Физика (Шпаргалка) (стр. 6 из 7)
u+>b_ b=u/E
Подвижность - это физ. вел. числ. = скор. упорядоч. движ. носителей тока под действием эл. поля единичной напряженности.
[b]=м2/(В´с)
1) j=e´n(b++b_ )E - зак. Ома.
Произведение равновесной концентрации на элементар. заряд носителей тока на сумму подвижностей и на напр. эл. поля.
2) j=gE
g=e´n(b++b_ ) g=1/r
g - удельная проводимость
3) jн=e´Dni´d
d - расст. между электродами.
Dni - мощность ионизатора.
Ударная ионизация.
Самостоятельный газовый разряд.
При больших напр. поля свобод. электроны ускоряются до таких энергий которых достаточно для электронным ударом.
В обл. 4 в нутри газа появл. собственный источник ионизации , ударной ионизации.
Число электронов резко возрастает.
Лавинообразный процесс.
В обл. 4 наличие внеш. ионизации необходимо для поддеожания заряда.
При дальнейшем увеличении напр. поля в обл. 5 энергию достаточную дляионизации получают ионы.
В обл. 5 разряд становится самостоятельным. при этом сила тока увелич. Практически без изменения Е.
Напряженность при котор. происпереход из несомост. В самост. разряд. разряд назв. напряжением зажигания или пробоя.
Типы самостоятельных газовых разрядов.
1) тлеющий
2) искровой
3) дуговой
4) коронный
(в Трафимовой)
Зак. Джоуля - Ленца в интегральной и диффер. форме.
На внеш. сопротивлении в любой электрической цепи выделяется кол - во теплоты.
1) Q=I2Rt
За время t при протекании силы тока при протекании силы тока в нем выделится кол-во теплоты Q. (интегральная форма)
Получим зак. в диффер. форме.
Для этого рассм. внутри проводника с сопр. R элементарный объем dV=dS´dl
dR= r dl/dS
Запишем вместо 1) кол-во теплоты выдел. в этом объеме за время dt.
2) dQ=j´(dS)2´r´(dl/dS)´dt
(dQ/dVdt)=rj2
3) wт=rj2 j=gE
wт =r´g2E2=(1/g)g2E2
3¢ ) wт =gE2
Работа и мощьность тока, КПД тока.
e=А*/q A=qe=eIt
полная мощность источника тока P=A*/t=Ie
P=I( IR+Ir)=I2R+I2r
P=Pполез+Pбезполезн
h=Pполез/P
Основные положения КЭТ.
1) При кристаллизации металлов из расплава атомы их теряют электроны. При этом возникают полож. заряж. ионы и свободные электроны. Если кажд. атом теряет по эл-ну, то nат=nэл=(D/m)·Na. Своб. эл-ны способны перемещаться по всему объёму металла.
2) Все металлы имеют кристаллич. структуру, в основе которой лежит кристаллич. решётка кубич. формы с положит. ионами в узлах. Таким образом решётка прозрач. для эл-нов.
3) Своб. эл-ны, оторванные от атомов, становятся коллективной собственностью всего металла. Они соверш. хаотич. тепл. движение. При этом эл-ны ведут себя подобно одноатомным мол-лам идеал. газа, подчиняясь статистике Максвелла. Своб. эл-ны принято назыв. “электронным газом”. Для эл-нов по ф-ле, известной из МКТ можно определить сред. скор. теплового движения:
áVтñ=Ö(8KT)/(pm)»105м/c. 4) Своб. эл-ны, сталкиваясь с ионами, расположенными в узлах решётки, отдают им свою кинет. энергию. Этим обусловлено сопротивление проводников.
5) При приложении внешн. эл. поля напряжённостью E на хаотич. тепл. движение эл-нов накладывается упорядоченное движение. При этом возникает эл. ток. áVñ « áVTñ
Оценим áVñ по ф-ле j=qэлnáVñ=enáVñÞ
Þ áVñ=j/(en); n~1029м-3, j(Cu)=107А/м2Þ
Þ áVñ~10-3м/с. Суммарн. скор.áVSñ=áVñ+áVTñ
Поскольку áVñ « áVTñ, то áVSñ » áVTñ
Закон Ома в КЭТ
Основные положения КЭТ позволяют вывести ф-лу закона Ома как ф-цию параметров носителей тока. Для вывода используем соотношение j=enáVñ. Пусть к проводнику приложено внешнее поле E. Своб. эл-ны придут в движение. На эл-ны будет действ. сила со стороны поля F=eE.E=constÞa=const.
F=eE=ma (по II з-ну Ньют.). a=(eE)/m
Для равноуск. движ. Vt=V0+at
ср. длина своб. пробега álñ~d расст. между ионами; t-время своб. пробега.
Скорость электрона
Vt=Vmax=at - до столкновения с ионом
V0=0 - после столкновения с ионом
áVñ=(V0+Vmax)/2=Vmax/2=(at)/2=(eEt)/2m;
t = álñ/áVSñ = álñ/áVTñ;
áVñ = [(eE)/2m] · álñ/áVTñ;
j=enáVñ=[(e2nE)/2m]·álñ/áVTñ з-н Ома в КЭТ
j=gE Þ g=(ne2álñ) / (2máVTñ)
Закон Джоуля-Ленца в КЭТ
Нагревание проводника, согласно КЭТ, объясняется столкновением электронов с ионами кристал. решётки. Рассчитаем кинет. энергию отдельного эл-наперед столкновением с ионом, полученную им за счёт поля: W1=(mV2max)/2.
