Металлическое тело в электрическом поле
Обновлено: 08.07.2024
Металлы в электрическом поле. Поле внутри проводника. Диэлектрики в электрическом поле. Относительная диэлектрическая проницаемость среды. Пьезоэлектрики.
Диэлектрики – вещества, в которых нет свободных электрических зарядов.
В металлах носителями зарядов являются свободные электроны. В центре металлического проводника (внутри) напряженность электрического поля равна 0. (поле полностью отсутствует)
Диэлектрическая проницаемость среды – величина, характеризующая, во сколько раз электрическое поле ослабевает.
Диэлектрическая проницаемость среды:
Пьезоэлектрики – диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, т.е. те, которые могут, либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности, либо под влиянием внешнего поля деформироваться.
Электроемкость уединенного проводника.
Электроемкость – физическая величина, которая характеризует способность конденсатора накапливать электрический заряд и энергию электрического поля.
Измеряется в Фарадах (1Ф) 1Ф – электроемкость Земли
Обозначается буквой С
Конденсатор. Емкость конденсатора. Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов.
Конденсатор – устройство для накопления заряда.
С=q/U Чем больше расстояние между пластинками плоского конденсатора, тем меньше емкость конденсатора. Чем меньше площадь пластин, тем меньше емкость конденсатора.
W=CU^2/2 W=qU/2 W=q^2/(2C)
Применение: вспышка, кнопки телефона, калькулятора…
Электрический ток и условия его возникновения (источники тока – аккумуляторы и гальванические элементы)
Электрический ток – упорядоченное направленное движение заряженных частиц.
1 Наличие свободных заряженных частиц
2 Внутри проводника нужно создать электрическое поле.
Гальванический элемент. Придумал Гальвани.
Напряжение. Вольтметр.
Напряжение – физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы. Напряжение показывает какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда на данном участке.
U=A/q (1Вольт) (1В) 1В=1Дж/1Кл
Прибор для измерения – Вольтметр. Включается в цепь параллельно с измеряемым участком. Соблюдать ПОЛЯРНОСТИ!
Сила тока. Единица силы тока. Включение в цепь амперметра.
Зависит от заряда носителя(q), концентрации(n), площади поперечного сечения(S).
Силой тока 1А принято называть такую силу тока, при которой два параллельных проводника, расположенных на 1м друг от друга взаимодействуют с силой 2*10 -7 Н.
Ток 0.001А – безопасен.
Прибор для измерения силы тока – амперметр. Амперметр включается в сеть последовательно с нагрузкой. При подключении соблюдать ПОЛЯРНОСТИ! БЕЗ НАГРУЗКИ не включать.
Сопротивление.
Для данного проводника отношение напряжения к силе тока в нем – величина постоянная. Это свойство называется сопротивлением.
Способность проводника ограничивать силу тока в нем называется сопротивлением.
Закон Ома: На участке цепи сила тока прямопропорциональна напряжению и обратнопропорциональна сопротивлению.
Сопротивление зависит от: Материала проводника, Его длины, Площади поперечного сечения, Температуры.
Удельное сопротивление – это сопротивление проводника длиной 1м и площадью поперечного сечения 1мм^2.
Сопротивление прямопропорционально температуре. У электролитов сопротивление обратнопропорционально температуре.
Реостат – прибор для изменения силы тока в цепи.
Законы последовательного соединения.
Законы параллельного соединения.
Работа и мощность тока. Нагревание током. Закон Джоуля-Ленца. Короткое замыкание. Предохранители.
Мощность показывает какая работа совершается за единицу времени.
Единица мощности – Ватт (1Вт) 1Вт=1Дж/1с
Нагревание током – Закон Джоуля-Ленца –
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.
Магнетизм.
Оптика
Закон невзаимодействия пучков света. Применение на практике, границы применения. Опыты, подтверждающие применимость этого закона.
Существует 3 закона геометрической оптики:
1. В однородной среде свет распространяется прямолинейно.
