Реферат Курсовая Конспект
Сегнето-, пиро- и пьезоэлектрики. - раздел Физика, ОБЩАЯ ФИЗИКА Электрический Диполь - Совокупность Двух Равных По Вел...
|
Электрический диполь - совокупность двух равных по величине разно-именных точечных зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.
- q + q
l
P = q × l - момент диполя (направлен в сторону +q)
В однородном электрическом поле напряженности Е на диполь дейст-вует пара сил:
М = P × E × sina - вращающий момент пары сил, где a - угол между Р и Е.
В каждой молекуле находятся одновременно [-] и [+] заряды Þ моле-кулы являются диполями.
Помещенный в электрическое поле диэлектрик приобретает поляр-ность. Это явление называется поляризацией диэлектрика.
После исчезновения электрического поля поляризация исчезает. Суще-ствуют такие диэлектрики, у которых поляризация сохраняется и после ис-чезновения поля. Это так называемые сегнетоэлектрики (сегнетова соль, ти-танат бария). Некоторые кристаллические диэлектрики (кварц, турмалин и др.) поляризуются при механической деформации - пьезоэлектрики. Вещест-ва, которые поляризуются при изменении температуры (сернокислый литий) называются пироэлектриками.
4.3.6. Электрическое поле в диэлектрике.Диэлектрическаяпроницаемость среды. Вектор электрической индукции. Законы и соотношения электростатики в диэлектрике.
Поляризация диэлектрика в электрическом поле ведет к ослаблению этого поля внутри диэлектрика, т.к он создает собственное поле Е 1 , направ-ленное против внешнего поля Е 0 . Таким образом, результирующая напря-
женность поля в диэлектрике меньше напряженности внешнего поля:
Е = Е 0 - Е1
Относительной диэлектрической проницаемостью среды называется отношение напряженности поля в вакууме к напряженности поля в однород-ной изотропной диэлектрической среде при неизменных зарядах, создающих поле:
e = EE0
e A = e 0 e - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.
D = e0 ×e × E - вектор электрической индукции.
Все соотношения , описывающие электрическое поле и взаимодействие электрических зарядов в вакууме, справедливы и в случае, когда явления имеют место в однородном изотропном диэлектрике:
q1q2 | q1 | |||||||||||
F = | - закон Кулона; | E = | - напряженность; | |||||||||
4pe er2 | 4pe | er 2 | ||||||||||
Q | n | |||||||||||
j = | - потенциал; N = | åqi | - теорема Остроградского-Гаусса; | |||||||||
4pe0er | e 0e | |||||||||||
D = | q | - вектор электрической индукции; | ||||||||||
4pr2 | ||||||||||||
4.3.7. Конденсаторы.Параллельное и последовательное соединениеконденсаторов. Энергия электрического поля конденсатора.
Электрическая система, состоящая из проводников (обкладок), разде-ленных диэлектриками, называется конденсатором.
r
E
S
d | ||
q | - электроемкость конденсатора; | |
C = j -j | ||
где q - заряд одной из обкладок, j1 - j2 - разность потенциалов между об-
кладками . | |
C = e0×e× S | - емкость плоского конденсатора; |
d |
где d - расстояние между обкладками, S - площадь каждой обкладки,
d = Sq - поверхностная площадь заряда, e - диэлектрическая проницае-
мость диэлектрика;
W = e0 ×e × E2W | - энергия электрического поля конденсатора; |
где W = S × d - объем между обкладками конденсатора; Е – напряженность электрического поля; Параллельное соединение конденсаторов:
C = C1 + C2 + C3 + …+Сn - общая электроемкость; Последовательное соединение конденсаторов:
= | + | + | + ... + | - величина, обратная общей электроемкости. | ||||||||||||
C | C | C | C | С | п | |||||||||||
+ | U | _ | + | U | _ | |||||||||||
C1 | ||||||||||||||||
C2 | U1 | U2 U3 | Un+ | |||||||||||||
C3 | +C1 - +C2 - +C3 - | +Cn - | ||||||||||||||
Cn | ||||||||||||||||
Параллельное | Последовательное | |||||||||||||||
соединение | соединение |
4.3.8. Электрический ток.Источник тока.Электродвижущая силаисточника тока. Напряжение. Сила и плотность тока.
Электрическим током называется направленное упорядоченное движе-ние электрических зарядов. Упорядоченное движение зарядов может проис-ходить за счет следующих факторов:
1. Электрических (кулоновских) сил, под действием которых [+] заряды бу-дут двигаться вдоль силовых линий поля, [-] - против линий поля.
2. Сил неэлектрической природы (магнитные, механические и др.), так назы-ваемых сторонних сил.
Энергетической характеристикой электрического поля является раз-ность потенциалов:
Дц = ц1 - ц 2 = Aqкул ,
где q – заряд, Акул – работа кулоновских сил по перемещению заряда из одной точки в другую.
Для поддержания в цепи проводника непрерывного упорядоченного движения электрических зарядов необходим источник тока. Внутри источни-ка тока разделению и переносу зарядов препятствуют:
1. Внутреннее электрическое поле источника, направленное от [+] полюса к [-] полюсу.
2. Внутреннее сопротивление среды источника.
Поэтому работа сторонней электроразделительной силы источника тока:
А = Акул + Асопр
где Асопр - работа против сил сопротивления среды источника тока.
Акул = q(j1 - j2 ) - работа против сил электрического поля внутри источника.
Электродвижущей силой (ЭДС ) называется работа, совершаемая сто-ронней электроразделительной силой внутри источника тока при перемеще-нии между его полюсами единичного заряда.
e = | A | Þ e = (j - j | )+ | Ac | [e] = 1В | ||
q | q | ||||||
Если полюсы источника разомкнуты, то Асопр = 0 (сторонняя сила не перемещает заряды внутри источника, а лишь поддерживает установившееся разделение зарядов), то e = j1 - j2 Þ ЭДС равна разности потенциалов между
разомкнутыми полюсами источника тока.
Разность потенциалов на полюсах источника тока, замкнутого внешней электрической цепью, называется напряжением.
U | < e на | Ac | [U] = 1В | |
q | ||||
Количественной характеристикой тока является сила тока - количество электричества, проходящего в единицу времени через поперечное сечение проводника
I = lim | Dq | = | dq | [I] = 1А | |
Dt | dt | ||||
Dt ®0 |
Плотностью тока называется величина, равная отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.
i = | I | [i] = | A | |
S | м2 | |||
Если сила тока и его направление не изменяются с течением времени, то такой ток называется постоянным.
4.3.9. Закон Ома для участка цепи.Электропроводность.Сопротивление проводников.
Движение электронов в металлических проводниках затруднено их столкновениями с ионами кристаллической решетки металла, т.к. электроны при этом теряют свою скорость. Немецкий физик Ом (1826г.) эксперимен-тально установил:
I = k × U
где k - коэффициент пропорциональности, называемый электропроводно-стью проводника.
Величина R = K1 называется электрическим сопротивлением проводника
[R] = BA = Ом
Таким образом , сила тока в проводнике пропорциональна приложен-ному направлению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
I = UR - закон Ома для участка цепи.
1 Ом - сопротивление проводника, на концах которого при силе посто-янного тока 1А поддерживается напряжение 1В.
Экспериментально установлено:
R = rSl , где r - удельное сопротивление вещества проводника.
l - длина проводника.
S - площадь поперечного сечения.
Þ I = | U × S | или | I | = | × | U | , | ||||||||
r × l | S | r | l | ||||||||||||
где | I | = i - плотность тока, | = g - удельная проводимость вещества | ||||||||||||
S | r | ||||||||||||||
U = E (drag j) l
Þ i = g × E - закон Ома для участка цепи в дифференциальной форме
Сопротивление проводников зависит от температуры.
R = R0 (1 +at0 ),
где R0 - сопротивление при температуре 00 C
a - температурный коэффициент сопротивления; t0 - температура.
4.3.10. Работа и мощность постоянного тока.Закон Джоуля-Ленца.Закон Ома для полной цепи.
При переносе количества электричества q между двумя точками с раз-ностью потенциалов U = j1 - j2 совершается работа:
A = q×U
Учтем: I = qt , где I – сила тока, t – промежуток времени.
Получим: A = I ×U ×t ; [A] = Дж
Работа, совершаемая током в единицу времени, называется мощностью
тока: | N = | A | = I ×U ; [N ] = Вт | |
t | ||||
Постоянный ток всегда вызывает некоторое нагревание вещества. Если падение напряжения U в проводнике вызвано только его сопротивлением, то вся работа тока идет на нагревание проводника и среды.
Q = A = I ×U ×t - закон Джоуля-Ленца Закон Ома для полной цепи:
Сила тока пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
I = Re+ r ,
где e - ЭДС источника тока, r - внутреннее сопротивление источника тока, R - внешнее сопротивление нагрузки.
4.3.11. Разветвленные электрические цепи.Правила Кирхгофа.Параллельное и последовательное соединение проводников.
