Електричний струм

Електричний струм. Закон Ома. Паралельне та послідовне з'єднання провідників.

Мал. 1 Електричний струм в металевому провіднику

   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.

Конспекти

Вчимо фізику краще

Електричний струм.  Опорні конспекти.

Враховуючи досвід навчання учнів в 10-му класі (власне відсутність бажання навчатися) подальший процес здобування знань буде змінено - будемо гризти граніт науки по-новому.

На урок учні повинні прийти з власноруч переписаним конспектом у зошиті з лекцій з фізики.

Енергія електричного поля

Енергія електричного поля

Досвід показує, що заряджений конденсатор має запас енергії.

Енергія зарядженого конденсатора дорівнює роботі зовнішніх сил, яку потрібно виконати, щоб зарядити конденсатор.

Процес зарядки конденсатора можна представити як послідовне перенесення достатньо малих порцій заряду Δq > 0 з одної обкладки конденсатора на другу (мал. 1). При цьому одна обкладка поволі зарядиться додатнім зарядом, а друга – від’ємним. Оскільки кожна порція переноситься в умовах, коли на обкладках вже є деякий заряд q, а між ними існує деяка різниця потенціалів 

 U = q/C  

 при перенесенні кожної порції Δq зовнішні сили повинні виконати роботу:

ΔА = UΔq = qΔq/C

Мал. 1 Процес зарядки конденсатора

Енергія W_e конденсатора ємності C, зарядженого зарядом Q, може бути знайдена шляхом інтегрування цього виразу в межах от 0 до Q: 

W_e = A = Q²/2C

Діелектрики у зовнішньому електричному полі

Діелектрики. Поляризація діелектриків

  При внесенні діелектрика в зовнішнє електричне поле Е₀ в ньому виникає перерозподіл зарядів, які входять до складу атомів або молекул. В результаті такого перерозподілу на поверхні діелектричного зразка появляються надлишкові нескомпенсовані зв’язані заряди. Всі заряджені частинки, які утворюють макроскопічні зв’язані заряди, як і раніше входять до складу своїх атомів.

Звязані заряди створюють електричне поле Е’ яке всередині діелектрика направлено противополежно вектору напруженості Е₀  зовнішнього поля. Цей процес називають поляризацією діелектрика. В результаті повне електричне поле 

Е = Е₀ + Е’  

всередині діелектрика виявляється по модулю меншим зовнішнього поля. 

Фізична величина, яка дорівнює відношенню модуля напруженості Е₀ зовнішнього електричного поля в вакуумі до модуля напруженості Е повного поля в однорідному діелектрику, називають діелектричною проникністю речовини. 

ε = Е₀/Е

Існує декілька механізмів поляризації діелектриків. Основними з них є орієнтаційна і електронна поляризації. Ці механізми проявляються зазвичай при поляризації газоподібних, рідинних і деяких твердотільних діелектриків.

Електрична ємність

Електроємність. Конденсатори

   

Конденсатори - "двоногі марсіанчики"

Якщо двом ізольованим провідникам надати заряди q₁ і q₂, то між ними виникне деяка різниця потенціалів Δφ, яка залежить від величин зарядів і геометрії провідників. Різницю потенціалів Δφ між двома точками в електричному полі часто називають напругою і позначають літерою U. Найбільший практичний інтерес має той випадок, коли заряди провідників однакові по модулю і протилежні за знаком: q₁ = – q₂ = q. В цьому випадку можно ввести поняття електричної ємності.

Електричною ємністю системи з двох провідників називають фізичну величину, яка визначається як відношення заряду q одного з провідників до різниці потенціалів Δφ між ними:

 С= q/Δφ = q/U

В системі СІ одиниця електроємності називається фарада (Ф):

1Ф = 1Кл/1В

Величина електроємності залежить від: 

• форми,
• розмірів провідників та 
• властивостей діелектрика, який розділяє провідники.

Електростатична система одиниць СГСЕ

Електростатична система одиниць (СГСЕ)

   Розв’язуючи задачі з електростатики слід вміло користуватися одиницями вимірювання електростатичних величин в системі СГСЕ.

[закон Кулона:    

СІ:           F = kqQ/R² = qQ/4πε₀∙R²; 
СГС:       F = qQ/R².                       ]

• За одиницю заряду в електростатичній системі одиниць (1 одиниця заряду СГСЕ_q) беруть такий заряд, який взаємодіє з рівним йому зарядом у вакуумі з силою 1 дина на відстані 1 см:

1 СГСЕ_q = 1см∙дин^1/2 = г^1/2∙см^3/2∙сек^-1.

1 Кл = 3∙10⁹ СГСЕ_q.

• За одиницю напруженості електростатичного поля в системі СГСЕ беруть напруженість такого поля, яке діє на 1 одиницю СГСЕ_q з силою 1 дина:

1 одиниця СГСЕ_Е = 1 дина/1 СГСЕ_q = г^1/2∙см^-1/2∙сек^-1;

1Н/Кл = 10⁵ г∙см∙сек^-2/3∙10⁹ г^1/2∙см^3/2∙сек^-1 = 1/(3∙10⁴) СГСЕ_Е.

Провідники в електричному полі

Провідники та  діелектрики в електричному полі

Мал. 1 Електростатична індукція

  Речовини, внесені в електричне поле, можуть суттєво змінити його. Це пов’язано з тим, що речовина складається з заряджених частинок. При наявності зовнішнього поля відбувається перерозподіл заряджених частинок, і в речовині виникає власне електричне поле. Повне електричне поле Е складається з зовнішнього поля Е₀ і  внутрішнього поля Е’ яке створюють заряджені частинки речовини.

Загалом речовини різноманітні за своїми електричними властивостями. Найбільш широкими класами  речовин є провідники і діелектрики.

Головна особливість провідників – наявність вільних  зарядів (електронів), які беруть участь в тепловому русі і можуть пересуватися по всьому об’єму провідника під дією електричного поля. Типові провідники – метали.