6 постоянный ток

Урок №2/12
Тема №6: «Постоянный электрический ток, сила тока, плотность тока.
Условия, необходимые для существования электрического
тока.Электродвижущая сила источника тока. Электрическая цепь,
внешний и внутренний участки цепи.»
I Зачёт по электростатике.
1 Вопросы к зачёту
1 Что такое электрический ток? Чему равен электрический заряд электрона?
2 В чём заключается свойство квантования заряда? Что такое элементарный
заряд?
3 Сформулируйте закон сохранения заряда. Какая система называется
изолированной?
4 Какой заряд называется точечным? Сформулируйте закон Кулона.
5 Какое поле называется однородным? Что такое линии напряжённости?
6 Дайте определение напряжённости электрического поля и назовите
единицу измерения этой величины.
7 По какой формуле вычисляется напряжённость поля точечного заряда?
8 Сформулируйте принцип суперпозиции полей.
9 Дайте определение потенциала электрического поля и назовите единицу
измерения этой величины.
10 По какой формуле вычисляется потенциал поля точечного заряда?
11Как связаны напряжённость и разность потенциалов электрического поля?
12 Дайте определение эквипотенциальной поверхности.
13 Что такое диэлектрик? Приведите примеры диэлектриков.
14 В чём заключается явление поляризации? Назовите виды поляризации.
15 Дайте определение диэлектрической проницаемости.
16 Что такое проводники? Приведите примеры проводников.
17 В чём заключается электростатическая защита?
18 Дайте определение электроёмкости проводника назовите единицу её
измерения.
19 Что такое конденсатор? Какие бывают конденсаторы?
20 По какой формуле вычисляется электроёмкость плоского конденсатора?
1 Задачи к зачёту.
1При перемещении электрического заряда между точками с разностью
потенциалов силы, действующие на заряд со стороны электрического поля,
совершили работу 4 Дж. Чему равен заряд?
2 Чему равно напряжение между пластинами конденсатора электроёмкостью
1 Ф, если электрический заряд на одной пластине конденсатора +2 Кл, а на
другой -2Кл?
3 С какой силой взаимодействуют два заряда по 5 мкКл, находящиеся на
расстоянии 10 см?
4 На каком расстоянии друг от друга заряды 10 мкКл и 15 мкКл
взаимодействуют с силой 40 мН?
5 В некоторой точке поля на заряд 2 нКл действует сила 0,4 мкН. Найти
напряжённость поля в этой точке.
6 Какая сила действует на заряд 12 нКл, помещённый в точку, в которой
напряжённость электрического поля равна 2 кВ/м?
7 С каким ускорением движется электрон в поле с напряжённостью 10 кВ/м?
8 На расстоянии 3 см от заряда 4 нКл, находящегося в жидком диэлектрике,
напряжённость поля равна 20 кВ/м. Какова диэлектрическая проницаемость
диэлектрика?
9 Какова ёмкость конденсатора, если при его зарядке до напряжения 1,4 кВ
он получает заряд 28 нКл?
10 Конденсатору ёмкостью 10 мкФ сообщили заряд 4 мкКл. Какова энергия
заряженного конденсатора?
IIОбъяснение новой темы
1 Электрический ток. Условия, необходимые для существования
электрического тока.
Электрическим током называется направленное (упорядоченное) движение
заряженных частиц.
Электрический ток в проводниках различного рода представляет собой либо
направленное движение электронов в металлах (проводники первого рода),
имеющих отрицательный заряд, либо направленное движение более крупных
частиц вещества — ионов, имеющих как положительный, так и
отрицательный заряд — в электролитах (проводники второго рода), либо
направленное движение электронов и ионов обоих знаков в ионизированных
газах (проводники третьего рода).
За направление электрического тока условно принято направление
движения положительно заряженных частиц.
Для существования электрического тока в веществе необходимо:
1. наличие заряженных частиц, способных свободно перемещаться по
проводнику под действием сил электрического поля;
2. наличие источника тока, создающего и поддерживающего в
проводнике в течение длительного времени электрическое поле.
2 Сила тока, плотность тока.
Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока
I и плотность тока j.
Сила тока — скалярная физическая величина, определяемая отношением
заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый
промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.
I = Δq/Δt
(26)
Единицей силы тока в СИ является Ампер (А).
Если сила тока и его направление со временем не изменяются, то ток
называется постоянным.
Единица силы тока — основная единица в СИ 1 А — есть сила такого
неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным
параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения,
расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу
взаимодействия между ними 2·10-7 Η на каждый метр длины проводников.
Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения
свободных зарядов.
Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной ΔL(рис. 1).
Заряд каждой частицы q0. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и
2, содержится nSΔlLчастиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд
Δq = q0nSΔL
Рис. 1
Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов v, то за
промежуток времени Δt = ΔL/vвсе частицы, заключенные в рассматриваемом
объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:
I = q0nSv
(27)
Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого
одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного
движения частиц и площади поперечного сечения проводника.
Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного
движения электронов vпри максимально допустимых значениях силы тока ~
10-4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 106 м/с.
Плотность токаj — это векторная физическая величина, модуль которой
определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S
поперечного сечения проводника, т.е.
j = I/S
(28)
В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2).
Как следует из формулы (28),j = q0nv. Направление вектора плотности тока
jсовпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения
vположительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна
по всему поперечному сечению проводника.
3 Электрическая цепь, внешний и внутренний участки цепи.
Для того чтобы создать электрический ток, необходимо составить замкнутую
электрическую цепь из электрических приборов.
Элементы электрической цепи соединяются проводами и подключаются к
источнику питания.
Самая простая электрическая цепь состоит из :
1. источника
тока
(лампа, электроплитка,
2. потребителя электродвигатель,
электроэнергии электробытовые
приборы)
3. замыкающего
и
(выключатель, кнопка,
размыкающего рубильник)
устройства
4.
соединительных
проводов
Чертежи, на которых показано, как электрические приборы соединены в
цепь, называются электрическими схемами.
На электрических схемах все элементы электрической цепи имеют условные
обозначения.
Любая электрическая цепь состоит из двух участков: внутреннего и внешнего
участка цепи.
Внутренний участок цепи - это источник тока. Его сопротивление называется
внутренним сопротивлением источника тока и обозначается буквой r.
Все что подключено к источнику тока называется внешним участком
электрической цепи, сопротивление которого обозначается R.
Таким образом сопротивление всей цепи равно R+r.
4 Электродвижущая сила источника тока.
Электрический ток возникает в замкнутой цепи под действием источника
электрической энергии (источника тока).
Источник электрической энергии представляет собой прибор,
преобразующий какой-либо вид энергии в электрическую. Он создает и
поддерживает на своих зажимах разность потенциалов. Таким образом в
проводящей среде создается электрическое поле, которое и вызывает
упорядоченное, направленное движение носителей электрических зарядов
электрический ток.
Происхождение электрического тока сопровождается непрерывным
расходованием энергии на преодоление сопротивления. Эту энергию
доставляет источник электрической энергии, в котором происходит процесс
преобразования механической, химической, тепловой или других видов
энергии в электрическую.
Способность источника электрической энергии создавать и
поддерживать на своих зажимах определенную разность потенциалов
называется электродвижущей силой, сокращенно э. д. с.
Численно электродвижущая сила измеряется работой, совершаемой
источником электрической энергии при переносе единичного
положительного заряда по всей замкнутой цепи.
Если источник энергии, совершая работу A, обеспечивает перенос по всей
замкнутой цепи заряда q, то его электродвижущая сила (Е) будет равна
= A/q (29)
За единицу измерения электродвижущей силы в системе СИ принимается
Вольт (В).
Источник электрической энергии обладает ЭДС в 1 Вольт, если при
перемещении по всей замкнутой цепи заряда в 1 Кулон совершается
работа, равная 1 Джоулю.
Кроме основной, применяются более мелкие и более крупные единицы
измерения ЭДС.
1 милливольт (мВ)=0,001В=10-3В;
1 микровольт (мкВ)=0,000001В=10-6В;
1 киловольт (кВ)=1000В=103В.
Измеряется ЭДС с помощью электроизмерительных приборов- вольтметров.
Для измерения ЭДС вольтметр подключается к зажимам источника тока с
соблюдением полярности и обязательно при разомкнутой цепи.
III Задачи на закрепление изученной темы.
1 Черезпоперечное сечение проводника каждую секунду протекает 12∙109
свободных электронов. Определить силу тока в проводнике.
2 Найти скорость упорядоченного движения электронов в проводнике
сечением 5 мм2 при силе тока 10 А, если концентрация электронов
проводимости 5∙1028 м-3.
3 Конденсатор ёмкостью 100 мкФ заряжается до напряжения 500 В за 0,5 с.
Каково среднее значение силы зарядного тока?