Електрика і електростатика (стр. 3 из 6)

Формула (17 ) виражає закон Ома, згідно якого струм у колі прямопропорційний напрузі та оберненопропорційний опору кола. У системі СІ електричний опір вимірюють у омах, цю одиницю назвали на честь Г. Ома, який відкрив дану залежість.

в) поняття електричного опору

Якщо до металевого провідника прикласти різницю потенціалів, то електрони, що рухаються під впливом різниці потенціалів, стикаються із іонами, молекулами чи атомами, що містяться у вузлах кристалічної решітки і розсіюються, із- за цього й виникає електричний опір. Очевидно, чим більша довжина провідника, тим більшим буде й електричний опір, тобто електричний опір пропорційний довжині: R~ l. Чим більший поперечний переріз провідника, тим опір буде меншим, бо у електронів буде більше вільного простору для руху:

R~

(18)

Якщо ввести коефіцієнт пропорційності, опір провідника буде рівний:

R= ρ

(19)

Із виразу (19) видно, що опір провідника прямопропорційний добутку питомого опору на довжину провідника та оберненопропорційний площі поперечного перерізу провідника. Питомий опір є сталим для кожної речовини і його значення для деяких речовин наведені у таблиці на рисунку 15.

Дослідження довели, що опір матеріалу не є сталим та залежить від температури:

Матеріал	ρ, Ом·м	α, ̉°̉̉С-1
алюміній	2,82 · 10-8	3,9 · 10-3
графіт	3,57 · 10-8	-0,5 · 10-3
мідь	1,73· 10-8	3,93 · 10-3
золото	2,44 · 10-8	3,4 · 10-3
залізо	9,71 · 10-8	5,2 · 10-3
ртуть	94,8 · 10-8	8,9 · 10-3
платина	10,6 · 10-8	3,9 · 10-3
срібло	1,59 · 10-8	3,8 · 10-3
янтар	5 · 1014	-
скло	1013 - 1014	-
дерево	108 - 104	-

R=R₀ ( 1 + α Δt ) ( 20 ),

де α – це температурний коефіцієнт опору.

При зниженні температури до абсолютного нуля у металах спостерігається досить цікаве явище, коли при певній (критичній) температурі опір спадає до нуля. Це явище назвали надпровідністю. Його вперше спостерігав у 1911 році голландський вчений Камерлінг Оннес, який досліджуючи плівки ртуті, спостерігав, як їх опір спадає до нуля при температурі 0,05 К. Залежність питомого опору від температури для надпровідників зображена на

Дослідження виявили, що надпровідність проявляється лише при дуже низьких температурах. Лише у 80-их роках на основі сплавів оксидів барію, лантану, ітрію та міді вдалося досягти значень критичної температури близько 90 К. Потужність у колах постійного струму рівна Р=І·U , якщо її пов"язати із опором кола, то тоді потужність у колі постійного струму буде рівна:

( 21 )

Втрати енергії у провіднику рівні: Е=Р·t=I²Rt, і якщо опір рівний нулю, то втрати енергії у колі відсутні. Саме тому дослідження надпровідності такі важливі. Якщо будуть створені надпровідники із високою критичною температурою, то це дасть змогу знизити вартість електроенергії, створювати економічні електродвигуни та генератори.

При послідовному з"єднанні резисторів їх сумарний опір рівний сумі опорів окремих резисторів

R= R₁+R₂+R₃+…. ( 22 )

Опір R називають еквівалентним резистором.

На рисунку 19 зображено типове паралельне з"єднання провідників. Напруги на всіх резисторах будуть рівні, тому V=V₁=V₂=V₃ , а струм І буде рівний сумі струмів на кожному резисторі: І=І₁+І₂+І₃. Тоді еквівалентний опір кола рівний:

( 23 )

Електрорушійна сила ( ЕРС ) рівна:

Ε= ІR+ Ir ( 24 ), де

R – це опір зовнішнього навантаження, а r – це внутрішній опір електричної батареї. R₁ R₂ R₃

Формула (24) виражає закон Ома для повного кола. Електрорушійна сила завжди більша за номінальну напругу електричної батареї живлення.

г) закони Кірхгофа.

Досить часто нам потрібно обчислити струм та ЕРС у колах, що містять декілька електричних батарей, а резистори з”єднані змішано, тому скористатися законом Ома у даному випадку не можна.

