Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике

ΔQ = ΔA = R I2 Δt.

Закон преобразования работы тока в тепло - закона Джоуля–Ленца.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена:

Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Билет 9

Для расчета силы тока в разветвленных цепей используют правило Кирхгофа.

Узловые точки (узлы), место в которых сходятся не менее трех проводников. Токи, втекающие в узел, принято считать положительными; вытекающие из узла – отрицательными.

В узлах цепи постоянного тока не может происходить накопление зарядов. Отсюда следует первое правило Кирхгофа: Оно являются обобщением закона Ома на случай разветвленных цепей.

Алгебраическая сумма сил токов для каждого узла в разветвленной цепи равна нулю:I1 + I2 + I3 + ... + In = 0.

Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения электрического заряда.

В разветвленной цепи всегда можно выделить некоторое количество контуров - замкнутых путей, состоящих из однородных и неоднородных участков.

Второе правило Кирхгофа является следствием обобщенного закона Ома. алгебраическая сумма произведений сопротивления каждого из участков любого замкнутого контура разветвленной цепи постоянного тока на силу тока на этом участке равна алгебраической сумме ЭДС вдоль этого контура.

Билет 10

представление о природе носителей тока в металлах основывается на электронной теории проводимости метал­лов, созданной немецким физиком П. Друде (1863—1906) и разработанной впоследствии нидерландским физиком X. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

1) опыт Рикке* (1901), в котором в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндра (Сu, Аl, Сu) одинакового радиуса. В итоге никаких, даже микроскопических, следов переноса вещества не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательством того, что ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов.

2) опыт *К. Рикке (1845—1915) — немецкий физик. Что бы доказать что электроны являются частицами для переноса электричества. необходимо было определить знак и ве­личину удельного заряда носителей.. Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежат российским физикам С. Л. Мандельштаму (1879—1944) и Н. Д. Папалекси (1880—1947). Эти опы­ты в 1916 г. были усовершенствованы и проведены американским физиком Р. Толменом (1881—1948) и ранее шотландским физиком Б. Стюартом (1828—1887). Ими экспериментально доказано, что носители тока в металлах имеют отрицательный заряд, а их удельный заряд приблизительно одинаков для всех исследованных метал­лов. По значению удельного заряда носителей электрического тока и по определенному ранее Р. Милликеном элементарному электрическому заряду была определена их масса. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпадали. Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являютсясвободные электроны.

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атом­ными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электро­ны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. По теории Друде—Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения,как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, применяя выводы молекулярно-кинетической теории (см. (44.3)), можно найти среднюю скорость теплового движения электронов

которая для T=300 К равна 1,1×10⁵ м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока.

При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т. е. возникает электрический ток. Среднюю скорость ávñ упорядоченного движения электронов мож­но оценить согласно формуле (96.1) для плотности тока: j=пeávñ. Выбрав допустимую плотность тока, например для медных проводов 10⁷ А/м², получим, что при концент­рации носителей тока n = 8×10²⁸м^–3 средняя скоростьávñ упорядоченного движения электронов равна 7,8×10^–4 м/с. Следовательно, ávñ<<áuñ, т. е. даже при очень боль­ших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обуслов­ливающего электрический ток, значительно меньше их скорости теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость ávñ + áuñ можно заменять скоростью теплового движения áuñ.

Казалось бы, полученный результат противоречит факту практически мгновенной передачи электрических сигналов на большие расстояния. Дело в том, что замыкание электрической цепи влечет за собой распространение электрического поля со скоростью с (c=3×10⁸м/с). Через время t=l/c (l — длина цепи) вдоль цепи установится стационарное электрическое поле и в ней начнется упорядоченное движение электро­нов. Поэтому электрический ток возникает в цепи практически одновременно с ее замыканием.

Работа выхода электронов из металла — работа, которую нужно затратить для удаления электрона из металла в вакуум. Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности. Подобрав определенным образом покрытие поверхности, можно значительно изменить работу выхода.

Работа выхода выражается в электрон-вольтах (эВ):1эВ равен работе, которую совершают силы поля при перемещении элементарного электрического заряда между точками разность потенциалов между которыми равна 1В. Так как e =1,610–19 Кл, то 1эВ=1,610–19 Дж.

Электронная эмиссия —явление испускания электронов из металлов при сообщении электронам энергии, равной или большей работы выхода.

1. Термоэлектронная эмиссия — испускание электронов нагретыми металлами. Пример использования – электронные лампы.

2. Фотоэлектронная эмиссия — эмиссия электронов из металла под действием электромагнитного излучения. Пример использования — фотодатчики.

3. Вторичная электронная эмиссия — испускание электронов поверхностью металлов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Отношение числа вторичных электронов n2 к числу первичных n1 , вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии: ? = n2 n1 . Пример использования — фотоэлектронные умножители.