Дисперсия и ее причина. Последовательность цветов. Объяснение возникновения окрашенности окружающего мира. Примеры. Светофильтры.
Дисперсия – явление зависимости показателя преломления от длины волны, иначе, от частоты. Дисперсия – явление разложения белого света, сложного света, на его составные части, в результате прохождения через призму, в которой разница показателей преломления для каждого цвета становится причиной разложения.
Светофильтр – тело, которое отражает все цвета, кроме одного определенного.
Электричество.
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!
Металлическое тело в электрическом поле
Тип 12 № 6650Металлическая проволока сопротивлением 4 Ом изогнута в виде окружности с диаметром AB. К точке A прикреплена неподвижная клемма. Вторую клемму C можно двигать вдоль окружности (с сохранением электрического контакта). Клемму C совмещают с точкой B на окружности. Чему при этом становится равно электрическое сопротивление между клеммами?
Считая, что проволока однородная, получаем, что сопротивление верхнего полукольца AB и нижнего равны между собой и равны Сопротивление полученной электрической схемы — это сопротивление параллельно подключенных проводников:
Тип 12 № 6689Металлическая проволока сопротивлением 16 Ом изогнута в виде окружности с диаметром AB. Вторую клемму C можно двигать вдоль окружности (с сохранением электрического контакта). Клемму C совмещают с точкой D на окружности. Чему при этом становится равно электрическое сопротивление между клеммами?
Считая, что проволока однородная, получаем, что сопротивление длинной части кольца ABD равно А сопротивление короткой части кольца — Сопротивление полученной электрической схемы — это сопротивление параллельно подключенных проводников:
Аналоги к заданию № 6650: 6689 Все
Задания Д5 B8 № 6727Четыре металлических бруска положили вплотную друг к другу, как показано на рисунке. Стрелки указывают направление теплопередачи от бруска к бруску. Выберите верное утверждение о температурах брусков.
1) Брусок А имеет самую высокую температуру.
2) Брусок C имеет самую низкую температуру.
3) Температура бруска В ниже, чем бруска С.
4) Температура бруска D ниже, чем бруска В.
Теплота самопроизвольно передаётся только от более горячих тел к более холодным, то есть тело D — имеет самую высокую температуру, температура тела C больше, чем тела В и тело A — самое холодное.
Задания Д9 B15 № 6732В некоторой области пространства, ограниченной плоскостями AB и CD, создано однородное магнитное поле. Металлическая квадратная рамка, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции магнитного поля, движется с постоянной скоростью направленной в плоскости рамки перпендикулярно её стороне (см. рис.). На каком из графиков правильно показана зависимость от времени ЭДС индукции в рамке, если в начальный момент времени рамка начинает пересекать линию АВ, а в момент времени t0 передней стороной пересекает линию CD?
ЭДС индукции вычисляется по формуле: где l — длина вертикальной стороны рамки, заметим, что пока рамка полностью не вошла в магнитное поле или полностью не вышла из него ЭДС индукции постоянно и равно ЭДС индукции возникает тогда, когда возникает изменение магнитного потока через рамку, поэтому ЭДС индукции равна нулю когда рамка целиком находится в магнитном поле или целиком находится вне поля. Таким образом, верное значение ЭДС указано на рисунке 4.
Тип 26 № 6868Какова длина волны света, выбивающего из металлической пластинки фотоэлектроны, максимальная кинетическая энергия которых составляет 25% от работы выхода электронов из этого металла? Красная граница фотоэффекта для данного металла соответствует длине волны 500 нм. Ответ приведите в нанометрах, округлив до целых.
При длине волны, равной красной границе фотоэффекта энергия волны равна работе выходе из металла. Следовательно, откуда
Аналоги к заданию № 6835: 6868 Все
Тип 18 № 7058Фотон с энергией 7 эВ выбивает электрон из металлической пластинки с работой выхода 2 эВ (катода). Пластинка находится в сосуде, из которого откачан воздух. Электрон разгоняется однородным электрическим полем напряженностью До какой скорости электрон разгонится в этом поле, пролетев путь вдоль линии поля? Ответ дайте в 10 6 м/с, округлив до десятых. (Заряд электрона — 1,6·10 −19 Кл, масса электрона — 9,1·10 −31 кг. Релятивистские эффекты не учитывать.)
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
Энергия ускоренных электронов:
Выражаем конечную скорость электрона:
Аналоги к заданию № 7090: 7058 Все
Тип 25 № 7059Препарат с активностью 1,7·10 11 частиц в секунду помещён в металлический контейнер массой 0,5 кг. За 2 ч температура контейнера повысилась на 5,2 °С. Известно, что данный препарат испускает α-частицы с энергией 5,3 МэВ, причём практически вся энергия α-частиц переходит во внутреннюю энергию контейнера. Найдите удельную теплоёмкость металла контейнера. Теплоёмкостью препарата и теплообменом с окружающей средой пренебречь.
Ответ округлите до целого числа (в единицах СИ).
За время в препарате выделяется количество теплоты где А — активность препарата, — энергия, -частицы, -время. Изменение температуры контейнера определяется равенством где с — удельная теплоемкость меди, m — масса контейнера, — изменение температуры контейнера. Выделившееся количество теплоты идет на нагревание контейнера. Отсюда
Здравствуйте. Для разбора данной задачи я воспользовался интернет ресурсом
где на видеозаписи детально разобрали задачу. Ваш правильный ответ = 399. Мой - =400.
Объясните пожалуйста почему делим на градусы Цельсия? Почему не надо переводить в Кельвины?
Изменение температуры по шкале Цельсия совпадает с её изменением по шкале Кельвина.
скажите пожалуйста .что за число 1.6*10^13
Тип 18 № 7090Фотон с энергией 8 эВ выбивает электрон из металлической пластинки с работой выхода 2 эВ (катода). Пластинка находится в сосуде, из которого откачан воздух. Электрон разгоняется однородным электрическим полем напряженностью Е = 5·10 4 В/м. До какой скорости электрон разгонится в этом поле, пролетев путь s = 5·10 –4 м вдоль линии поля?
Релятивистские эффекты не учитывать. Ответ выразите в метрах в секунду и округлите до второй значащей цифры.
Здравствуйте. У меня возникла проблема при решении данной задачи в значениях. Почему значение электрона (1,6*10^-19) вынесено за скобки. При данном выносе выходит, что идет суммирование (и вычитание) разных величин: к работе выхода и энергии (эВ) прибавляют (В), что является ошибкой. Либо я ошибаюсь, либо это ошибка, поясните, пожалуйста.
1 электронвольт — это произведение заряда электрона на 1 вольт. За скобку вынесен заряд электрона, в скобках складываются и вычитаются вольты.
Задания Д9 B15 № 7112Незаряженное металлическое тело внесли в однородное электростатическое поле (см. рис.), а затем разделили на части А и В. Какими электрическими зарядами обладают эти части после разделения?
1) А — положительным, В — останется нейтральным
2) А — останется нейтральным, В — отрицательным
3) А — отрицательным, В — положительным
4) А — положительным, В — отрицательным
При внесении незаряженного проводника в электрическое поле все свободные носители заряда немедленно приходят в движение: положительные в направлении вектора напряженности E, отрицательные в противоположную сторону. Тогда электроны будут накапливаться в части B и после разделения тела эта часть будет обладать отрицательным зарядом, в то время как у части А заряд будет положительный.
Задания Д32 C3 № 7131Фотон с длиной волны, соответствующей красной границе фотоэффекта, выбивает электрон из металлической пластинки (катода) сосуда, из которого откачан воздух. Электрон разгоняется однородным электрическим полем напряжённостью До какой скорости электрон разгонится в этом поле, пролетев путь ? Релятивистские эффекты не учитывать.
В соответствии с уравнением Эйнштейна для фотоэффекта начальная скорость вылетевшего электрона υ0 = 0.
