Электростатика. Постоянный ток

1.Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.

Взаимодействие заряженных тел: одноимённые – отталкиваются, разноимённые – притягиваются.

Закон Кулона – силы взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон сохранения электрического заряда – электрический харяд изолированной системы остаётся постоянным при любых физических процессах, происходящих в системе.

 

2.Электрическое поле. Силовые линии электрического поля. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей.

Электрическое поле – особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов; создаётся неподвижными заряженными телами и частицами и обнаруживается по действию на заряженные тела или частицы.

Силовые линии электрического поля – линии напряжённости, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором напряжённости в этой точке. Непрерывны и не пересекаются.

Напряжённость – сила, действующая на единичный положительный заряд, помещённый в данное электрическое поле. (Е) = Н/Кл.

Принцип суперпозиции:

1.Если поле создаётся несколькими зарядами, то результирующая напряжённость в данной точке есть векторная сумма напряжённостей, созданных отдельными зарядами в той же точке.

2.Потенцеал результирующего поля равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых в данной точк отдельными зарядами.

 

3.Энергетические характеристики электростатического поля. Потенциал и разность потенциалов электрического поля. Напряжение. Связь напряжения с напряженностью электрического поля.

Потенциал – энергетическая характеристика поля, отношение потенциальной энергии заряда к этому заряду. (фи) = В = Дж/Кл.

Разность потенциалов – напряжение, численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда.

Связь напряжения с напряжённостью:

4.Работа электростатического поля по перемещению заряда. Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

Работа электростатичского поля:

А=qEd=-Wp

Проводники - тела, через которые электрические заряды могут проходить от заряженного тела к незаряженному. Например: металлы, расплавы электролитов

Диэлектрики – Тела, через которые электрические заряды не могут преходить от заряженного тела к незаряженному. Например: воздух, эбонит, стекло, слюда, фарфор.

5.Электроёмкость. Конденсаторы. Соединение конденсаторов. Энергия электрического поля конденсатора. Плотность энергии электрического поля конденсатора. Применение конденсаторов.

Электроёмкость – физическая величина, характеризующая способность двух проводников накапливать электрический заряд. (С) = Ф = Кл/В.

, , R

Конденсаторы - двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Соединение конденсаторов:1. Параллельное; 2. Последовательное;

q = q1 + q2 + q3 + …qn, U=U1=U2=…=Un, С = С1 + С2 + С3, Собщ = Сn

 

q1=q2=…=qn, U=U1+U2+U3+…Un, ,

Энергия электрического поля конденсатора:

Плотность энергии электрического поля конденсатора:

 

6.Электрический ток. Сила тока. Сопротивление проводника. Закон Ома для участка цепи.

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц (электроны, положительные и отрицательные ионы)

Напряжение – физическая величина равная полной работе по перемещению единичного положительного заряда. (U)=В

Сопротивление:

Сила тока – физическая величина, численно равная заряду переносимому через поперечное сечение проводника за единицу времени. (I)=А

, I=q0*n*S*v

Плотность тока:

Ток короткого замыкания:

 

7.Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединения проводников. Амперметр и вольтметр в цепи постоянного тока, шунты и добавочные сопротивления.

последовательное соединение

параллельное соединение

Амперметр – прибор для измерения силы тока, включается в цепь последовательно.

Вольтметр – прибор для измерении напряжения, включается в цепь параллельно.

 

 

8.Работа и мощность в цепи постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца.

Работа тока:

Мощность тока:

Закон Джоуля-Ленца:

 

9.Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

ЭДС - в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду.

Закон Ома для участка цепи:

Закон Ома для полной цепи:

 

10.Электрический ток в металлах. Зависимость сопротивления от температуры. Сверхпроводимость.

Электрический ток в металлах – направленное движение свободных электронов.

Зависимость сопротивления от температуры:

Сверхпроводимость – свойство металлов и их сплавов, проявляющееся в том, что их электрическое сопротивление мгновенно падает до нуля, при уменьшении температуры ниже критической, то есть металл становится абсолютным проводником. Критическая температура для металлов – 20 К.

 

11.Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы.

Полупроводники – вещества, которые могут проявлять свойства и проводников (при комнатной температуре) и диэлектриков (при низких температурах). Удельное сопротивление быстро убывает с повышением температуры. В полупроводнике – электронно-дырочная проводимость.

Примесная проводимость – обусловлена наличием в полупроводнике малого количества примесей. Существует два типа примесной проводимости:

Донорная примесь - примесь в кристаллической решётке, которая отдаёт кристаллу электрон. Вводится при ковалентном типе связи. Проводники с донорными примесями обладают электронной проводимостью и называются проводниками n-типа.

