Постоянный электрический ток. Сопротивление

План ответа

1. Постоянный электрический ток. 2. Электрический ток — дрейф заряженных частиц. 3. Сопротивление. 4. Вольт-амперная характеристика цепи. 5. Закон Ома для участка цепи.

 

К представлению об электрическом токе можно подойти с разных позиций. Одна из них — макроскопическая, другая — опирается на анализ механизма проводимости. Например, течение жидкости по трубам можно рассматривать как непрерывное движение вещества, но можно проанализировать его и с точки зрения движения частиц жидкости.

Первое представление об электрическом токе возникло на том этапе развития физики, когда механизм проводимости еще не был известен. Именно тогда и возникла физическая величина — сила тока I, которая показывает, какой электрический заряд Ад проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени. Сила тока I = -^. Единица силы тока —ампер (А): 1 А = -=—.

Из определения силы тока следуют две особенности этой величины. Одна из них — это независимость силы тока от поперечного сечения проводника, по которому ток протекает. Вторая — независимость силы тока от пространственного расположения элементов цепи, в чем вы не раз могли убедиться: как бы ни перемещали проводники, это не влияет на силу тока. Ток называется постоянным, если сила тока не изменяется с течением времени.

Таким образом, представление об электрическом токе, его силе возникло тогда, когда еще не было ясно, что это такое.

Исследование электропроводимости различных веществ показало, что в разных веществах различные заряженные свободные частицы движутся под действием электрического поля в процессе протекания тока. Например, в металлах — это электроны, в жидкостях — это положительные и отрицательные ионы, в полупроводниках — электроны и «дырки». Различны не только типы частиц, но и характер их взаимодействия с веществом, в котором идет ток. Так, свободные электроны в металлах некоторое время х движутся свободно между узлами кристаллической решетки, затем сталкиваются с ионами, расположенными в узлах. В электролитах ионы взаимодействуют друг с другом и с атомами жидкости.

Но для всех веществ есть общее свойство: частицы при отсутствии поля движутся хаотически, при возникновении поля к скорости хаотического движения добавляется очень небольшая величина скорости либо в направлении поля (для положительных частиц), либо в направлении, противоположном полю (для отрицательных частиц). Эта добавочная скорость называется скоростью дрейфа u_др. Средняя скорость хаотического движения — сотни метров в секунду, скорость дрейфа — несколько миллиметров в секунду. Однако именно эта маленькая добавка и объясняет все действия тока.

Для любых веществ можно получить формулу для расчета силы тока: I = nv \q₀\S, где п — концентрация заряженных частиц, q₀ — заряд одной частицы, S — площадь поперечного сечения.

Таким образом, электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.

Может показаться, что эта формула противоречит утверждению о независимости силы тока от площади поперечного сечения проводника. Но эта независимость — экспериментальный факт. Объяснить же его можно тем, что скорость дрейфа u_др больше там, где сечение меньше, а через большее сечение частицы дрейфуют медленнее.

Опытный факт состоит в том, что при приложении к проводнику постоянной разности потенциалов по нему идет постоянный ток. Этот факт противоречит, на первый взгляд, формуле I = nu_др\q₀\S. Действительно, при постоянной разности потенциалов в веществе создается поле с постоянной напряженностью поля Е. Следовательно, на свободные частицы действует постоянная сила и скорость их должна увеличиваться. Получается, что при постоянном напряжении сила тока должна увеличиваться пропорционально времени. Этого не происходит потому, что при протекании тока в веществе возникает электрическое сопротивление. Именно оно обеспечивает постоянство силы тока при постоянной разности потенциалов.

Для измерения сопротивления необходимо исследовать зависимость силы тока от напряжения. График такой зависимости называется вольт-амперной характеристикой. Возможны три типа вольт-амперной характеристики (рис. 40).

Вольт-амперная характеристика 1 является линейной. Аналитическая зависимость силы тока от напряжения I = U/R называется законом Ома для участка цепи.

После того как эксперимент показал, что сила тока пропорциональна напряжению, можно измерить сопротивление, для чего надо взять любую пару значений U₀ и I₀ и найти их отношение: R =U₀/I₀. Единица сопротивления — ом (Ом): 1 Ом = 1В/1А

Если эксперимент показал, что на вольт-амперной характеристике есть только небольшой линейный участок (ОВ на характеристиках 2 и 3), то сопротивление только на этом участке можно найти как отношение U/I.

Билет № 5, вопрос 2, вариант 2.

 

29. Масса. Плотность вещества

План ответа

1. Однородные тела и их свойства. 2. Плотность как макроскопическая характеристика вещества. 3. Плотность вещества и его строение.

 

Из твердого вещества можно изготовить однородные тела. Свойство однородности состоит в следующем. Выделим в произвольно взятых точках тела одинаковые по массе части Am. Тело однородно, если объемы этих частей AV одинаковы. Из жидкости и газа также можно «изготовить» тела, заключив их в сосуды.

Для однородного тела можно выяснить зависимость массы от его объема. Эта зависимость будет линейной для любых веществ. Однако для разных веществ углы наклона соответствующих графиков к оси объемов различны (рис. 41). Следовательно, можно сделать вывод: отношение массы к объему для данного вещества не зависит от объема, однако для разных веществ эти отношения различны. Например, для графика 3 (см. рис. 41) это отношение больше, чем для графика 1.

Отношение р = m/V называется плотностью вещества. Единица плотности — кг/м³.

Среди металлов маленькие плотности имеют калий, магний, литий. Наиболее легкий металл — литий — имеет плотность 534 кг/м³ (это меньше плот-ности воды). Металл с наибольшей плотностью — осмий. Его плотность 22 570 кг/м³.

Плотность вещества связана с его строением. Эта связь проявляется в том, что плотность равна произведению концентрации частиц п на массу т₀ одной частицы (молекулы, атома или иона) вещества. Де_йствительно, р = m/V, однако т = m₀N, где N — общее число частиц. Итак,

Для твердых кристаллических веществ плотность может быть связана с периодом решетки d.

Пусть вещество (например, медь) имеет кубическую гранецентрированную решетку (рис. 42). Тогда в объеме d³ содержится 4 атома. Определим массу и объем этой ячейки.

Если взять массу вещества, равную молярной массе М, то в ней содержится N_A число Авогадро)

атомов. Следовательно, масса вещества в объеме d³ равна 4M/N_Ad^3. Таким образом, плотность меди равна p = 4M/N_Ad³

Плотность газов легко изменяется, поэтому в разных изопроцессах она может изменяться. Это становится ясным, если уравнение Менделеева—Клапейрона записать, включив в него плотность. Действительно, m = р • V; следовательно, PV/T = RpV/M, или p/T = Rp/M.

Отсюда можно сделать следующие выводы:

1) при изотермическом процессе (Т = const) плотность газа пропорциональна давлению:

2) при изобарном процессе (р = const) плотность
газа обратно пропорциональна температуре:

3) понятно, что при изохорном процессе (V =
= const) плотность газа не изменяется.

Билет № 6, вопрос 2, вариант 2.