Формула, связывающая изменение кинетической энергии частицы с работой силы со стороны электрического поля:
Работа силы связана с напряжённостью поля и пройденным путём:
Как мне кажется, тут ошибка в степенях (в ответе). Если не прав, то извините.
Вот численный расчет, показывающий результат, примерно равный 3*10^5
В этой формуле опечатка: должно быть вместо 104.
Задания Д32 C3 № 7163Металлическая пластина облучается светом частотой υ = 1,6 · 10 15 Гц. Работа выхода электронов из данного металла равна 3,7 эВ. Вылетающие из пластины фотоэлектроны попадают в однородное электрическое поле напряжённостью 130 В/м, причём вектор напряжённости направлен к пластине перпендикулярно её поверхности. Какова максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов на расстоянии 10 см от пластины?
Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта энергия поглощаемого фотона равна сумме работы выхода фотоэлектрона из металла и максимальной кинетической энергии фотоэлектрона:
В электрическом поле на электрон действует сила, направление которой противоположно направлению вектора напряжённости поля. Поэтому в нашем случае фотоэлектроны будут ускоряться полем. В точке измерения их максимальная кинетическая энергия где U — разность потенциалов между поверхностью пластины и эквипотенциальной поверхностью на расстоянии L = 10 см от неё. Поскольку поле однородное и вектор Е перпендикулярен пластине, то U = EL. Решая систему уравнений, находим: Отсюда:
Презентация по физике "Металлы в электрическом поле"
Пространство, окружающее электрические заряды, в котором проявляются силы, действующие на внесенные в него электрические заряды, называется электрическим полем.
Для того, чтобы создать электрическое поле, необходимо создать электрический заряд. Свойства пространства вокруг зарядов (заряженных тел) отличаются от свойств пространства, в котором нет зарядов. При этом свойства пространства при внесении в него электрического заряда изменяются не мгновенно: изменение начинается у заряда и с определенной скоростью распространяется от одной точки пространства к другой.
В пространстве, содержащем заряд, проявляются механические силы, действующие на другие заряды, внесенные в это пространство. Эти силы есть результат не непосредственного действия одного заряда на другой, а действия через качественно изменившуюся среду
Электрическое поле
Электрическое поле характеризуется воздействием на электро заряженную частицу с силой пропорциональной заряда частицы и независящей от ее скорости.
Напряжённость — векторная величина определяющая силу,действующую на заряженную частицу или тело со стороны электрического поля и численно равная отношению силы к заряду частицы.
Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M]
Напряжённость — это основная характеристика электрического поля которая измеряет интенсивность поля. Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы действующей на частицу с положительным зарядом.
Электрическое поле называется однородным (равномерным) если напряжённость поля во всех точках одинаковое по величине и направлению.
Напряжённость
Электрическое напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля.
U = A/q [Дж/Кл] или [В]
Электрическое напряжение
Потенциал (φ) — это энергетическая характеристика поля численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы помещенной в данной точке поля величине её заряда.
Геометрическое место поля с с одинаковым потенциалом называется эквипотенциальной поверхностью.
Потенциал
Металлы-простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны (блеск и непрозрачность), пластичностью. М. в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. В парообразном состоянии М. одноатомны.
Металлы
Характерными свойствами металлов являются наличие металлического блеска и пластичности, высокая электро- и теплопроводность. Характерные свойства металлов обусловлены их строением.
Атомы металлов не однородны. Атом состоит из положительно заряженного тяжелого ядра, и окружающих ядро отрицательно заряженных электронов. Число электронов равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. В ядре атома находятся положительно заряженные элементарные частицы, называемые протонами. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов. Кроме протонов, в ядре находятся тяжелые электрически нейтральные частицы – нейтроны. Масса электрона в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона. Таким образом, вся масса атома сосредоточена в его ядре.
Электроны быстро вращаются вокруг ядра. Внешние, так называемые валентные, электроны у всех металлов относительно слабо связаны с ядром. Слабой связью внешних валентных электронов с ядром и объясняются характерные металлические свойства.