Электрические цепи, состоящие из одного замкнутого проводящего контура , называются неразветвленными. Определение I, e и R в них осущест-вляется с помощью законов Ома.
Электрическая цепь, состоящая из нескольких замкнутых проводящих контуров, имеющих общие участки, называется разветвленной. В каждом контуре может быть несколько источников тока. Расчет разветвленной цепи по законам Ома затруднителен, но может быть упрощен применением правил Кирхгофа. Узел разветвленной цепи - точка в которой сходится не менее трех проводников.
Iправило Кирхгофа: Алгебраическая сумма сил тока в узле разветвле-
n
ния равна нулю: åIi = 0
i =0
II правило Кирхгофа: В замкнутом контуре разветвленной цепи алгеб-
раическая сумма произведений токов на сопротивления (включая и внутрен-ние) равна алгебраической сумме э.д.с., действующих в замкнутом контуре:
m | k |
åеi | = åI jR j |
i=0 | j=0 |
Последовательным называется такое соединение , при котором провод-ник соединяется только с одним предыдущим и одним последующим про-водниками.
j0 | j1 | j2 | jn-1 | jn | |||||||
R1 | R2 | Rn | |||||||||
Сила тока, протекающего по всем проводникам одна и та же:
I1 = I2 = … = In = I.
Напряжение на каждом сопротивлении:
U1 = IR1; U2 = IR2; … Un = IRn.
Напряжение на всем участке:
U = j0 - jn = j0 - j1 + j1 - j2 + j2 - j3 + …+ jn-1 - jn = U1 + U2 + … + Un.
n
→ U = åUi
i=1
n n n
→ IRпосл = åIRi = IåR i Þ R посл = åR i
i=1 i=1 i=1
Таким образом, сопротивление при последовательном соединении:
Rпосл = R1 + R2 + … + Rn.
Параллельным называется такое соединение проводников, при котором одни их концы образуют один узел, а другие – другой узел.
R1 | |||
A | R2 | B | |
Rn
Напряжение при параллельном соединении:
U1 = U2 = … = Un = U.
Сила тока при параллельном соединении:
I = I1 + I2 + … + In
По закону Ома для участка цепи:
I1 = | U | ; | I2 = | U | ; | In | = | U | ; I = | U | , где R - полное сопротивление цепи. | ||||||||||||
R2 | Rn | R | |||||||||||||||||||||
R1 | |||||||||||||||||||||||
Тогда: | U | = | U | + | U | + ...+ | U | . | |||||||||||||||
R | R | R | |||||||||||||||||||||
R | n | ||||||||||||||||||||||
Таким образом, величина,обратная сопротивлению при параллельномсоединении:
= | + | + ... + | |||||
R | пар | R | R | R | n | ||
4.3.12. Контактная разность потенциалов.Термоэлектрические явления. Термопара.
Iзакон Вольта - контактная разность потенциалов двух металлов зави-сит только от их химического состава и температуры.
j - j | = - | A1 - A2 | + | kT | ln × | n01 | |||||
e | e | n02 | |||||||||
где A1 ; | A2 | - работа выхода электрона из металла 1 и 2, | |||||||||
n01 | ; n02 | - концентрация электронов, | k - постоянная Больцмана, |
Т - абсолютная температура, е - заряд электрона.
IIзакон Вольта - разность потенциалов между концами разомкнутой цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных металличе-ских проводников, имеющих одинаковую температуру, не зависит от проме-жуточных проводников и равна контактной разности потенциалов, возни-кающей при непосредственном контакте концевых проводников.
j - j | n | = - | A1 - An | + | kT | ln × | n01 | |
e | e | n0n | ||||||
Зависимость контактной разности потенциалов от температуры приво-дит к явлению, которое называется термоэлектрическим эффектом, который приводит к появлению термоэлектродвижущей силы:
e = a (Ta - Tв)
Замкнутая цепь проводников, создающая ток за счет различия темпера-туры контактов между проводниками, называется термопарой.
Таким образом, e - ЭДС термопары, Тa , Тb – температуры спаев,
a = | k | ln | n01 | - постоянная термопары. | |
e n | |||||
Термопара позволяет измерить очень высокие и очень низкие темпера-туры в труднодоступных местах (вулканы, доменные печи, очаги химическо-го и радиоактивного загрязнения и др.).
4.3.13. Электрический ток в электролитах.Законы электролиза Фарадея.
Проводниками второго рода (электролитами) называются вещества, в которых прохождение электрического тока сопровождается электролизом (выделением на электродах продуктов вторичных реакций). Электрический ток в электролитах обусловлен направленным движением ионов(катионов и анионов) и связан с переносом вещества.
Закон Ома для электролитов:
j = q × n × (в+ + в- )× E = g × E , где: j = q × n × (V + +V- ) - плотность тока;
q - заряд иона;
n - концентрация ионов;
V+ и V- - скорость катионов и анионов;
в+ в- - подвижность катионов и анионов (V+ = в+ × Е ; V- = в- × E ); Е - напряженность поля;
q × n × (в+ + в- ) = g - электропроводимость электролита.
І закон Фарадея - масса вещества, выделившегося при электролизе на электродах пропорциональна силе тока и времени его прохождения через электролит:
m = k × I × t , где k = F1 × ZA - электрохимический эквивалент вещества;
А - атомный вес; Z - порядковый номер; F - число Фарадея.
ІІ закон Фарадея - электрохимические эквиваленты веществ пропор-циональны их химическим эквивалентам.
kx = C , где x = ZA - химический эквивалент вещества;
4.3.14. Ионизация газов.Несамостоятельный газовый разряд.
Газ при нормальных условиях состоит из нейтральных молекул и по-этому является нейтральным. При ионизации из молекулы газа вырывается один электрон, и молекула становится положительным ионом. В ионизиро-ванном газе имеются положительные и отрицательные ионы и свободные электроны. При прекращении ионизации концентрация ионов в газе быстро падает до нуля (из-за рекомбинации) и ток прекращается.
Ток, для существования которого необходим внешний ионизатор, на-зывается несамостоятельным газовым разрядом.
Коэффициентом ионизации g называют отношение числа ионов одного знака N к общему числу молекул газа.
г = N N0
4.3.15. Самостоятельный газовый разряд,его виды.Атмосферное электричество. Ток в плазме.
При достаточно сильном электрическом поле в газе начинаются про-цессы самоионизации, благодаря которым ток может существовать и при от-сутствии внешнего ионизатора. Такого рода ток называется самостоятельнымгазовым разрядом. В зависимости от давления, температуры и химического состава газа различают искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.
Электрические явления в атмосфере определяются поляризацией обла-ков и их взаимодействием с Землей. Проводимость атмосферы возрастает под действием космических лучей, радиации, ультрафиолетового излучения. Генераторами атмосферного электричества являются пылевые бури, вулка-ны, осадки и промышленные выбросы. Важную роль в атмосферном элек-
тричестве играет молния, которая возникает в результате фотонной иониза-ции.
Электронно-ионная плазма представляет собой газ в состоянии высо-кой степени ионизации. В природе плазма встречается в космических телах. Недра звезд и Солнца состоят из водородной плазмы. При высоких темпера-турах и давлениях происходит реакция синтеза ядер и образование гелия.
При этом выделяется огромная ядерная энергия.
4.3.16. Ток в полупроводниках.Собственная и примесная проводимостьполупроводников. Применение полупроводников.
Полупроводники – распространенные в природе вещества, занимаю-щие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по проводимости. Проводимость полупроводника зависит от температуры, ос-вещенности, наличия примесей и технологии их изготовления.
При внешних воздействиях проявляются электронная проводимость (n – типа), дырочная проводимость (р – типа), которые определяют механизм собственной проводимости полупроводника.
При легировании полупроводников различными примесями возникают донорная и акцепторная проводимости, которые определят механизм при-месной проводимости полупроводника.
Полупроводниковые приборы, использующие контакт двух разнород-ных полупроводников, находят широкое применение в оптоэлектронике, ин-тегральной оптике , в вычислительной технике, в линиях волоконно-оптической связи, информационных системах, солнечной энергетике и др.
4.3.17. Магнитное поле.Магнитное взаимодействие токов в вакууме.Закон Ампера.
Магнитное поле – особая форма материи, которая представляет собой часть пространства , в котором проявляется взаимодействие подвижных элек-трических зарядов.
Магнитное взаимодействие токов в вакууме определяется с помощью закона Ампера:
dF | = | m0 × I1 × I2 × dl1 × dl2 × sin a ×sin b | , где | |
4p × r2 | ||||
dl1 ; dl 2 - длины участков проводников с токами;
I1 ; I2 - силы тока в них;
r12 - расстояние между участками проводников;
a - угол между dl1 и r12 ;
b - угол между dl 2 и нормалью n к плоскости, содержащей dl1 и r12
µ = 4p ×10-7 é гнù - магнитная постоянная.
0 ê ú ë м û
4.3.18. Напряженность магнитного поля.Закон Био-Савара-Лапласа.Формула Ампера.
Количественной характеристикой магнитного поля является его на-пряженность, которая определяется законом Био-Савара-Лапласа:
dH = | I × dl × sin a | ; | [H ] = | A | . | |
4p × r 2 | ||||||
M |
Формула Ампера выражает зависимость силы, с которой магнитное по-ле действует на находящейся в ней элемент тока I0 × dl0 , от напряженности
этого поля:
dF = m0 × I0 × dl0 × dH ×sin b
Схематически магнитное поле изображается с помощью силовых ли-ний напряженности, которые всегда замкнуты.
4.3.19. Магнитное поле в веществе.Магнитная проницаемость вещества.Диа-, пара- и ферромагнетики. Индукция магнитного поля. Поток магнитной индукции.
Влияние среды на магнитное поле характеризуется особой величиной, которая называется магнитной проницаемостью среды (m):
· Вещества, для которых m < 1, называется диамагнетиками (ослабляют пер-воначальное магнитное поле) - (фосфор, висмут, ртуть, золото, серебро, медь и др.);
· Вещества, для которых m > 1 - парамагнетики (усиливают первоначальное магнитное поле) - (алюминий, вольфрам, платина и др.).
· Вещества, для которых m >> 1 - ферромагнетики (существенно усиливают первоначальное магнитное поле) - (железо, никель, кобальт и их сплавы).
Для вакуума m = 1.
Магнитное поле в веществе принято характеризовать магнитной ин-дукцией В.
B = m0 × m × H ; [B]= 1Tл
Величина ma = m0 × m называется абсолютной магнитной проницаемо-
стью среды.
Поток магнитной индукции сквозь некоторою поверхность S равен числу линий индукции, пронизывающей эту поверхность.
Ф = B × S = m0 × m × H × S ; [Ф]= 1Bб
4.3.20. Действие электрического и магнитного полей на движущийсяэлектрический заряд. Сила Лоренца.
Заряженная частица (электрон), влетающая в электрическое или маг-нитное поле, изменяет свою траекторию.
В электрическом поле электрон движется по параболе:
У = me × 2 ×Eu2 × x2 - отклонение от первоначального направления движения, где:
me - удельный заряд электрона;
E - напряженность электрического поля;
υ - скорость электрона;
x - первоначальное направление движения.
В магнитном поле электрон движется по окружности под действием центростремительной силы: r = me××Bu - радиус окружности.
Роль центростремительной силы выполняет сила Лоренца:
F = e ×u × B
4.3.21. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея. Правило Ленца.
Явление возникновения электрического тока посредством магнитного поля называется электромагнитной индукцией. Ток, возбуждаемый магнит-ным полем в замкнутом контуре, называется индукционным.
Для электромагнитной индукции справедлив закон Фарадея:
Электродвижущая сила (ЭДС) индукции, возникающая в контуре, пря-мо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через любую поверхность, опирающуюся на данный контур.
e = - ddtФ
Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца:
Индукционный ток имеет такое направление, что своим магнитным полем он препятствует изменению магнитного потока, вызывающему явле-ние индукции
4.3.22. Взаимоиндукция.Самоиндукция.Индуктивность.Энергия магнитного поля.
Взаимная индукция - возбуждение тока в контуре при изменении тока в другом (соседнем) контуре.
ЭДС взаимной индукции, возникающая в контуре, пропорциональна скорости изменения тока в соседнем контуре и зависит от взаимной индук-тивности этих контуров.
e 2 | = - | dФ2 | = -M | dI1 | |
dt | dt | ||||
Взаимная индуктивность М двух контуров равна отношению магнит-ного потока Ф2, связанного с одним из контуров, к силе тока I1, идущему по
Ф | æ | Вб ö | ||||||
другому контуру. | М = | , | [M ]= Гнç | ÷ | ||||
I1 | è | А ø |
Самоиндукция – явление возникновения индукционного тока посред-ством собственного магнитного потока.
ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока в контуре и индуктивности контура:
e = - ddtФ = -L dIdt
Знак [-] показывает, что ЭДС самоиндукции всегда препятствует изме-нению силы основного тока.
Индуктивность контура равна отношению связанного с ним магнитно-го потока к силе основного тока, проходящего по контуру:
L = | Ф | , [L]= Гн | |
I | |||
Энергию магнитного поля контура можно вычислить следующим обра-
зом:
W = LI22
4.3.23. Переменный ток, его характеристики. Работа и мощность
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
Кафедра общей физики... Дубинянский Ю М Шостка В И...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Сегнето-, пиро- и пьезоэлектрики.
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов