Електричне поле в діелектриках

При внесенні діелектрика в зовнішнє електричне поле Е₀ в ньому виникає перерозподіл зарядів, які входять до складу атомів або молекул. В результаті такого перерозподілу на поверхні діелектричного зразка появляються надлишкові нескомпенсовані зв’язані заряди. Звязані заряди створюють електричне поле Е яке всередині діелектрика направлено противополежно вектору напруженості Е₀ зовнішнього поля. Цей процес називають поляризацією діелектрика. В результаті повне електричне поле

Е = Е₀ + Е всередині діелектрика виявляється по модулю меншим зовнішнього поля. Фізична величина, яка дорівнює відношенню модуля напруженості Е₀ зовнішнього електричного поля в вакуумі до модуля напруженості Е повного поля в однорідному діелектрику, називають діелектричною проникністю речовини ε = Е₀/Е. Існує декілька механізмів поляризації діелектриків. Основними з них є орієнтаційна і електронна поляризації. Ці механізми проявляються зазвичай при поляризації газоподібних, рідинних і деяких твердотільних діелектриків. Орієнтацій на або дипольна поляризація виникає в випадку полярних діелектриків, які складаються з молекул, у яких центри розподілу додатних і від’ємних зарядів не співпадають. За відсутності зовнішнього електричного поля осі молекулярних диполів орієнтовані хаотично завдяки тепловому руху, так що на поверхні діелектрика в будь-якому елементі об’єму електричний заряд в середньому дорівнює нулеві. Під час внесення діелектрика в зовнішнє поле Е₀ виникає часткова орієнтація молекулярних диполів. В результаті на поверхні діелектрика з’являються нескомпенсовані макроскопічні зв’язані заряди, які створюють поле Е направлене назустріч зовнішньому полю. Поляризація полярних діелектриків сильно залежить від температури, оскільки тепловий рух молекул відіграє роль дезорієнтуючого чинника.

 

38. Електропровідність речовин

Електропровідність — здатність речовини проводити електричний струм. Електропровідність виникає в електричному полі. Електропровідність властива усім речовинам, але для того, щоб вона була значною, необхідно, щоб в речовині були вільні заряди. Електропровідністю також називають питому електропровідність — кількісну міру цієї здатності. Питома електропровідність обернено пропорційна питомому опору. Питома електропровідність зазвичай позначається грецькою літерою σ й вимірюється в системі СІ в сіменсах на метр, в СГС розмірність електропровідності — обернена секунда (с^-1). Вона встановлює зв'язок між густиною струму j й напруженістю електричного поля E: j=Eσ. В загальному випадку питома електропровідність є тензором другого рангу, але в для багатьох речовин цей тензор зводиться до скаляра. Поняття питомої електропровідності можна застосовувати тоді, коли виконується закон Ома. У багатьох неоднорідних системах закон Ома несправедливий, і навіть при дуже малих прикладених полях, залежність струму від напруги нелінійна.

 

39. Постійний струм. Закон Ома для ділянки кола. Закон Ома в диференціальній формі. Сторонні сили. Електрорушійна сила

Якщо ізольований провідник помістити в електричне поле, то на вільні носії заряду q в провіднику діятиме сила F = qE. В результаті в провіднику виникне короткочасне переміщення вільних зарядів. Цей процес закінчиться тоді, коли власне електричне поле зарядів, яке зя’вляється на поверхні провідника, скомпенсує повністю зовнішнє поле. Результуюче електростатичне поле всередині провідника дорівнює нулеві. Однак, в провідниках може при певних умовах виникнути неперервний впорядкований рух вільних носіїв електричного заряду. Такий рух називається електричним струмом. За напрям електричного струму прийняли напрям руху додатних вільних носіїв заряду. Кількісною мірою електричного струму служить сила струму I – скалярна фізична величина, яка дорівнює заряду, який переноситься через поперечний переріз провідника за одиницю часу: I = Δq/Δt. Якщо сила струму і його напрям не змінюється з часом, то такий струм називають постійним. Для існування постійного струму потрібно створювати і підтримувати різницю потенціалів на ділянках кола завдяки роботі сил неелектростатичної природи. Пристрої, які це роблять, називаються джерелами постійного струму. Фізична величина, яка дорівнює відношенню роботи сторонніх сил при переміщенні заряду q від від’ємного полюса джерела струму до додатного, до величини цього заряду, називається електрорушійною силою (ЕРС): ЕРС = εрс = Е = А_ст/q. ЕРС вимірюють в вольтах (В). Робота електростатичних сил дорівнює різниці потенціалів Δφ₁₂ = φ₁ – φ₂ між початковою і кінцевою точками ділянки кола. Робота сторонніх сил дорівнює за визначенням електрорушійній силі ε₁₂, яка діє на цій ділянці. Тому повна робота дорівнює: U₁₂ = φ₁ – φ₂ + ε₁₂. Величину U₁₂ називають напругою на ділянці кола 1–2. У випадку, коли на цій ділянці ЕРС не діє, напруга дорівнює різниці потенціалів: U₁₂ = φ₁ – φ₂. Ом встановив, що сила струму I, який протікає по однорідному металічному провіднику пропорційна до напруги U на кінцях провідника: I = U/R. Графічна залежність сили струму I від напруги U (такі графіки називаються вольт-амперними характеристиками, ВАХ) зображається прямою, яка проходить через початок координат. Для неоднорідної ділянки кола (ділянки, в якій є ЕРС) законОма записують так: I = ε/(R + r). Ця формула виражає закон Ома для повного кола: сила струму в повному колі дорівнює електрорушійній силі джерела, поділеній на суму опорів навантаження і внутрішнього опору джерела.

 

40. Розгалуженні кола. Правила Кірхгофа та їх застосування

Електричне коло - сукупність пристроїв, призначених для протікання електричного струму, електромагнітні процеси в яких можуть бути описані за допомогою понять сила струму і напруга

У розгул.к. є три гілки і два вузли. У кожної гілки тече свій струм. Гілка можна визначити як ділянка ланцюга, утворений послідовно з'єднаними елементами (через які тече однаковий струм) і укладений між двома вузлами. У свою чергу вузол є точка ланцюга, в якій сходяться не менше трьох гілок.

Пра́вила Кірхгофа визначають метод розрахунку складних розгалужених електричних кіл. Перше правило Кірхгофа: встановлює зв'язок між сумою струмів, спрямованих до вузла електричного з'єднання (додатні струми), і сумою струмів, спрямованих від вузла (від'ємні струми). Згідно з цим законом алгебраїчна сума струмів, що збігаються в будь-якій точці розгалуження провідників, дорівнює нулю =0. Перше правило Кірхгофа є наслідком закону збереження заряду. Для неперервно розподілених струмів у просторі воно відповідає рівнянню неперервності. Друге правило Кірхгофа: Для будь-якого замкнутого контура проводів сума електрорушійних сил дорівнює сумі добутків сил струму на кожній ділянці контура на опір ділянки, враховуючи внутрішній опір джерел струму. Математично друге правило Кірхгофа записується так: = . Послідовне застосування правил Кірхгофа до усіх вузлів й контурів у складній електротехнічній мережі дозволяє скласти повну систему лінійних рівнянь для визначення сил струму на кожній із ділянок. Для розрахунку малюють електротехнічну схему і позначають стрілками напрями струмів на кожній ділянці. Потім виділяються замкнуті контури. Якщо стрілка, яка вказує напрям струму направлена проти обходу, то відповідний добуток струму на опір береться зі знаком мінус. Якщо при обході переходять від від'ємного полюса джерела струму до додатного, то е.р.с. записується з додатним знаком, якщо навпаки, то з від'ємним. В результаті отримують систему рівнянь, розв'язуючи яку визначають сили струму. Якщо сила струму вийшла від'ємною, то це значить, що напрям струму на даній ділянці вгадали неправильно, хоча це не впливає на правильність результату.

 

41. Класична електронна теорія металів. Виведення законів Ома та Джоуля-Ленца. Недоліки теорії.

Класична (у розумінні неквантова) електронна теорія провідності металів створена в 1900 р. німецьким фізиком П. Друде (1863—1906). Ідеї Друде розвинув далі X. Лоренц, підвівши під них досконалішу теоретичну основу. У своїй теорії П. Друде виходив із припущення, що висока електропровідність металів зумовлена великою кількістю носіїв заряду – електронів, які хаотично переміщаються в об'ємі металу. Електрони провідності утворюють в металі електронний газ, який має властивості одноатомного газу. При хаотичному русі електрони зазнають зіткнень з іонами кристалічної ґратки металу. Тому можна говорити про середню довжину вільного пробігу електронів, яка за значенням має дорівнювати параметру кристалічної ґратки, тобто < l >»10^-10 м. В основу класичної електронної теорії провідності металів покладено такі положення. 1. Метал як кристалічне тверде тіло є системою позитивних іонів і вільних електронів. Кристалічну гратку утворюють розташовані правильними і жорсткими рядами іони, які здійснюють теплові коливання навколо положення рівноваги (вузлів кристалічної ґратки). 2. Електронний газ вважається ідеальним газом, взаємодією між електронами можна знехтувати, враховується тільки взаємодія з іонами ґратки. 3. Електронний газ підлягає законам одноатомного ідеального газу. Середня довжина вільного пробігу електрона не залежить від його швидкості хаотичного руху. 4. Внаслідок хаотичного руху електронів у разі відсутності електричного поля в металі немає домінуючого напряму переміщення зарядів. 5. Електрон набуває енергії впорядкованого руху під дією зовнішнього електричного поля тільки на шляху вільного пробігу. Між електроном та іоном відбувається не пружні зіткнення. Основне завдання електронної теорії провідності металів полягає у теоретичному обґрунтовані основних законів постійного струму, установлених експериментальне, і поясненні властивостей металів. Закон Джоуля — Ленца — кількість теплоти, що виділяється струмом в провіднику, пропорційна силі струму, часу його проходження і падінню напруги. . де I — сила струму, R — опір, t — час. Закон Джоуля-Ленца справедливий у межах застосованості закону Ома. Закон Джоуля-Ленца в диференційній формі: Візьмемо у провіднику елементарний об'єм dV=dS·dl. Струм буде протікати і через dV, тому там виділятиметься теплота: , де — опір елементарного об'єм. З закону Ома j=σE. З другого боку, I=jdS=σEdS, ρ= , dQ= σ²E²dS² ρ dt, dQ= σE²dVdt, де E- напруженість електричного поля, σ — електропровідність, t— час, V — елементарний об'єм.

 

42. Струм у вакуумі. Вакуумний діод, електронно-променева трубка та їх застосування. Електричний струм у газах і термоелектронна емісія

Фізична величина, яка дорівнює відношенню модуля напруженості Е₀ зовнішнього електричного поля в вакуумі до модуля напруженості Е повного поля в однорідному діелектрику, називають діелектричною проникністю речовини. ε = Е₀/Е. Електровакуумний діод — вакуумна двоелектродна електронна лампа, що має лише анод і катод. Катод діода нагрівається до температур, при яких виникає термоелектронна емісія. При подаванні на анод позитивної відносно катода напруги частина емітованих електронів спрямовується до аноду, формуючи його струм, у протилежному випадку емітовані катодом електрони повертаються на катод. Таким чином, діод випрямляє прикладену до нього змінну електричну напругу. Ця властивість діода використовується для випрямлення змінної напруги і детектування сигналів високої частоти. Практичний частотний діапазон традиційного вакуумного діода обмежується значеннями 500 МГц. Дискові діоди, що інтегровані у хвилеводи, здатні детектувати частоти до 10 ГГц. Електро́нно-промене́ва тру́бка, кінескоп — електронний прилад, який має форму трубки, видовженої (часто з конічним розширенням) в напрямку осі електронного променя, що формується в ЕПТ. ЕПТ складається з електронно-оптичної системи, відхиляючої системи і флуоресцентного екрана або мішені. Залежно від методу управління електронним променем електро́нно-промене́ва тру́бка поділяються на: електростатичні; електромагнітні. Залежно від призначення електро́нно-промене́ва тру́бка поділяються на: електронно-графічні трубки; оптико-електронні перетворюючі трубки; електронно-променеві перемикачі. Електронно-графічні електро́нно-промене́ва тру́бка — група електронно-променевих трубок, які застосовуються в різноманітних галузях техніки, для перетворення електричних сигналів в оптичні (перетворення типу «сигнал — світло»). Електронно-графічні електро́нно-промене́ва тру́бка поділяються: приймальні телевізійні; приймальні осцилографічні; приймальні індикаторні; запам'ятовуючі; знакодрукувальні; кодувальні; інші ЕПТ. Термоелектро́нна емі́сія — явище зумовленого тепловим рухом вильоту електронів за межі речовини. Tермоелектронна емісія суттєва для функціонування вакуумних ламп, в яких електрони випромінюються негативно зарядженим катодом. Для збільшення емісії катод зазвичай підігрівається ниткою розжарення. Явище термоелектронної емісії було відоме вже наприкінці 18 століття. При нагріванні металу енергетичний розподіл електронів в зоні провідності змінюється. З'являються електрони з енергією, що перевищує рівень Фермі. Незначна кількість електронів може набути енергію, яка перевищує роботу виходу. Такі електрони можуть вийти за межі металу, в результаті чого виникає емісія електронів. Величина струму термоелектронної емісії залежить від температури катода, роботи виходу та властивостей поверхні.