Акцепторная примесь - примесь в кристаллической решётке, которая отдаёт кристаллу дырку. Вводится при ковалентном типе связи. Полупроводники с акцепторными примесями обладают дырочной проводимостью и называются проводниками р-типа.

Собственная проводимость -полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок»

Полупроводниковые приборы:

• Интегральные схемы (микросхемы)
• Полупроводниковые диоды (в том числе варикапы, стабилитроны, диоды Шоттки),
• Тиристоры, фототиристоры,
• Транзисторы,
• Приборы с зарядовой связью,
• Полупроводниковые СВЧ-приборы (диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды),
• Оптоэлектронные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, солнечные элементы, детекторы ядерных излучений, светодиоды, полупроводниковые лазеры, электролюминесцентные излучатели),
• Терморезисторы, датчики Холла.

12.Электрический ток в жидкостях. Законы электролиза. Применение электролиза.

Электрический ток в жидкостях – направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных к аноду.

Электролиз – выделение на электродах вещества, входящего в состав электролита при прохождении тока.

Законы электролиза:

1.Масса вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит.

2.При электролизе различных химических соединений одинаковые количества электричества выделяют на электродах массы веществ, пропорциональные их электрохимическим эквивалентам.

Применение электролиза:

Гальваностегия — покрытие металлических изделий тонким слоем другого металла (никелирование, хромирование, серебрение, золочение и т. д.) с целью предохранения от окисления и придания изделию привлекательного внешнего вида. Предмет, подлежащий покрытию, тщательно очищают, хорошо обезжиривают и помещают в качестве катода в электролитическую ванну, содержащую раствор соли того металла, которым должен быть покрыт данный предмет. Анодом служит пластинка из того же металла. Для более равномерного покрытия обычно применяют две пластинки в качестве анода, помещая предмет между ними.

Гальванопластика — электролитическое изготовление копий с рельефных предметов (медалей, гравюр, барельефов и т. д.). С рельефного предмета делают восковый или иной слепок. Затем поверхность слепка покрывают тонким слоем графита, чтобы она стала проводящей. В таком виде слепок используется в качестве катода, который опускают в электролитическую ванну с раствором медного купороса. Анодом служит медная пластинка. Когда на слепке нарастет достаточно толстый слой меди, электролиз прекращают и воск осторожно удаляют. Остается точная медная копия оригинала.

Рафинирование меди - медь является лучшим материалом для изготовления проводников, но для этого она должна быть лишена каких бы то ни было примесей. Очищение меди от примесей называется рафинированием (очисткой) меди. Массивные куски (толстые листы) неочищенной меди, полученной при выплавке из руды, являются анодом, а тонкие пластинки из чистой меди — катодом. Процесс происходит в больших ваннах с водным раствором медного купороса. При электролизе медь анода растворяется; примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно в виде осадка (шлама), а на катоде оседает чистая медь. Таким же образом производят рафинирование некоторых других металлов.

Получение алюминия - при помощи электролиза получают алюминий. Для этого подвергают электролизу не растворы солей этого металла, а его расплавленные оксиды. В угольные тигли насыпают глинозем (оксид алюминия Аl2O3), полученный путем переработки бокситов — руд, содержащих алюминий. Тигель служит катодом. Анодом являются угольные стержни, вставленные в тигель. Сначала угольные стержни опускают до соединения с тиглем и пропускают сильный ток. Глинозем при прохождении тока нагревается и расплавляется. После этого угли поднимают, ток проходит через жидкость и производит электролиз. Расплавленный алюминий, выделяющийся при электролизе, опускается на дно тигля (катод), откуда его через особое отверстие выпускают в формы для отливки.

 

13.Электрический ток в вакууме. Электровакуумные приборы. Электрический ток в газах. Газовые разряды.

Электрический ток в вакууме – движение электронов, вылетевших в результате термоэлектронной эмиссии.

Вакуум – сильно разряженный газ, в котором длина свободного пробега молекул намного меньше размеров сосуда.

Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов с поверхности нагретого тела.

Электрический ток в газах – движение электронов и ионов.

Газовые разряды - совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии.

• Дуговой разряд для сварки и освещения.
• Сверхвысокочастотный разряд
• Тлеющий разряд как источник света в люминесцентных лампах и плазменных экранах.
• Искровой разряд для зажигания рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания.
• Коронный разряд для очистки газов от пыли и других загрязнений, для диагностики состояния конструкций.
• Плазмотроны для резки и сварки.
• Разряды для накачки лазеров, например гелий-неонового лазера, азотного лазера, эксимерных лазеров и т. д.