За 1 сек. эл-н может испытывать Z соударений, где Z = 1/t =áVTñ / álñ. Если в 1 м3 число эл-нов = n, то кинет. энергия, переданная решётке всеми n эл-нами за Z столкновений каждого из них W=náZñW1=wT.
wT=[(mV2max)/2]·n·áZñ=[ne2álñ/2máVTñ]E2
Затруднения КЭТ
1) Температурная зависимость проводников. Согласно экспер. данным сопр. металлов увелич. с температурой по з-ну R=R0+aT, где R0-сопр. при T=273K, a=1/273 град-1. Для r ф-ла аналогична r=r0+aT. Согл. опыта r~T. r=2máVTñ/(ne2álñ)Þr~áVTñ. На осн. КЭТ след. r=ÖT, т.е. теория расходится с опытом.
2) Теплоёмкость металлов и диэлектриков. Согл. опвтов атомная теплоёмк. металлов и диэл-ков одинакова (C=3R, где R-газовая постоянная). Это положение наз. з-н Дюлонга и Пти. Согл. КЭТ металл сост. из кристал. решётки и своб. эл-нов, а диэлектрик своб. эл-нов не имеет. Следует ожидать, что теплоёмк. металлов=т.ё. кристал. решётки+т.ё. своб. эл-нов (Cмет=R+3/2R=4,5R), чего нет на опыте.
Электронный газ, на самом деле подчиняется не классической статистике Максвелла, а квантовой статистике. Затруднения устраняются в квантовой теории проводимости. Несмотря на затруднения, КЭТ она проста и широко применяется при высоких темп-рах и малых концентрациях.
Электромагнетизм
Магн. поле. Движ. заряды в окруж. пространстве создают магн. поле, которое явл. одной из форм сущ. материи. В отличие от эл. статического поля, магнитное действует только на движ. заряды. Проводники с текущими по ним токами в окруж. пр-ве создают магн. поле. Принято различать макро- и микротоки. Макротоки-это токи, текущие по проводникам. В любом вещ-ве электроны движутся по круговым орбитам. Движение эл-нов в атоме по круговым орбитам тоже приводит к созданию магн. поля. Токи, создаваемые в веществах движущимися эл-нами называют микротоками.
Гипотеза Ампера: в каждом вещ-ве за счёт движения электронов возникают микротоки.
Для исслед. магн. поля применяют магн. стрелки (опыт Эстерда). Магн. стрелка предст. собой магнит, одетый на остриё. При пропускании тока через проводник стрелка испытывает силовое воздействие (устанавливается перпенд. проводнику). 2й метод исслед. маг. поля - с помощью плоского контура с током. Форма контура не играет роли.
Необходимо, чтобы размер контура был настолько мал, чтобы не искажал исследуемое поле. Контуры, вносимые в магн. поле испытывают ориентирующее действие со стороны этого поля. Рамки принято характеризовать положит. нормалью. Положительной наз. нормаль, проведённую к центру проводника, удовлетворяющего правилу правого винта по напр. тока. На основании действия сил на рамку делают вывод: магнитное поле - силовое и его надо характеризовать опред. направлением. За напр. магн. поля принимают напр. полож. нормали в данном месте распол. контура с током.
Определение характеристик маг. поля связано с определением поведения контура с током в поле. В однор. поле внесён контур тока таким образом, чтобы вдоль линий поля была направлена плоскость.
Пара сил создаёт вращающий момент M. Опыт показывает, что вращ. момент зависит от некот. силовой хар-ки поля и от силы тока в рамке (M~B; |M|~|I|). Для всех рамок вводится хар-ка, связанная с размерами расок и силой тока, текущей в них. Pm - магнитный момент. Pm=I·S [А·м2]. Магн. момент явл. вектором. Pm=n·I·S, где n - орт полож. нормали, т.е. Pm || n. Опыт показ., что M=[Pm , B] - механический вращ. момент равен векторному произведению магнитного момента рамки на вектор индукции магн. поля. M=Pm·B·sina (a=Pm^B). Из этой ф-лы видно, что M=max, если a=90° (положение I на рис.) Mmax=Pm·B(1). M=0 при a=0 (полож II). Полож. II соответствует устойчивому равновесию рамки.
Индукция магн. поля - основная силовая хар-ка этого поля. Согл. ф-лы (1) B=Mmax / Pm. Индукцией магн. поля в данной точке наз. физическая величина, численно равная макс. вращающему моменту, действующ. в данной точке на рамку с током, имеющую единичный магн. момент. [B]=Н/(А·м)=Тл (Тесла). Ин-ция магн. поля предст. собой хар-ку результирующего поля, созданного макро- и микротоками. Индукцию можно изобразить силовыми линиями (аналог напряжён. эл. стат. поля).
Напряжённость магн. поля
Использ. вектор B не всегда удобно, поскольку проявл. зависимость от свойств Среды. Вводится вспомогат. хар-ка, не завис. от свойств Среды - напряжённость магнитного поля H (аналог D в эл. статике). B=mm0H, где m-магн. проницаемость. Для вакуума m=1. m0-магнитная постоянная. m0=4p·107 Гн/м. [H]=А/м. Для вакуума H=B/m0. За ед. (А/м) напряж. магн. поля принимают напряж. такого поля, у которого индукция B=4p·107Тл. H определяется только макротоками и не завис. от микротоков. Поскольку H - это вектор, для него принято строить линии напряжённости.