4. Автоэлектронная эмиссия — эмиссия электронов с поверхности металлов под действием сильного внешнего электрического поля.

Билет 11

Законы Фарадея количественно описывают закономерности, наблюдающиеся при электролизе - процессе превращения различных веществ при прохождении электрического тока через электролит

1 закон: масса m вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна количеству электричества (заряду Q), прошедшего через электролит: m = kQ, где k - коэффициент пропорциональности, называемый электрохимическим эквивалентом вещества и зависящий от природы вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося на электроде при прохождении заряда, равного 1 Кл, и выражается в кг/Кл. Элементы, проявляющие в химических соединениях различную валентность, имеют несколько значений электрохимического эквивалента.

Второй закон: электрохимические эквиваленты различных веществ прямо пропорциональны их химическим эквивалентам:

,

где A/n - химический эквивалент;

A - атомная или молекулярная масса ионов, нейтрализующихся на электроде;

n - валентность иона;

F - некоторая постоянная величина, называемая числом Фарадея, одинаковая для всех веществ ( одновалентных).

Законы Фарадея можно выразить одним соотношением - объединенным законом Фарадея:

,

где I - сила тока;

t - время прохождения тока.

число Фарадея равно заряду, при прохождении которого через электролит на электроде выделяется 1 моль вещества в расчете на единицу валентности этого вещества. F = 96,5 кКл/моль.

Объединенный закон Фарадея можно вывести, исходя из представлений о том, что каждый ион при электролизе переносит заряд q, кратный некоторому элементарному заряду е: q = nе, где n - валентность иона. Полный заряд, перенесенный N ионами, равен: Q = Nq = Nne. Если m_о - масса одного иона, то вся масса вещества, выделившегося на электроде:

,

где N_А = 6,023·10²³ моль^-1.

Таким образом, мы получаем объединенный закон.

При этом число Фарадея оказывается равным F = N_Ae. Именно по этой формуле еще в 1874 г. был вычислен элементарный заряд - заряд электрона:

e = 96,5×10³ /(6,023×10²³) = 1,6×10 ^-19 Кл.

Законы Фарадея были проверены в различных условиях электролиза: при больших и малых силах тока, при высоких и низких температурах, при различных давлениях, при одновременном выделении нескольких веществ на электродах, при проведении электролиза в различных растворителях и в расплавах, при различных концентрациях электролита. Отклонения от закона Фарадея, которые иногда наблюдаются, объясняются тем, что в некоторых электролитах кроме ионной проводимости присутствует еще и электронная проводимость.

Билет 12 Газы при невысоких температурах и давлениях @ Р атм., являются изоляторами.

Внешние воздействия: нагревание, радиоактивные излучения, ультрафиолетовые и рентгеновые лучи – вызывают в газе появление заряженных частиц (ионов и электронов), обуславливающих их электропроводность.

В естественном состоянии газы не являются проводниками электрического тока. Дляполучения электрического тока в газе его необходимоионизировать,

Процесс образования ионов называется ионизацией газов.

При ионизации образуются: ион⁺, ион^–, электрон.

Энергия ионизации: 5 ¸ 25 эВ .Энергию ионизации можно передать с помощью заряженных частиц, если ускорить их в электрическом поле:

Процесс, обратный ионизации называется рекомбинацией (молизацией).

При рекомбинации энергии выделяется часто в виде светового излучения, поэтому ток в газах сопровождается свечением, причем эта одна из форм свечения, используется в газосветных рекламных трубках.

Постоянный электрический ток в газе возможен лишь тогда, когда процессы ионизациипревалируют над процессами рекомбинации.

Протекание электрического тока в газе называют газовым разрядом. Различаютнесамостоятельный и самостоятельный газовые разряды. Для поддержания несамостоятельного газового разряда требуется внешний ионизатор. Внешними ионизаторами могут служить ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, пучки быстрых заряженных частиц, ионизирующие излучения радиоактивных веществ (α- ,β-, γ- лучи); нагрев газа до высокой температуры (термическая ионизация). Самостоятельный газовый разряд поддерживается за счет внутренних процессов ионизации, которые протекают в газе при приложении электрического поля.

В зависимости от величины Е_К, места нахождения ионов, давления Р – могут иметь место различные виды ионизации:

1. Ионизация ударом (при столкновении с нейтральными молекулами), приводящая к образованию электронных лавин.

2. Вторичная эмиссия электронов (выбивание электронов из катода положительными ионами).

3. Внутренняя фотоионизация (образование ионов при поглощении нейтральными атомами излучения от рекомбинации).

ВЫВОД:Ток в газах – направленное движение ионов и электронов.

Отрицательные ионы, представляющие собой молекулы с лишними электронами, образуются редко, оказываются неустойчивыми и поэтому в газовом разряде существенной роли не играют.

Все газовые разряды делятся на два основных вида:

1. Несамостоятельный газовый разряд возникает в приборе при действии внешних (сторонних) ионизаторов. Этот разряд в свою очередь разделяется на несколько подвидов:

а) тихий разряд (возникает при воздействии на прибор ряда естественных ионизаторов: космических лучей, радиации земной коры, активной деятельности солнца и т. д.);

б) несамостоятельный (низковольтный) дуговой разряд (возникает в ионных приборах с термокатодом). При этом разряде электроны, излучаемые накаленным катодом и ускоряемые электрическим полем анода, производят ударную ионизацию газа.

2.Самостоятельный газовый разряд возникает и поддерживается в приборе только под действием сил электрического поля. Этот газовый разряд также разделяется на несколько подвидов:

а) тихий самостоятельный (коронный) разряд;

б) высокочастотный газовый разряд. Эти разряды поддерживаются исключительно благодаря ударной ионизации молекул газа;

в) тлеющий разряд. При этом газовом разряде ударная ионизация осуществляется электронами, выбиваемыми из холодного катода (ХК) при бомбардировке его поверхности положительными ионами;

г) самостоятельный дуговой разряд, у которого ударная ионизация осуществляется в основном электронами электростатической эмиссии.

Билет 13

Плазмой называется сильно ионизованный газ, в котором концентрации положитель­ных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Различаютвысокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется степенью ионизации a — отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величиныa говорят о слабо (a составляет доли процента), умеренно (a — несколько процентов) и полностью (a близко к 100%) ионизованной плазме.

Заряженные частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоряющем электрическом поле, обладают различной средней кинетической энергией. Это означает, что температура Т_e электронного газа одна, а ионного T_и, — другая, причем Т_e>T_и. Несоответствие этих температур указывает на то, что газоразрядная плазма является неравновесной, поэтому она называется также неизотермической. Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации в газоразрядной плазме восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем. Прекращение действия электрического поля приводит к исчезновению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма является равновесной, или изотермической, т. е. при определенной температуре убыль числа заряженных частиц восполняется в результате термической ионизации. В такой плазме соблюдается равенство средних кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. В состоянии подобной плазмы находятся звезды, звездные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов.

Условием существования плазмы является некоторая минимальная плотность заря­женных частиц, начиная с которой можно говорить о плазмекак таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства L>>D, где L—линейный размер системы заряженных частиц, D — так называемый дебаевский радиус экранирования, представляющий собой то расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими основными свойствами: высокой степенью ионизации газа, в пределе — полной ионизацией; равенством нулю результирующего про­странственного заряда (концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова); большой электропроводностью, причем ток в плазме создается в основном электронами, как наиболее подвижными частицами; свечением; сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями; колебаниями элект­ронов в плазме с большой частотой (»10⁸ Гц), вызывающими общее вибрационное состояние плазмы; «коллективным» — одновременным взаимодействием громадного числа частиц (в обычных газах частицы взаимодействуют друг с другом попарно). Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

Изучение физических свойств плазмы позволяет, с одной стороны, решать многие проблемы астрофизики, поскольку в космическом пространстве плазма — наиболее распространенное состояние вещества, а с другой — открывает принципиальные возможности осуществления управляемого термоядерного синтеза. Основным объектом исследований по управляемому термоядерному синтезу является высокотемпературная плазма (»10⁸ К) из дейтерия и трития.

Низкотемпературная плазма (<10⁵К) применяется в газовых лазерах, в термоэле­ктронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) — установках для непосредственного преобразования тепловой энергии в элект­рическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспективных для длительных космических полетов.

Низкотемпературная плазма, получаемая в плазмотронах, используется для резки и сварки металлов, для получения некоторых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, и т. д.

Билет 14.

связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле. (1820 г. опыты Х. Эрстеда. ) ти опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся ее повернуть.

Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). характеристикой является вектор магнитной индукции который определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.

В 1820 г. французские физики Жан Батист Био и Феликс Савар, провели исследования магнитных полей токов различной формы. А французский математик Пьер Лаплас обобщил эти исследования. Он проанализировал экспериментальные данные и сделал вывод, что магнитное поле любого тока может быть вычислено как векторная сумма (суперпозиция) полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока:

Элемент тока длины dl (рис. 1.4) создает поле с магнитной индукцией:

в векторной форме: ,

Здесь I – ток; – вектор, совпадающий с элементарным участком тока и направленный в ту сторону, куда течет ток; – радиус-вектор, проведенный от элемента тока в точку, в которой мы определяем ; r – модуль радиус-вектора; k – коэффициент пропорциональности, зависящий от системы единиц.

закон Био–Савара–Лапласа устанавливает величину и направление вектора в произвольной точке магнитного поля

Билет 15