double arrow

Билет № 20.


1. Последовательное соединение проводников в цепи постоянного тока. Расчеты силы тока и напряжения.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Такими заряженными частицами в проводниках – веществах, проводящих электрический ток, – являются электроны, а в жидкостях и газах – еще и заряженные ионы – атомы, лишенные одного или нескольких электронов (либо наоборот, имеющие лишние электроны). Для возникновения электрического тока в проводнике, необходимо создать электрическое поле, которое поддерживается источниками электрического тока.

Сила тока I равна отношению электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения:

Сила тока в СИ измеряется в амперах (А), а электрический заряд – в кулонах (Кл). Сила тока измеряется амперметром.

Рис. 1. Сила тока направлена в сторону, противоположную направлению движения электронов

Для широкого класса проводников (в т. ч. металлов) сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению (закон Ома):

Коэффициент пропорциональности R называется электрическим сопротивлением и измеряется в омах (Ом). Причиной электрического сопротивления является взаимодействие электронов при их движении по проводнику с ионами кристаллической решетки.

Электрическое сопротивление металлов прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения:

Коэффициент пропорциональности ρ – удельное сопротивление – зависит только от вида металла.

Общее сопротивление R последовательно соединенных проводников R1 и R2 равно сумме их сопротивлений:

R = R1 + R2.

Рис. 2. Последовательное соединение проводников

Общее сопротивление R параллельно соединенных проводников рассчитывается по формуле:

Рис. 3. Параллельное соединение проводников

Рис. 4. Расчет сопротивления сложной цепи

Для того, чтобы в замкнутой цепи постоянного тока поддерживалась непрерывная циркуляция зарядов (то есть протекал электрический ток) в этой цепи должны действовать силы неэлектростатического происхождения, так как работа электрического поля при перемещении зарядов по замкнутому пути равна нулю. Такие силы называются сторонними. Они действуют на заряды внутри источников тока и могут иметь различную физическую природу.




Физическая величина, равная работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Суммарная ЭДС батареи последовательно соединенных источников равняется сумме ЭДС этих источников:

Напряжение на участке цепи, содержащем источник тока, определяется формулой:

U = – Ir,

где r – внутреннее сопротивление источника.

Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа:

A = UIt.

Работа электрического тока измеряется в джоулях.

Мощность электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на силу тока:

P = UI.

Мощность в системе СИ измеряется в ваттах (Вт).

Опыты показывают, что в неподвижных проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Количество теплоты Q, выделяющееся в проводнике с сопротивлением R при протекании тока I в течение времени t равно:

Эта формула выражает закон Джоуля–Ленца.

2. Траектории движения заряженных частиц в магнитном поле. Радиационные пояса Земли.

Данное уравнение является весьма сложным, т.к. и

в общем случае зависят от пространственных и временной координат. Кроме того, сама частица также создает собственное электромагнитное поле.



Пусть электрического поля нет вообще, а магнитное имеет одну составляющую и однородно.

Вдоль поля скорость не меняется, движение равномерное.

Таким образом, поперечная скорость не меняется. Следовательно, не меняется модуль скорости вообще. Следовательно, не меняется кинетическая энергия частиц, а значит, магнитное поле не совершает работы над частицами. Это и понятно, т.к. магнитная составляющая силы Лоренца всегда перпендикулярна скорости, и эта сила не совершает работу. Такие силы называются гироскопическими. Если работа не совершается, то изменение магнитного потока равно нулю, а т.к. поле однородно, то не изменяется площадь фигуры, которую охватывает траектория движения частицы.

Аналогично можно поступить и для второй координаты и получить уравнение вида

Таким образом, траекторией частицы в плоскости XOY является окружность и частица движется по этой окружности с циклической частотой

,

которая называется Ларморовской или циклотронной частотой.

Частота и период не зависят от скорости частиц, т.е. от её кинетической энергии.

Радиус этой окружности равен

Вдоль поля частица перемещается равномерно. Следовательно, траектория частицы – винтовая линия с шагом

Радиационный пояс — область магнитосфер планет, в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны).

Внутри магнитосферы, как и в любом дипольном поле, есть области, недоступные для частиц с кинетической энергией E, меньше критической. Те же частицы с энергией E<Екр, которые все-таки уже там находятся, не могут эти области покинуть. Эти запрещённые области магнитосферы называются зонами захвата. В зонах захвата дипольного (квазидипольного) поля Земли действительно удерживаются значительные потоки захваченных частиц (прежде всего, протонов и электронов).

Радиационный пояс Земли (внутренний) был открыт американским учёным (Джеймсом ван Алленом) после полета Эксплорера-1 и советскими учёными (С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков) после полёта Спутника-3 в 1958 году и представляет собой, в первом приближении, тороид, в котором выделяется две области:

внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;

внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.

Зависимость положения нижней границы радиационного пояса — долготная. Над Атлантикой возрастание интенсивности начинается на высоте 500 км, а над Индонезией на высоте 1300 км. Если те же графики построить в зависимости от магнитной индукции, то все измерения уложатся на одну кривую, что ещё раз подтверждает магнитную природу захвата.

Между внутренним и внешним радиационными поясами имеется щель, расположенная в интервале от 2 до 3 радиусов Земли. Потоки частиц во внешнем поясе больше, чем во внутреннем. Различен и состав частиц: во внутреннем поясе протоны и электроны, во внешнем — электроны. Применение неэкранированных детекторов существенно расширило сведения о радиационных поясах. Были обнаружены электроны и протоны с энергией несколько десятков и сотен килоэлектронвольт соответственно. Эти частицы имеют существенно иное пространственное распределение (по сравнении с проникающими).

Максимум интенсивности протонов низких энергий расположен на расстояниях L~3 от центра Земли. Малоэнергичные электроны заполняют всю область захвата. Для них нет разделения на внутренний и внешний пояса. Частицы с энергией десятки кэВ непривычно относить к космическим лучам, однако радиационные пояса представляют собой единое явление и должны изучаться в комплексе с частицами всех энергий.

Поток протонов во внутреннем поясе довольно устойчив во времени. Первые эксперименты показали, что электроны высокой энергии (E > 1—5 МэВ) сосредоточены во внешнем поясе. Электроны с энергией меньше 1 МэВ заполняют почти всю магнитосферу. Внутренний пояс очень стабилен, тогда как внешний испытывает резкие колебания.

Заказать ✍️ написание учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Сейчас читают про: