Вопросы и задачи по физике. Электрический ток. Закон Ома

1. Что называется электрическим током? Какой ток протекает по проводнику, если за 1 час по нему проходит заряд 900 Кл.

2. Плотность тока. Формула для тока протекающего через поверхность (через плотность тока).

3. Связь плотности тока со средней скоростью направленного движения зарядов.

4. Закон Ома. Вывод закона Ома в дифференциальной форме.

5. Сопротивление проводников. От чего оно зависит? Единицы измерения сопротивления. Последовательное и параллельное соединение проводников.

6. Электродвижущая сила (ЭДС).

7. Падение напряжения. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Закон Ома для замкнутой цепи.

8. Зависимость сопротивления металлов от температуры (графики).

9. Расчет электрических цепей. Законы Кирхгофа.

10. Работа и мощность тока на участке цепи.

11. Закон Джоуля - Ленца. Закон Джоуля - Ленца в дифференциальной форме.

12. Основные положения классической теории электропроводности. Её недостатки.

13. Классическая теория электропроводности металлов. Модель электронного газа. Вывод закона Ома по классической теории.

14. Вывод закона Джоуля – Ленца по классической теории электропроводности металлов.

15. Недостатки классической теории электропроводности. Закон Видемана-Франца.

16. Принцип Паули и образование зон. Проводники, полупроводники, диэлектрики с точки зрения зонной теории.

17. Уравнение Ферми. Распределение электронов по уровням. Уровень Ферми. Зависимость энергии Ферми от температуры.

18. Собственная проводимость полупроводников (п/п). Зависимость сопротивления п/п от температуры.

19. Примесная проводимость полупроводников (донорная и акцепторная).

20. Полупроводниковый диод. Его устройство, вольт-амперная характеристика, практическое значение.

21. Полупроводниковый триод. Его устройство, включение в цепь, принцип работы и назначение.

22. Работа выхода электрона из металла. Двойной потенциальный барьер.

23. Контактная разность потенциалов (внешняя и внутренняя). Законы Вольта.

24. Явление Зеебека. Причины возникновения термоЭДС. Применение термопар.

25. Явление Пельтье. Эффект Томсона.

 

 

ЗАДАЧИ

 

 

1. Определить заряд, прошедший по проводнику сопротивлением 2 Ом за 10с при равномерном нарастании напряжения на его концах от 4В до 10В.

2. Напряжение на концах проводника сопротивлением 5 Ом за 0,5с равномерно возрастает от 0 до 20В. Какой заряд проходит через проводник за это время?

3. Ток в проводнике меняется со временем t по уравнению I=4+2t, где I – в амперах, t – в секундах. Какое количество электричества q проходит через поперечное сечение проводника за время от t₁=2с до t₂=6с? При каком постоянном токе I₀ через поперечное сечение проводника за то же время проходит такое же количество электричества?

4. Сила тока в проводнике равномерно нарастает от I0=0 до I=2А в течении времени τ=5с. Определите заряд, прошедший по проводнику.

5. На цоколе лампочки накаливания с вольфрамовой нитью накала написано: 120В, 60Вт. При измерении сопротивления этой лампочки в холодном состоянии на мостике Уитстона оказалось, что оно равно всего 20 Ом. Какова нормальная температура накала нити, если температурный коэффициент сопротивления вольфрама α=5·10^-31/°С?

6. Сопротивление электролампочки 120В, 100Вт в накаленном состоянии больше, чем холодном, в 10 раз. Найти её сопротивление R в холодном состоянии и температурный коэффициент сопротивления α, если температура накала нити 2000°С.

7. Определить плотность тока в железном проводнике (ρ=12·10^-8Ом·м) длиной 10м, подающем ток для зарядки аккумулятора. Провод находится под напряжением 12В.

8. Проводник сопротивлением 2 Ом находится под напряжением 8В. Какая работа будет совершена током за 2 секунды? Какой заряд пройдет по проводнику за это время?

9. Сопротивления обмотки электродвигателя 12 Ом. При создании на его клеммах рабочего напряжения 24 В протекает ток 1,5 А. Вычислите ЭДС возникающую в обмотке электромотора при его работе. Обмотка работающего электродвигателя является неоднородным участком цепи.

10. Сила тока в резисторе линейно возрастает за 4с от 0 до 8А. Сопротивление резистора 10 Ом. Определить количество теплоты, выделившееся в резисторе за первые 3с.

11. Сила тока в проводнике сопротивлением R=10 Ом за время t=50с равномерно нарастает от I₁=5А до I₂=10А. Определить количество теплоты Q, выделившееся за это время в проводнике.

12. Плавкий предохранитель изготовлен из медной проволоки длиной 4см сечением 0,2мм² с удельным сопротивлением 1,7·10^-8Ом·м. Для расплавления этой проволоки необходима тепловая энергия 4Дж. За какое время расплавится проволока при токе короткого замыкания 50А?

13. Электроплитка мощностью 1кВт при напряжении 220В включена в сеть. Какой заряд проходит через электроплитку за 5 секунд?

14. В проводнике сечением 4мм² создано поле напряженностью 0,05В/М. При этом по проводнику пошел ток 2А. Вычислите удельную мощность, выделяющую в проводнике.

15. В проводнике сечением 4мм² создано поле напряженностью 0,2В/м. При этом по проводнику прошел ток 16А. Вычислите удельную тепловую мощность в этом проводнике.

16. Спираль электроплитки (нихром с удельным сопротивлением 5,2·10^-6Ом·м) длиной 2,2м и сечением 0,4мм² находится под напряжением 220В. Подводящие провода медные (удельное сопротивление 1,7·10^-8Ом·м) сечением 2,5мм². Вычислите удельную мощность в спирали и подводящих проводах.

17. Ток какой величины и направления будет протекать по участкам цепи с сопротивлением R=2 Ом? Если в первой цепи: φ₁=2В, φ₂=-8В и ɛ=6В; а во второй: φ₁=-10В, φ₂=-4В и ɛ=6В?

 

 

18. Участок цепи сопротивлением R=6,0 Ом содержит три источника напряжения ɛ₁=6В, ɛ₂=4В, ɛ₃=4В, имеющие одинаковые внутренние сопротивления r₁=r₂=r₃=2,0 Ом. Ток какой величины и какого направления будет протекать по этому участку цепи при потенциалах на концах участка: φ₁=4В и φ₂=16В?

19. Четыре сопротивления собраны в схему. R₁ = 3 Ом, R₂ = 7 Ом, R₃ = 6 Ом, R₄ = 4 Ом. Потенциал в точке A равен j_A = 20 В, потенциал в точке B равен j_B = 10 В. В каком направлении пойдёт ток при соединении точек M и K?

20. Три одинаковых сопротивления по 12 Ом каждое собраны в схему и подключены к источнику с ЭДС 36 В и внутренним сопротивлением 4 Ом. Вычислите мощность, выделяющуюся в каждом из сопротивлений.

 

21. Пять одинаковых сопротивления по 12 Ом каждое собраны в схему. Амперметр показывает ток 6А. Вычислите напряжение между точками М и К.

22. Четыре одинаковых сопротивления собраны в схему. На сопротивлении R₁ выделяется мощность 18Вт. Какая мощность выделяется на сопротивлении R₂?

23. Определить, какой ток создает электрон, вращающийся вокруг ядра в атоме водорода, если радиус его орбиты равен 5,3·10^-9см.

24. Определить напряжённость электрического поля в металлическом проводнике при плотности тока равной 4А/мм², если провод длиной 100м при диаметре 3мм имеет сопротивление 0,20 Ом.

25. По проводнику сечением 4мм² с удельным сопротивлением 6·10^-8Ом·м протекает ток 20А. Вычислите напряженность поля в этом проводнике.

26. Определить число электронов, проходящих за время t=1с через поперечное сечение площадью S=1мм² железной проволоки длиной 20м при напряжении на её концах U=16В. Удельное сопротивление железа ρ=12·10^-8Ом·м.

27. Найти величину скорости теплового движения в медном проводнике при температуре 27°С.

28. По алюминиевому проводнику сечением 2мм² протекает ток 4А. Вычислите среднюю скорость направленного движения электронов в этом проводнике. Концентрация электронов в алюминии 6·10²⁸м^-3. Заряд электрона e=-1,6·10^-19Кл.

29. К концам стального проводника сопротивлением 4,5Ом и сечением 0,5мм² приложено напряжение 3,6В. Найти скорость дрейфа электронов в проводнике, если их концентрация равна 4·10²⁸м^-3.

30. При напряженности поля Е=0,1В/м электроны в нихроме движутся со средней скоростью V_др=4·10^-3м/с. Концентрация электронов в нихроме 2·10²⁸м^-3. Вычислите удельное сопротивление нихрома при этих условиях.

31. По металлической проволоке сечением 10^-2см² течет ток I=1А. Считая, что число электронов проводимости равно 8·10²²см³ найти: плотность тока; электронный поток через единицу площади за единицу времени; скорость дрейфа электронов.

32. Удельное сопротивление алюминия 2,5·10^-8Ом·м. Концентрация свободных электронов в алюминии 6·10²⁸м^-3. Вычислите подвижность µ электронов в алюминии.

33. Плотность электрического тока в медном проводе равна 2А/мм². Определить плотность тепловой мощности тока, если удельное сопротивление меди ρ=17нОм·м.

34. Через лампу проходит ток 0,5А. Спираль лампы вольфрамовая (ρ=4·10^-5Ом·м) сечением 0,1мм². Проводящие провода медные (ρ=1,7·10^-8Ом·м) сечением 1,5мм². Вычислите плотности тока и напряженности поля в спирали и проводящих проводах.

35. В проводнике сопротивлением 4 Ом за 2 секунды выделяется 128 Дж тепла. Какой заряд проходит по проводнику за это время?

36. Если на провод длиной 2км и сечением 4мм² подать напряжение 400В, то по нему будет протекать ток 0,8А. Вычислите удельную мощность, выделяющуюся на проводнике.

37. Проводник длиной 2км (удельное сопротивление 2,67·10^-8Ом·м) находится под напряжением 40В. Сколько тепловой энергии выделяется в 1см³ проводника за 1 секунду?

38. В 1мм³ алюминиевого проводника (удельное сопротивление – 2,6·10^-8Ом·м) за 1 секунду выделяется 0,02Дж тепла. Вычислите напряженность поля в этом проводнике.

39. В алюминиевом проводнике (ρ=2,5·10^-8Ом·м) объёмом 20см³ за 12 секунд выделяется 600Дж тепловой энергии. Вычислите напряженность электрического поля в проводнике.

40. Если в речной воде создать электрическое поле напряженностью Е=20В/м, то плотность тока в этом месте реки будет составлять 0,5А/м². Вычислите удельное сопротивление воды. Сколько тепловой энергии будет выделятся в 4м³ воды за время 2с.

41. Концентрация электронов в металле n=8·10²⁸м^-3, а их подвижность µ=0,04м²/В·с. Какой ток будет протекать по проводнику из этого металла сечением 2мм², если в проводнике создать поле напряженностью 0,01В/м? Заряд электрона е=1,6·10^-19Кл.

42. Атомный вес (молярная масса) меди 64·10^-3кг/моль, плотность меди 8900кг/м3. Вычислите концентрацию свободных электронов в меди, предполагая, что каждый атом теряет по одному электрону. Вычислите подвижность электронов в меди, если ее удельное сопротивление 1,7·10^-8Ом·м.

43. Подвижность электронов в германии 0,39м²/В·с, подвижность дырок 0,19м²/В·с. Концентрация электронов и дырок n_е=n_д=2·10¹⁹м^-3. Вычислите удельное сопротивление германия при этих условиях.

44. Подвижность электронов в кремнии 0,16м²/В·с, подвижность дырок 0,05м²/В·с. Концентрация электронов n_е=2·10¹⁹м^-3, концентрация дырок n_д=4·10²²м^-3. Какой будет плотность тока в этом полупроводнике при напряженности поля     5·10^-3В/м? Какой и почему будет тип примесной проводимости в этом полупроводнике?

45. Энергия Ферми для некоторого металла равна 6,000эВ. Вычислите вероятность заполнения электронами уровня с энергией 6,138эВ при температуре 800К. Постоянная Больцмана k=1,38·10^-23Дж/К, где 1эВ=1,6·10^-19Дж.

46. Энергия Ферми для некоторого металла равна 6,000эВ. Вычислите вероятность заполнения электронами уровня с энергией 5,862эВ при температуре 800К. Постоянная Больцмана k=1,38·10^-23Дж/К, где 1эВ=1,6·10^-19Дж.

47. Энергия Ферми для некоторого металла равна 5,00эВ. Вычислите вероятность заполнения электронами уровня с энергией 5,138эВ при температуре 1600К. Постоянная Больцмана k=1,38·10^-23Дж/К, где 1эВ=1,6·10^-19Дж.

48. Энергия Ферми для некоторого металла равна 5,00эВ. Вычислите вероятность заполнения электронами уровня с энергией 4,862эВ при температуре 1600К. Постоянная Больцмана k=1,38·10^-23Дж/К, где 1эВ=1,6·10^-19Дж.

49. Какая температура соответствует средней кинетической энергии электронов, равной работе выхода из лития, если поверхностный скачок потенциала у лития равен 2,4В?

50. При напряжении на вакуумном диоде 2В через него протекает ток 2мА. Какой ток будет протекать через диод при напряжении 8В, при действии закона Богуславского–Ленгмюра?

51. Определить работу выхода электронов из металла, если повышение температуры накала катода от 2000°К до 2001°К увеличивает плотность тока насыщения на 1%.

52. Потенциальные энергетические ямы двух металлов имеют глубины равные W_p1=7,22эВ и W_p2=4,46эВ. Энергии Ферми для этих металлов соответственно равны W_F1=4,28эВ и W_F2=4,3эВ. Вычислите внешнюю и внутреннюю контактные разности потенциалов, возникающие при контакте этих металлов. Из какого металла в какой и почему будут переходить электроны?

53. Энергетические потенциальные ямы двух металлов имеют глубины W_p1=5,36эВ и W_p2=6,31эВ. Работы выхода электронов из этих металлов соответственно равны А₁=1,10эВ и А₂=2,07эВ. Вычислите внешнюю и внутреннюю контактные разности потенциалов для этих металлов. Из какого металла в какой и почему переходят электроны при контакте металлов?

54. Работа выхода электронов из металлов соответственно равны А₁=4,2эВ и А₂=2,3эВ. Потенциальные ямы имеют глубину W_р1=8,9эВ и W_р2=6,9эВ. Из какого металла в какой перейдут электроны? Вычислите внешнюю и внутреннюю контактные разности потенциалов.

55. Гальванометр сопротивлением 50 Ом подключен к дифференциальной термопаре медь-константан. При разности температур спаев в 100°К гальванометр показывает ток 0,1мА. Вычислите удельную термоЭДС α этой термопары.

56. Для определения температуры печи в нее вставили термопару никель-нихром с постоянной α=5·10^-7В/°К, присоединенную к гальванометру с внутренним сопротивлением R=2·10³Ом, с чувствительностью С_i=10^-8А/дел. При температуре второго спая t₂=15°С гальванометр дает отклонение n=25 делений. Какова температура печи? Сопротивлением термопары пренебречь.

57. Удельная термоЭДС термопары железо-висмут равна α=4·10^-5В/К. Сколько тепла будет выделяться (или поглощаться) в спаях этой термопары при комнатной температуре Т=300°К, если через спаи проходит ток 0,5А в течении 8 минут?