Проводники - это вещества, проводящие электрический заряд
Проводники
1.Электрические
-Удельное сопротивление веществ от которого зависит электропроводимость.
-Сверхпроводимость-это свойство некоторых материалов при температуре равной 101(-273) проводить эл.ток без препятствий, т.е. удельное сопротивление этих материалов равно нулю
2.Физические
-плотность
-температура плавления
3.Механические
-Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках.
4.Химические
-Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии.
-Свойства соединятся при помощи пайки, сварки.
Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей
Более 3 000 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения
Подготовка к ЕГЭ по физике Задание 16
1. На рисунках изображены графики зависимости мощности лампы накаливания Р = Р(Т) и сопротивления её спирали R = R(T) от температуры. Выберите два верных утверждения, которые можно сделать, анализируя эти графики.
1) Сопротивление спирали лампы при подводимой мощности Р = 200 Вт равно 124 Ом.
2) С ростом температуры напряжение на спирали лампы уменьшается.
3) При сопротивлении спирали лампы 80 Ом напряжение на спирали лампы равно 70 В.
4) При сопротивлении спирали лампы 100 Ом напряжение на спирали лампы равно 100 В.
5) Напряжение на спирали лампы при подводимой мощности Р = 150 Вт больше 140 В.
2. На рисунке приведён график зависимости силы тока от времени в колебательном контуре, образованном конденсатором и катушкой, индуктивность которой равна 0,3 Гн. Из приведённого ниже списка выберите два правильных утверждения и укажите их номера.
1) Период электромагнитных колебаний равен 4 мс.
2) Максимальное значение энергии электрического поля конденсатора равно 5,4 мкДж.
3) В момент времени 4 мс заряд конденсатора равен нулю.
4) В момент времени 3 мс энергия магнитного поля катушки достигает своего минимума.
5) За первые 6 мс энергия магнитного поля катушки достигла своего максимума 2 раза.
3. На рисунке приведён график зависимости силы тока от времени в колебательном контуре, образованном конденсатором и катушкой, индуктивность которой равна 0,3 Гн. Из приведённого ниже списка выберите два правильных утверждения и укажите их номера.
1) Период электромагнитных колебаний равен 5 мс.
2) Максимальное значение энергии электрического поля конденсатора равно 0,9 мкДж.
3) В момент времени 3 мс заряд конденсатора равен нулю.
4) В момент времени 4 мс энергия магнитного поля катушки достигает своего минимума.
4. Катушка индуктивности подключена к источнику тока с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением через резистор R = 60 Ом (см. рисунок). В момент t = 0 ключ К замыкают. Значения силы тока в цепи, измеренные в последовательные моменты времени с точностью 0,01 А, представлены в таблице. Сопротивление провода катушки пренебрежимо мало.
Выберите два верных утверждения о процессах, происходящих в цепи.
1) Энергия катушки максимальна в момент времени t = 0 с.
2) Напряжение на катушке максимально в момент времени t = 6,0 с.
3) Модуль ЭДС самоиндукции катушки в момент времени t = 2,0 с равен 2,4 В.
4) Напряжение на резисторе в момент времени t = 1,0 с равно 1,9 В.
5) ЭДС источника тока равна 18 В.
5. Катушка индуктивности подключена к источнику тока с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением через резистор R = 60 Ом (см. рисунок). В момент t = 0 ключ К замыкают. Значения силы тока в цепи, измеренные в последовательные моменты времени с точностью 0,01 А, представлены в таблице. Сопротивление провода катушки пренебрежимо мало.
2) Напряжение на катушке максимально в момент времени t = 0 с.
3) Напряжение на резисторе в момент времени t = 2,0 с равно 2,6 В.
4) Модуль ЭДС самоиндукции катушки в момент времени t = 1,5 с равен 4,2 В.
5) ЭДС источника тока равна 15 В.
6. Металлическое тело, продольное сечение которого показано на рисунке, поместили в однородное электрическое поле напряжённостью Е.
Из приведённого ниже списка выберите два правильных утверждения, описывающие результаты воздействия этого поля на металлическое тело, и укажите их номера.
1) Напряжённость электрического поля в точке D не равна нулю.
2) Потенциалы в точках А и С равны.
3) Концентрация свободных электронов в точке В наибольшая.
4) В точке А индуцируется положительный заряд.
5) В точке D индуцируется отрицательный заряд.
7. Металлическое тело, продольное сечение которого показано на рисунке, поместили в однородное электрическое поле напряжённостью E.
2) Потенциал в точке А меньше, чем в точке D.
3) Концентрация свободных электронов в точке А наименьшая.
4) В точке С индуцируется положительный заряд.
5) В точке В индуцируется отрицательный заряд.
8. Школьник, изучая законы геометрической оптики, провёл опыт по преломлению света (см. рисунок). Для этого он направил узкий пучок света на стеклянную пластину. Пользуясь приведённой таблицей, выберите из приведённого ниже списка два правильных утверждения и укажите их номера.
1) Угол падения равен 20°.
2) Показатель преломления стекла примерно равен 1,22.
3) Угол преломления равен 50°.
4) В воздухе скорость света больше, чем в стекле.
5) Угол отражения равен 70°.
9. Школьник, изучая законы геометрической оптики, провёл опыт по преломлению света (см. рисунок). Для этого он направил узкий пучок света на стеклянную пластину. Пользуясь приведённой таблицей, выберите из приведённого ниже списка два правильных утверждения и укажите их номера.
- 1) Угол падения равен 20°.
- 2) Показатель преломления стекла примерно равен 1,47.
- 3) Угол преломления равен 40°.
- 4) В воздухе скорость света меньше, чем в стекле.
- 5) Угол отражения равен 20°.
10. При нагревании спирали лампы накаливания протекающим по ней электрическим током основная часть подводимой энергии теряется в виде теплового излучения. На рисунке изображены графики зависимости мощности тепловых потерь лампы от температуры спирали Р = Р(Т) и силы тока от приложенного напряжения I = I(U).
Выберите два верных утверждения о физических величинах, характеризующих этот процесс.
1) При напряжении на лампе 80 В тепловая мощность, выделяемая на лампе, равна 80 Вт.
2) При мощности тепловых потерь 150 Вт температура нити накала лампы менее 3000 К.
3) При силе тока через лампу 2 А температура нити накала составляет около 3600 К.
4) С увеличением силы тока через лампу температура её спирали увеличивается.
5) При мощности тепловых потерь 100 Вт напряжение на лампе составляет 100 В.
11. При нагревании спирали лампы накаливания протекающим по ней электрическим током основная часть подводимой энергии теряется в виде теплового излучения. На рисунке изображены графики зависимости мощности тепловых потерь лампы от температуры спирали Р = Р(Т) и силы тока от приложенного напряжения I = I(U).
1) С увеличением напряжения на лампе температура её спирали увеличивается.
2) При мощности тепловых потерь 50 Вт температура нити накала лампы более 2800 К.
3) При силе тока через лампу 1,5 А температура нити накала составляет менее 3000 К.
4) При напряжении на лампе 100 В тепловая мощность, выделяемая на лампе, равна 80 Вт.
5) При мощности тепловых потерь 150 Вт напряжение на лампе составляет 100 В.
12. В первом опыте по проволочному резистору течёт ток. Во втором опыте его заменили на другой резистор из проволоки того же сечения из того же металла, но вдвое большей длины. Через второй резистор пропустили вдвое меньший ток.
1) Тепловая мощность, выделяемая на резисторе, осталась прежней.
2) Сопротивление резистора увеличилось в 2 раза.
3) Сопротивление резистора в 2 раза уменьшилось.
4) Напряжение на резисторе в 2 раза уменьшилось.
5) Тепловая мощность, выделяемая на резисторе, уменьшилась в 2 раза.
13. Конденсатор подключён к источнику тока последовательно с резистором R = 20 кОм (см. рисунок). В момент времени t = 0 ключ замыкают. В этот момент конденсатор полностью разряжен. Результаты измерений силы тока в цепи, выполненных с точностью ±1 мкА, представлены в таблице.
Электрический ток в металлах
Электрическим током в металлах называют упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.
Исходя из опытов, видно, что металлический проводник вещество не переносит, то есть ионы металла не участвуют в передвижении электрического заряда.
Носители тока в металлах
При исследованиях были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Еще в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси выдали первые качественные результаты. А в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт модернизировали имеющуюся методику и выполнили количественные измерения, которые доказывали, что движение электронов происходит под действием тока в металлических проводниках.
Рисунок 1 . 12 . 1 показывает схему Толмена и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие при помощи вращения вокруг своей оси. Ее концы были прикреплены к баллистическому гальванометру Г. Производилось резкое торможение катушки, что было следствием возникновения кратковременного тока, обусловленного инерцией носителя заряда. Измерение полного заряда производилось при помощи движения стрелок гальванометра.
Рисунок 1 . 12 . 1 . Схема опыта Толмена и Стюарта.
Во время торможения вращающейся катушки сила F = - m d υ d t , называемая тормозящей, действовала на каждый носитель заряда е . F играла роль сторонней силы, иначе говоря, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризующаяся единицей заряда, является напряженностью поля сторонних сил E с т :
E с т = - m e d υ d t .
То есть при торможении катушки происходит возникновение электродвижущей силы δ , равной δ = E с т l = m e d υ d t l , где l – длина проволоки катушки. Определенный промежуток времени процесса торможения катушки обусловлен протеканием по цепи заряда q :
q = ∫ I d t = 1 R ∫ δ d t = m e l υ 0 R .
Данная формула объясняет, что l – это мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ 0 – начальная линейная скорость проволоки. Видно, что определение удельного заряда e m в металлах производится, исходя из формулы:
Величины, находящиеся с правой стороны, можно измерить. Основываясь на результатах опытов Толмена и Стюарта, установили, что носители свободного заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя в его массе близко по значению удельного заряда электрона, получаемого в других опытах. Было выявлено, что электроны – это носители свободных зарядов.
Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, то есть элементарный заряд, равняется e = 1 , 60218 · 10 - 19 К л , а обозначение его удельного заряда – e m = 1 , 75882 · 10 11 К л / к г .
При наличии отличной концентрации свободных электронов есть смысл говорить о хорошей электропроводимости металлов. Это выявили еще перед опытами Толмена и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, создал электронную теорию проводимости металлов. Ее развил и расширил Х. Лоренц, после чего она получила название классическая электронная теория. На ее основании поняли, что электроны ведут себя как электронный газ, похожий на идеальный по своему состоянию. Рисунок 1 . 12 . 2 показывает, каким образом он может заполнить пространство между ионами, которые уже образовали кристаллическую решетку металла.
Рисунок 1 . 12 . 2 . Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов.
Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке
После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.
Высота такого барьера получила название работы выхода.
Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.
Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.
Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.
По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υ т ¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.
Комнатная температура дает значение, равное 10 5 м / с .
Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υ д ¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆ t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме S υ д ∆ t .
Количество таких е равняется n S υ д ∆ t , где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆ t через сечение проводника проходит заряд ∆ q = e n S υ д ∆ t .
Тогда I = ∆ q ∆ t = e n S υ д или υ д = I e n S .
Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 10 28 - 10 29 м - 3 .
Формула дает возможность оценить среднюю скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0 , 6 - 6 м м / с для проводника с сечением 1 м м 2 и проходящим током в 10 А .
Средняя скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υ т их теплового движения υ д ≪ υ т .
Рисунок 1 . 12 . 3 демонстрирует характер движения свободного е , находящегося в кристаллической решетке.
Рисунок 1 . 12 . 3 . Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υ д ¯ ∆ t сильно преувеличены.
Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c = 3 · 10 8 м / с . По прошествии времени l c ( l - длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.
Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.
Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.
Закон Ома
В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю e E , в результате чего получает ускорение e m E .
Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле
υ д = υ д m a x = e E m τ .
Время свободного пробега обозначается τ . Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υ д равняется половине максимального значения:
υ д = 1 2 υ д m a x = 1 2 e E m τ .
Если имеется проводник с длиной l , сечением S с концентрацией электронов n , тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:
I = e n S υ д = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U .
U = E l – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:
R = 2 m e 2 n τ l S .
Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:
ρ = 2 m e 2 n τ ; ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m .
Закон Джоуля-Ленца
Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией
1 2 m ( υ д ) m a x 2 = 1 2 e 2 τ 2 m E 2 .
Исходя из предположений, энергия при соударениях передается решетке, а в последствии переходит в тепло.
Время ∆ t каждого электрона испытывается ∆ t τ соударений. Проводник с сечение S и длиной l имеет n S l электронов. Тогда выделившееся тепло в проводнике за ∆ t равняется
∆ Q = n S l ∆ t τ e 2 τ 2 2 m E 2 = n e 2 τ 2 m S l U 2 ∆ t = U 2 R ∆ t .
Данное соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.
Благодаря классической теории, имеет место трактовка существования электрического сопротивления металлов, то есть законы Ома и Джоуля-Ленца. Классическая электронная теория не в состоянии ответить на все вопросы.
Она не способна объяснить разницу в значении молярной теплоемкости металлов и диэлектрических кристаллов, равняющейся 3 R , где R записывается как универсальная газовая постоянная. Теплоемкость металла не зависит от количества свободных электронов.
Классическая электронная теория не объясняет температурную зависимость удельного сопротивления металлов. По теории ρ ~ T , а исходя из экспериментов – ρ ~ T . Примером расхождения теории с практикой служит сверхпроводимость.
Сопротивление металлического проводника
Исходя из классической теории, удельное сопротивление металлов должно постепенно уменьшаться при понижении температуры, причем остается конечным при любой T . Данная зависимость характерна для проведения опытов при высоких температурах. Если T достаточно низкая, тогда удельное сопротивление металлов теряет зависимость от температуры и достигает предельного значения.
Особый интерес представило явление сверхпроводимости. В 1911 году его открыл Х. Каммерлинг-Оннес.
Если имеется определенная температура T к р , различная для разных веществ, тогда удельное сопротивление уменьшается до нуля с помощью скачка, как изображено на рисунке 1 . 12 . 4 .
Критической температурой для ртути считается значение 4 , 1 К , для алюминия – 1 , 2 К , для олова – 3 , 7 К . Наличие сверхпроводимости может быть не только у элементов, но и у химических соединений и сплавов. Ниобий с оловом Ni 3 Sn имеют критическую точку температуры в 18 К . Существуют вещества, которые при низкой температуре переходят в сверхпроводящее состояние, тогда как в обычных условиях ими не являются. Серебро и медь являются проводниками, но при понижении температуры сверхпроводниками не становятся.
Рисунок 1 . 12 . 4 . Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.
Сверхпроводящее состояние говорит об исключительных свойствах вещества. Одним из важнейших является способность на протяжении длительного времени поддерживать электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, без затухания.
Классическая электронная теория не может объяснить сверхпроводимость. Это стало возможным спустя 60 лет после его открытия, основываясь на квантово-механических представлениях.
Рост интереса к данному явлению увеличивался по мере появления новых материалов, способных обладать высокими критическими температурами. В 1986 было обнаружено сложное соединение с температурой T к р = 35 К . На следующий год сумели создать керамику с критической Т в 98 К , которая превышала Т жидкого азота ( 77 К ) .
Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при Т , превышающих температуру кипения жидкого азота, называют высокотемпературной сверхпроводимостью.
Позже в 1988 году создали Tl - Ca - Ba - Cu - O соединение с критической Т , достигающей 125 К . На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями T к р . Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике. До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.
Читайте также: