ФАКТИ Наше опитування
|
Електричні явища. Електричний струм.Електромагнітна взаємодія. Електричне поле Електричний заряд і його властивості. Електростатика – вчення про статичні електричні заряди та про властивості полів цих зарядів. Електричний заряд – це невіддільна властивість деяких елементарних частинок. До елементарних частинок відносяться такі мікрочастинки, для яких сучасними засобами фізики не можна доказати, що вони є об’єднаннями інших мікрочастинок. Відомо, що заряди бувають двох видів – позитивні й негативні. Носієм елементарного негативного заряду є електрон. Елементарним позитивним зарядом наділений протон. За абсолютною величиною елементарні заряди електрона й протона однакові. За одиницю електричного заряду прийнято кулон (Кл). Один кулон – це електричний заряд, який проходить через поперечний переріз провідника при силі струму в один ампер за час в одну секунду 1Кл = 1 А/с. Елементарний електричний заряд електрона або протона дорівнює | e | = 1,6 ּ 10-19 Кл. Будь-який інший заряд є сукупністю елементарних зарядів q = ± Nּe Електричні заряди можуть мати лише дискретні значення, кратні заряду електрона. Таку властивість зарядів називають квантуванням. В довільних інерціальних системах заряд є інваріантним або незмінним. Електричні заряди можуть зникати або виникати знову.Сумарний заряд електрично-ізольованої системи є величиною сталою. Це твердження є законом збереження електричного заряду. Закон збереження заряду. Система називається електроізольованою, якщо через поверхню, що її обмежує, не можуть проникати заряджені частинки. Повний електричний заряд електроізольованої системи є сталою величиною і дорівнює алгебраїчній сумі її позитивних та негативних зарядів.
Електричний заряд зберігається при всіх процесах і рухах носіїв заряду. Закон збереження заряду вказує на те, що позитивні й негативні заряди в електроізольованих системах можуть виникати або зникати парами. Всі основні властивості електричних зарядів знайдені дослідним шляхом. Серед них відмітимо такі: - однойменні заряди відштовхуються, різнойменні притягуються; - величина заряду не залежить від системи відліку; - дискретний характер заряду, тобто кратність до елементарного заряду; - електричний заряд має властивість адитивності. Це означає, що заряд системи тіл дорівнює сумі зарядів всіх частинок , які входять в систему. В електростатиці використовується фізична модель точкового джерела. Точковим джерелом заряду називається заряджене тіло, форма й розміри якого в даних умовах не є суттєвими. Дослідним способом було доказано, що сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів пропорційна величині кожного із зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Закон взаємодії точкових зарядів називається законом Кулона де q1 і q2 - точкові електричні заряди; - діелектрична стала; r – відстань між точковими зарядами. Сила напрямлена вздовж прямої, яка з’єднує взаємодіючі заряди. Згідно з третім законом Ньютона сили з якими взаємодіють два точкових заряди, рівні за величиною і протилежні за напрямком 1,2 = - 2,1. Діелектрична стала ε0 відноситься до числа фундаментальних фізичних сталих. Її величина дорівнює 8,85ּ10-12 Ф/м. Електричне поле. Напруженість електричного поля Заряджені точкові тіла або тіла скінчених розмірів взаємодіють через електричне поле. Взаємодія між точковими зарядами описується законом Кулона. Електричним полем є особлива форма матерії, через яку відбувається взаємодія електричних зарядів. Електричне поле нерухомих заряджених тіл, з незмінними у часі зарядами, називається електростатичним полем. На заряд, поміщений в електричне поле, зі сторони поля діє сила. Взаємодія через електричне поле відбувається зі скінченою швидкістю, не більшою за швидкість світла у вакуумі (с=3·108 м/с). Основними характеристиками електричного поля є потенціал (енергетична характеристика) та напруженість (силова характеристика). Знаючи силу, що діє на заряд q/ запишемо вираз для напруженості . Для графічного зображення полів вводять лінії напруженості. Лінія напруженості - це така лінія, проведена в електричному полі, дотична до якої в кожній точці співпадає з напруженістю. Напрям ліній напруженості прийнято вибирати від позитивного заряду до негативного. Для того, щоб лінії напруженості визначали величину напруженості, їх домовились проводити так, щоб густина ліній в деякому місці електричного поля була рівна або пропорційна напруженості поля в цьому місці. Лінії напруженості електричного поля створеного додатнім або від’ємним точковим зарядом проводять так, як зображено на мал.
Перевірте свої знання!!!
Сила струму, напруга, опір провідника
Електричний струм. Закон Ома. Паралельне та послідовне з'єднання провідників.
Якщо ізольований провідник помістити в електричне поле Е. то на вільні носії заряду q в провіднику діятиме сила F = qE. В результаті в провіднику виникне короткочасне переміщення вільних зарядів. Цей процес закінчиться тоді, коли власне електричне поле зарядів, яке зя’вляється на поверхні провідника, скомпенсує повністю зовнішнє поле. Результуюче електростатичне поле всередині провідника дорівнює нулеві.
Однак, в провідниках може при певних умовах виникнути неперервний впорядкований рух вільних носіїв електричного заряду. Такий рух називається електричним струмом. За напрям електричного струму прийняли напрям руху додатних вільних носіїв заряду. Щоб в провіднику протікав електричний струм, потрібно в ньому створити електричне поле.
Кількісною мірою електричного струму служить сила струму I – скалярна фізична величина, яка дорівнює заряду, який переноситься через поперечний переріз провідника (мал. 1) за одиницю часу: I = Δq/Δt.
Якщо сила струму і його напрям не змінюється з часом, то такий струм називають постійним. В Міжнародній системі одиниць СІ силу струму вимірюють в амперах (А).
Постійний електричний струм можна створити лише в замкнутому колі, в якому носії заряду циркулюють замкнутими траєкторіями. Електричне поле в різних точках такого кола стале в часі. Тому для існування постійного струму потрібно створювати і підтримувати різницю потенціалів на ділянках кола завдяки роботі сил неелектростатичної природи. Пристрої, які це роблять, називаються джерелами постійного струму.
Німецький фізик Г. Ом 1826 року експериментально встановив, що сила струму I, який протікає по однорідному металічному провіднику ( провіднику, в якому не діють сторонні сили), пропорційна до напруги U на кінцях провідника: I = U/R.
Величину R називають електричним опором. Провідник, який має електричний опір, називають резистором.
Останнє співвідношення виражає закон Ома для однорідної ділянки кола:
В СІ одиницею електричного опору проводника є Ом. Опором в 1 Ом володіє така ділянка кола, в якій при напрузі 1 В виникає струм силою 1 А.
Провідники, в яких виконується закон Ома, називаються лінійними. Графічна залежність сили струму I від напруги U (такі графіки називаються вольт-амперними характеристиками, ВАХ) зображається прямою, яка проходить через початок координат. Зазначмо, що є багато матеріалів і приладів, в яких не виконується закон Ома, наприклад, напівпровідниковий діод або газорозрядна лампа. Навіть у металічних провідниках при достатньо великих струмах спостерігається відхилення від лінійного закону Ома, так як електричний опір металічних провідників зростає при збільшенні температури.
Чим вимірюють електричний струм та напругу? Для вимірювання напруг і струмів в електричних колах постійного струму використовують спеціальні прилади – вольтметри і амперметри.
Вольтметр – це прилад для вимірювання різниці потенціалів, яка прикладена до його клем. Його підключають паралельно до ділянки кола, на якій проводять вимірювання різниці потенціалів.
Амперметр – це прилад для вимірювання сили струму в колі. Амперметр включають послідовно в розрив електричного кола, щоб через нього проходив увесь вимірюваний струм (мал. 3).
Вимірювальні прилади – вольтметри і амперметри – бувають: стрілкові (аналогові) і цифрові.
Послідовне і паралельне з’єднання провідників
Провідники в електричних колах можуть зєднувати послідовно і паралельно.
При послідовному зєднанні провідників (мал. 4) сила струму у всіх провідниках однакова:
І1 = І2 = І.
За законом Ома, напруги U1 и U2 на провідниках відповідно рівні:
Загальна напруга U на обох провідниках дорівнює сумі напруг U1 і U2:
де R – електричний опір всього кола. Звідси випливає:
R = R1 + R2.
Цей результат справедливий для будь-якого числа послідовно з’єднаних провідників.
При паралельному з’єднанні (мал. 5) напруги U1 і U2 на обох провідниках однакові:
U1 = U2 = U.
Сумарний струм I1+I2, який протікає по обох провідниках, дорівнює струму в нерозгалуженому колі:
I = I1 + I2.
Записавши закон Ома, отримаємо:
I1 = U/R1, I2 = U/R2 і, I = U/R,
де R – електричний опір всього кола. Звідки:
1/R = 1/R1 + 1/R2.
