Определение и единицы измерения силы тока и плотности тока

За количественную меру тока в проводнике (обычном металлическом проводе) принимают величину электрического заряда, проходящую через поперечное сечение

проводника в единицу времени: СИ. (А = Кл/с).

 

Пло́тность то́ка — векторная физическая величина, имеющая смысл силы тока, протекающего через единицу площади. Например, при равномерном распределении плотности тока и всюду ортогональности ее плоскости сечения, через которое вычисляется или измеряется ток, величина вектора плотности тока: . Единица измерения - 1 А/м2.

 

50. Физический смысл сопротивления проводника. От чего и как зависит? (стр. 32)

Сопротивление проводника должно отражать его внутренние свойства, определяющие условия протекания по проводнику носителей тока. При данной температуре оно зависит от материала проводника и его геометрии (длины l и площади поперечного сечения проводника S):

 

Удельное сопротивление проводника (единица измерения – Ом·м) характеризует электрические свойства материала проводника.

 

52. Закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС, в интегральной форме. В чем состоит физический смысл этого равенства? (стр. 36)

Равенство называют законом Ома для участка цепи, содержащего ЭДС. Из закона видно, что падение напряжения на участке цепи, содержащем ЭДС, не равно разности потенциалов на его концах: .

 

R- сопротивление всей внешней электрической цепи. [Ом]

I- сила постоянного тока. [А]

ε – ЭДС источника

φ – потенциал

r- внутреннее сопротивление источника ЭДС

 

54. Формулы для расчета эквивалентной ЭДС при параллельном и последовательном соединении проводников. ( взято со справочника !)

Причина возникновения ЭДС – сила Лоренца.

ЭДС – электродвижущая сила [Вольт].

 

Эта формула используется в любом проводнике, движущемся в магнитном поле, если . Если между векторами и есть угол, то используется формула . Так как , а , то .

 

● Другой способ вывода формулы ЭДС в движущемся проводнике.

 

Т.к. электроны начинают под действием силы Лоренца перемещаться к одному из концов проводника, то возникает электрическое поле. Оно будет возрастать до тех пор, пока электрическая сила не уравновесит силу Лоренца.

 

. Учитывая, что получим:

( - угол между направлениями тока и ).

 

Явление существенно при движении проводников значительной длины или с большой скоростью. Знак можно определить по правилу правой руки.

 

56. Напишите уравнение баланса мощностей в замкнутой электрической цепи. При каком условии мощность во внешней цепи будет максимальна? (стр. 36)

 

1. Используя закон Ома , => - баланс мощностей в замкнутой цепи: мощность, вырабатываемая источником, расходуется на мощность, выделяющуюся во внешней цепи, и мощность, теряемую в источнике.

 

- полная мощность источника

- мощность потерь

- согласованная нагрузка.

 

P – мощность [Вт]

R- сопротивление всей внешней электрической цепи. [Ом]

I- сила постоянного тока. [А]

ε – ЭДС источника

r- внутреннее сопротивление источника ЭДС

 

2. Максимального значения () мощность достигает при силе тока . Таким образом, получением максимально возможной мощности от данного источника тока происходит при , что называется согласованием нагрузки.

 

58. Напишите закон Джоуля-Ленца в дифференциальной и интегральной формах. Поясните смысл отдельных величин. (стр. 40; http://frutmrut.ru/zakon-dzhoulya-lenca/)

 

● Закон Джоуля-Ленца в локальной (дифференциальной) форме предполагает связь локальных характеристик протекания тока с теплом, выделяющимся в единице объема проводника в единицу времени (удельной тепловой мощностью ).

 

● Закон Джоуля-Ленца в интегральной форме (в тонких проводах):

 

- Количество теплоты, выделяемое током силой I, текущим по проводнику с сопротивлением R за промежуток времени от 0 до t.