Для обчислення струму та напруги у колі за таких умов використовують правила Кірхгофа, яких є два.

Перше правило Кірхгофа: сума струмів, що входять у вузол рівна сумі струмів, що виходять із вузла. Цей закон, по суті, є законом збереження електричного заряду.

( 25 )

Друге правило Кірхгофа: сумарна зміна потенціалів у вибраному замкнутому контурі рівна нулю.

ΔV=0 (26)

Закони Кірхгофа використовують для обчислення параметрів складних електричних кіл.

Електрична ємність.

а) електричний конденсатор.

Сукупність двох провідників однакового розміру, розташованих поблизу один одного та заряджених протилежними за знаком електричними зарядами, називають електричним конденсатором. Конденсатор зберігає електричну енергію у вигляді електричного поля між протилежно зарядженими пластинами. У наш час створено плоскі, циліндричні, сферичні конденсатори. Нехай плоский конденсатор ввімкнено у електричне +q -q коло згідно схеми ( рис. 20 ).Його пластини одержують однакові за величиною, але протилежні за знаком електричні заряди +q та -q. Характеристикою конденсаторів U є їх ємність С, яка рівна відношенню заряда конденсатора до величини напруги на його пластинках

( 27 )

У системі СІ ємність вимірюють у фарадах. Якщо розглянути різні типи конденсаторів, то найпростіший із них - плоский конденсатор, він складається із двох пластинок певної площі, які розміщені на відстані d одна від одної.

Ємність плоского конденсатора рівна:

( 27 )

S – площа пластинок плоского конденсатора, а d - це відстань між пластинками. Ємність циліндричного конденсатора рівна:

( 28 ),

де r₁ та r₂ - це радіуси зовнішнього та внутрішнього циліндрів, а І – це довжина конденсатора. Ємність сферичного конденсатора рівна:

( 29 ), де r₁ та r₂ - це

радіуси зовнішньої та внутрішньої сфер конденсатора.

б) енергія зарядженого конденсатора.

Енергія зарядженого конденсатора визначається за формулою:

( 30 ),

де U – це напруга на пластинах конденсатора.

в) послідовне, паралельне та змішане з”єднання конденсаторів.

Якщо три або більше конденсаторів з”єднати послідовно, то їх ємність можна обчислити за допомогою формули: C₁ C₂ C₃

( 31 )

якщо три конденсатори з”єднати в коло паралельно то еквівалентна ємність С електричного кола буде рівна: С= С₁+С₂+С₃+….+С_n ( 32 ). якщо електричні конденсатори з”єднати змішано, то для обчислення еквівалентної ємності ми використаємо формули ( 31 ) та ( 32 ). Розглянемо як впливає електричне поле на діелектрики.

Як було сказано раніше, атом є електронейтральним.

Позитивний заряд атома розташований у його центрі, у ядрі, навколо якого рухаються від”ємнозаряджені електрони. Якщо атом помістити у електричне поле із напруженістю

, то ми спостерігатимемо зміщення симетрії розташування позитивних та негативних зарядів. У електричному полі на електрон діє сила: , яка зміщує орбіту по якій рухається електрон. Тому нейтральний атом перетворюється у електричний диполь. Деякі молекули не мають симетричного розміщення електричного заряду, тому у їх молекулах існує постійний

дипольний момент. Але без накладання електричного поля ці диполі розміщені хаотично. При накладанні електричного поля диполі будуть орієнтуватися по полю,

а) розташування диполів без

б) розташування диполів у накладання електричного електричному полі поля із напруженістю

.

Магнетизм.

Крім електричного поля в природі існує також магнітне поле. Більшість із нас мали справу із плоским магнітом, спостерігали як магніт притягує залізні предмети крізь папір, тощо. У роботі із магнітом ми мали справу із магнітним полем, одним із видів матерії у Всесвіті. Кожен магніт має два полюси: південний та північний. Магніти взаємодіють між собою, причому протилежні полюси притягуються, а однакові полюси відштовхуються один від одного.

Земля має магнітне поле і коли північний полюс компаса обертається, то він показує на південь, бо різнойменні полюси притягуються. Тому полюс, який звичайно називають північним магнітним полюсом є насправді південним полюсом.

Магнітне поле визначається індукцією магнітного поля. На частинку у магнітному полі діє сила, що рівна: F=qVBsin α . Тоді індукція магнітного поля буде рівна: