Презентация "Постоянный электрический ток" по физике – проект, доклад

ТЕМА XIV. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Если через некоторую поверхность переносится электрический заряд, то говорят, что через эту поверхность течет электрический ток. Электрический ток – это направленное движение электрически заряженных частиц. Для протекания тока необходимо наличие в данном тел (среде) заряженных частиц, которые могут перемещаться в пределах всего тела (среды). Электрический ток возникает при условии, что внутри тела (среды) существует электрическое поле, которое обеспечивает направленное движение носителей тока на фоне их хаотического движения.

Такие частицы называются носителями тока.

2. СИЛА ТОКА

Количественной характеристикой электрического тока служит сила тока – величина электрического заряда, переносимого через рассматриваемую поверхность в единицу времени

Если ток создаётся носителями обоих знаков, то

За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительные носители заряда.

Единица силы тока ампер устанавливается на основе магнитного взаимодействия токов

3. ПЛОТНОСТЬ ТОКА

Распределение тока по рассматриваемой поверхности можно характеризовать с помощью вектора плотности тока

Величина плотности тока численно равна отношению силы тока через площадку, расположенную в данной точке перпендикулярно к направлению движения носителей заряда, к её площади

За направление

принимают направление

скорости упорядоченного движения положительных носителей

4. УРАВНЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОСТИ (I)

Рассмотрим в среде с током произвольную замкнутую поверхность. Поток плотности тока

даёт заряд, скорость убывания заряда, содержащегося в объёме под этой поверхностью.

Выразим заряд в этом объёме как интеграл от плотности заряда по объёму:

Операции интегрирования по координатам и дифференцирования по времени можно поменять местами:

По теореме Остроградского-Гаусса

4. УРАВНЕНИЕ НЕПРЕРЫВНОСТИ (II)

Соотношение

называют уравнением непрерывности.

Оно отражает закон сохранения электрического заряда в дифференциальной форме.

Уравнение также отражает

закон сохранения заряда, но в интегральной форме.

Согласно этим уравнениям в точках, которые являются источниками вектора

происходит убывание заряда.

Для постоянного тока

Это означает, что линии тока замкнуты, т.е. непрерывны.

5. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

В замкнутой цепи необходимы участки, на которых носители движутся против электростатических сил.

Перемещение носителей на этих участках возможно лишь с помощью сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами.

Сторонние силы характеризуют работой, которую они совершают

над перемещающимися по цепи зарядами:

Отношение работы сторонних сил к

заряду, над которым она совершена

называется электродвижущей силой:

6. НАПРЯЖЕНИЕ

Величина, численно равная работе, совершаемой сторонними и электростатическими силами над единичным положительным зарядом, называется напряжением на данном участке цепи.

Результирующая сила, действующая в каждой точке на заряд равна сумме электростатической и сторонней силы:

Работа, совершаемая этой силой над зарядом на участке

определяется выражением:

7. ЗАКОН ОМА (I)

Георг Ом экспериментально установил, что сила тока, текущего по однородному участку цепи, пропорциональна напряжению на этом участке:

Величина

обратная коэффициенту

пропорциональности между силой тока

и напряжением называется сопротивлением этого участка цепи.

Для однородного цилиндрического проводника

– удельное электрическое сопротивление,

– длина проводника,

- площадь его поперечного сечения.

Удельное электрическое сопротивление численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью сечения 1 м2.

7. ЗАКОН ОМА (II)

В изотропном проводнике упорядоченное движение носителей тока происходит в направлении напряжённости поля, т.е.

направления векторов

и совпадают.

Применим закон Ома

для элементарного

участка проводника.

Через поперечное сечение течёт

ток силой

Напряжение на участке цепи

Сопротивление выделенного элементарного участка

Подставим эти выражения в закон Ома

В векторном виде

– з-н Ома в дифференциальной ф-е.

– удельная электрическая проводимость.

8. СОЕДИНЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ

9. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ

10. ЗАКОН ОМА ДЛЯ НЕОДНОРОДНОГО УЧАСТКА ЦЕПИ В ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ФОРМЕ

На неоднородном участке цепи на носители тока действуют не только электростатические, но и сторонние силы:

По закону Ома для однородного участка средняя скорость упорядоченного движения носителей тока пропорциональна электростатической силе.

При наличии нескольких сил, действующих на носители тока, средняя скорость носителей пропорциональна сумме сил, поэтому

Покажем это:

Это закон Ома для неоднородного участка цепи в дифференциальной форме.

11. ЗАКОН ОМА ДЛЯ НЕОДНОРОДНОГО УЧАСТКА ЦЕПИ В ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОРМЕ

Переведём векторную дифференциальную форму закона Ома

в скалярную интегральную форму.

Для этого:

выразим удельную электрическую проводимость

через

удельное электрическое сопротивление

умножим обе части

закона Ома скалярно на элемент линии тока

и на площадь

элементарного объёма проводника

Интегрируя по длине и площади, получим:

12. МОЩНОСТЬ ТОКА

Электростатические и сторонние силы, действующие на данном участке цепи, совершают над прошедшим зарядом работу

Разделив работу на время, за которое она совершена, получим мощность развиваемую током на рассматриваемом участке цепи:

Отношение мощности, развиваемой током в проводнике к объему этого проводника называется удельной мощностью тока

Мощность

развиваемую в объёме

найдём, умножив

число носителей в этом объёме

на мощность

результирующей силы, действующей на каждый носитель тока.

13. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА

Для однородного участка цепи

По закону Ома

Это закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

10. ПРАВИЛА КИРХГОФА

11. КЛАССИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Электроны проводимости в металле ведут себя подобно молекулам газа. В промежутках между столкновениями они движутся свободно, проходя путь между столкновениями (в среднем). Электроны сталкиваются в основном не между собой, а с ионами решетки.

12. ЗАКОН ОМА В КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

13. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА В КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

К концу свободного пробега электрон при- обретает дополнительную кинетическую Энергию Каждый электрон претерпевает за секунду столкновений.

14. ЗАТРУДНЕНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Из классической теории электропровод- ности металлов следует, что сопротивле- ние металлов должно возрастать как корень квадратный из абсолютной тем- пературы. Это противоречит опытным данным, согласно которым сопртивление металлов растет пропорционально T. В рамках классической теории невозмож- но объяснить сверхпроводимость.

15. ЭЛЕКТРОЛИЗ

16. ВИДЫ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ

17. САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ ГАЗОВЫЙ РАЗРЯД

18. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

19. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

20. ТРАНЗИСТОР

21. ВАКУУМНЫЙ ДИОД

22. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА