительным (терморезисторы) или отрицательным (термисторы) ТКС.

Фоторезисторы

резисторы, обладающие зависимостью сопротивления от освещения.

У словные обозначения резисторов: а) постоянные; б) переменные; в) переменный с дополнительными отводами; г) подстроечные; д), е) переменные с общей ручкой; ж) переменный с выключателем от крайнего положения; з) варистор; и) терморезистор; к) фоторезистор.

Билет20

Работа электрического тока показывает, какая работа была совершена электрическим полем при перемещении зарядов по проводнику.

Зная две формулы:

I = q/t ..... и ..... U = A/q

можно вывести формулу для расчета работы электрического тока:

Работа электрического тока равна произведению силы тока на напряжение

и на время протекания тока в цепи.

Единица измерения работы электрического тока в системе СИ:

[ A ] = 1 Дж = 1A. B . c

Мощность электрического тока показывает работу тока, совершенную в единицу времени

и равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена.

(мощность в механике принято обозначать буквой N, в электротехнике — буквой Р)

так как А = IUt, то мощность электрического тока равна:

Е диница мощности электрического тока в системе СИ:

[ P ] = 1 Вт (ватт) = 1 А . B

Билет 21

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.

Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси. В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.

Сопротивление R однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины и сечения следующим образом:

где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, L — длина проводника, а S — площадь сечения. Величина, обратная удельному сопротивлению называется удельной проводимостью. Эта величина связана с температурой формулой Нернст-Эйнштейна:

где

T — температура проводника;

D — коэффициент диффузии носителей заряда;

Z — количество электрических зарядов носителя;

e — элементарный электрический заряд;

C — Концентрация носителей заряда;

— постоянная Больцмана.

Следовательно, сопротивление проводника связано с температурой следующим соотношением:

Сопротивление также может зависеть от параметров и , поскольку сечение и длина проводника также зависят от температуры.

Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько десятков чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость — квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом 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.

Билет 22

Электролиз описывается двумя основными законами, экспериментально установленными Фарадеем в 1833-1834 годах.

Первый закон Фарадея:

масса вещества m, выделившегося на одном из электродов, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит:

m = K⋅q = K⋅I⋅Δt.

Здесь I — сила тока в электролите, Δt — время протекания тока через электролит, K — электрохимический эквивалент вещества.

Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества m, выделившегося на электроде при прохождении через раствор электролита заряда q в 1 Кл. В СИ единицей электрохимического эквивалента является килограмм на кулон (кг/Кл).

Таблица 1.

Электрохимические эквиваленты веществ

Вещество (анионы) K, 10–6 кг/Кл Вещество (катионы) K, 10–6 кг/Кл

Гидроксил (OH–) 0,177 Алюминий (Al3+) 0,0932

Кислород (O2–) 0,0829 Водород (H+) 0,1045

Кислотный

остаток (SO42–) 0,499 Железо (Fe3+) 0,193

Сера (S2–) 0,167 Золото (Au3+) 0,681

Хлор (Cl–) 0,367 Медь (Cu2+) 0,329

Натрий (Na+) 0,238

Никель (Ni2+) 0,30

Серебро (Ag+) 1,11

Ртуть (Hg+) 2,079

Цинк (Zn2+) 0,339

Второй закон Фарадея:

электрохимический эквивалент вещества K прямо пропорционален его химическому эквиваленту:

K = C⋅M/Z.

Здесь С — коэффициент пропорциональности, постоянная величина, отношение M/Z — химический эквивалент, M — молярная масса вещества, Z — валентность вещества.

Этот закон обычно записывают в ином виде, пользуясь не постоянной С, а обратной ей величиной C = 1/F, которая получила название постоянной Фарадея:

K = 1/F⋅M/Z.

Постоянная Фарадея F равна произведению элементарного заряда e на число Авогадро NA:

F = e⋅NA, F = 9,65⋅104 Кл/моль.

Законы Фарадея сыграли важную роль в истории развития физики. Они послужили толчком к выдвижению гипотезы о существовании в природе элементарного электрического заряда и позволили впервые определить его значение.

Электролиз находит широкое применение в технике. Рассмотрим лишь некоторые примеры наиболее важных технических применений электролиза.

Гальваностегия — покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, серебрение, золочение и т. д.) с целью предохранения от окисления и придания изделию привлекательного внешнего вида. Предмет, подлежащий покрытию, тщательно очищают, хорошо обезжиривают и помещают в качестве катода в электролитическую ванну, содержащую раствор соли того металла, которым должен быть покрыт данный предмет (рис. 3.8). Анодом служит пластинка из того же металла. Для более равномерного покрытия обычно применяют две пластинки в качестве анода, помещая предмет между ними

Получение алюминия

При помощи электролиза получают алюминий. Для этого подвергают электролизу не растворы солей этого металла, а его расплавленные оксиды.

В угольные тигли (рис. 3.9) насыпают глинозем (оксид алюминия Аl2O3), полученный путем переработки бокситов — руд, содержащих алюминий. Тигель служит катодом. Анодом являются угольные стержни, вставленные в тигель. Сначала угольные стержни опускают до соединения с тиглем и пропускают сильный ток. Глинозем при прохождении тока нагревается и расплавляется. После этого угли поднимают, ток проходит через жидкость и производит электролиз. Расплавленный алюминий, выделяющийся при электролизе, опускается на дно тигля (катод), откуда его через особое отверстие выпускают в формы для отливки.

Билет 23