Цей висновок справедливий для будь-якого числа паралельно включених провідників.
Формули для послідовного і паралельного з’єднання провідників дозволяють в багатьох випадках розрахувати опір складного кола, яке містить багато резисторів. На мал. 6 наведено приклад такого складного кола і показана послідовність розрахунку.
Електричний струм у різних середовищах
Провідниками електричного струму можуть бути різні речовини: метали, розчини електролітів і за певних умов гази та вакуум. Широкого застосування останнім часом набули речовини, які називають напівпровідниками. Для створення струму в якомусь середовищі потрібна наявність у ньому заряджених частинок, здатних переміщатися під дією електричного поля. Цими частинками можуть бути і електрони, і йони. З'ясувати природу струму — означає встановити, які саме заряджені частинки переносять заряд у даному середовищі. Носіями вільних зарядів у металах є електрони, концентрація яких велика — порядку 10 27 у кубічному метрі (Бібліотека електронних наочностей 1.6.1) Ці електрони беруть участь у хаотичному тепловому русі. Під впливом же електричного поля вони починають переміщатися впорядковано із середньою швидкістю приблизно 0,5 мм/с. А швидкість поширення електричного поля всередині металевого провідника наближається до 300 000 км/с. Саме цю швидкість і пов'язують з поширенням електричного струму в металах. Провідність металів зумовлена рухом вільних електронів. Рідини, як і тверді тіла, можуть бути як діелектриками, так і провідниками. До діелектриків належить, наприклад, дистильована вода, до провідників — розчини електролітів: кислот, лугів і солей.При розчиненні електролітів під впливом електричного поля полярних молекул води відбувається розпад молекул електролітів на йони. Цей процес називається електролітичною дисоціацією.Ступінь дисоціації характеризується часткою молекул розчиненої речовини, що розпадаються на йони, і залежить від температури, концентрації розчину й діелектричної проникності розчинника. З підвищенням температури ступінь дисоціації зростає і, отже, збільшується концентрація позитивно і негативно заряджених йонів. Носіями заряду у водних розчинах і розплава електролітів є позитивно і негативно заряджені йони. Якщо посудину з розчином електроліту ввімкнути в електричне коло, то негативно заряджені йони почнуть рухатись до додатного електрода – анода, позитивно заряджені - до від’ємного – катода. Внаслідок цього з’явиться електричний струм. Оскільки заряди у водних розчинах і розплавах електролітів переносяться йонами, то таку провідність називають йонною. При йонній провідності проходження струму з’язане з перенесенням речовини. На електродах виділяються речовини , що входять до складу електролітів. На аноді негативно заряджені йони віддають свої зайві електрони ( це називається окислювальною реакцією), на катоді позитивно заряджені йони одержують електрони, яких не вистачає (відновна реакція). Процес виділення на електродах речовин, пов’язаний з окиснювально – відновними реакціями, називають електролізом.
Гази за нормальних умов ( коли немає іонізатора) є ізоляторами і стають провідниками електричного струму тільки внаслідок зовнішньої дії. Електропровідність газу можна змінити , опромінюючи його УФ , рентгенівським або радіоактивними променями , нагріваючи його тощо. Раом з процесом йонізації в газі відбувається процес рекомбінації – перетворення йонів у нейтральні атоми або молекули. Якщо зовнішній іонізатор припиняє дію , то провідність газу зменшується і він уже не може бути провідником. Якщо потужність іонізатора з часом не змінюється , то між процесами йонізації і рекомбінації встановлюється динамічна рівновага , за якої кількість пар заряджених частинок , що утворюються, дорівнює в середньому кількості пар йонів, які зникають внаслідок рекомбінації. Процес проходження струму через газ називають газовим розрядом. Струм у газі, який виникає під дією зовнішньго іонізатора, називається несамостійним газовим розрядом. За певних умов у газах можливе збудження великої провідності внаслідок дії електричного поля. У цьому у ми маємо явище самостійного розряду і самостійну провідність. Самостійним називають розряд у газах, який зберігається й після припинення дії зовнішнього іонізатора. Серед самостійних розрядів виділяють такі: тліючий розряд, електрична дуга, коронний розряд та іскровий розряд. Систематизуй свої знання- заповни таблицю! Електричний струм у різних середовищах
Тестова перевірочна робота 1. Електричний струм у металах – це направлений рух: а)іонів
|