 

 

- удельная тепловая мощность [Вт]

— Плотность электрического тока (вектор плотности тока) [A/м²]

— Напряжённость электрического поля [В/м]

— Проводимость среды (удельная проводимость)

 

- Количество теплоты

- Сопротивление [Ом]

- Сила тока в проводнике [А]

- Промежуток времени

 

60. В чем состоит опыт Стюарта и Толмена и его результат? (стр. 40)

 

(1916) С помощью баллистического гальванометра был измерен заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время торможения. Расчеты показали, что удельный заряд носителя очень близок к удельному заряду электрона. Таким образом, было доказано, что носителями тока в металлах являются свободные электроны.

62. От чего и как зависит проводимость металлов согласно классической электронной теории? (стр. 42-43)

 

Из следует, что в отсутствии столкновений, когда длина свободного пробега неограниченно велика, так же велика и проводимость металла. Получается, что, электрическое сопротивление металла, согласно классической теории, обусловлено столкновениями с ионами кристаллической решетки.

 

64. Какие утверждения можно сделать, опираясь на совокупность опытных фактов, касающихся взаимодействия движущихся зарядов? (стр. 45)

 

Многочисленные опытные факты, касающиеся взаимодействия движущихся электрических зарядов (притяжение или отталкивание электрических токов, действие тока на магнитную стрелку, рамку с током и т.п.), позволяют сформулировать следующие утверждения, базирующиеся на полевом принципе взаимодействия:

 

- движущиеся электрические заряды (токи) видоизменяют свойства окружающего их пространства, порождают магнитное поле;

- магнитное поле проявляет себя тем, что действует на находящиеся в нем другие движущиеся электрические заряды (токи) с некоторой силой.

 

66. Напишите формулы сил Ампера и Лоренца, по какому правилу определяется их направление? Сформулируйте это правило. (стр. 48)

● Сила Лоренца. На заряд q, движущийся со скоростью в магнитном поле индукцией ,действует сила (Лоренца) .

Направление силы проще всего определить с помощью правила левой руки - расположить левую руку так, чтобы вытянутые пальцы указывали направление движения положительного заряда, вектор индукции входил в ладонь, тогда отогнутый большой палец укажет направление действия силы (рис. 18.5). Если заряд отрицательный, направление вектора силы будет противоположным. Важно помнить, что вектор силы Лоренца перпендикулярен плоскости, в которой лежат вектора и . Формула силы Лоренца является результатом обобщения многочисленных опытных фактов.

 

● Сила Ампера. Сила, действующая на проводник с током расположенный в магнитном поле, есть результат действия сил Лоренца на движущиеся по проводнику электрические заряды.

 

Так как проводник – объект протяженный, и отдельные его участки расположены в разных областях поля, имеет смысл говорить о силе, действующей на элемент тока. Эта сила называется силой Ампера.

 

Принцип суперпозиции сил Лоренца позволяет написать:

 

.

 

68. В чем состоит смысл вектора магнитной индукции? (стр. 45 и http://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная _индукция)

 

Согласно правилу векторного произведения , вектор индукции перпендикулярен плоскости, в которой лежат вектора, и направлен по правилу правого винта.

Магнитная индукция определяет, с какой силой F магнитное поле действует на заряд q, движущийся со скоростью .

Более конкретно, B — это такой вектор, что сила Лоренца F, действующая со стороны магнитного поля на заряд q, движущийся со скоростью , равна , где α — угол между векторами скорости и магнитной индукции (направление вектора F перпендикулярно им обоим и направлено по правилу буравчика).

 

70. Сформулируйте словесно и в виде формулы теорему Гаусса для магнитного поля. (стр. 49)

 

Поток вектора магнитной индукции поля точечного заряда через произвольную замкнутую поверхность будет равен нулю .

Таким образом, поток вектора магнитной индукции через произвольную замкнутую поверхность равен нулю.

 

B — Магнитная индукция [Тесла=Тл]

 

72. Какая величина называется магнитным моментом? (стр. 56)

 

Магнитный момент рамки с током – вектор, равный произведению силы тока в рамке на вектор площади рамки. , где I – сила тока в контуре [А], – площадь контура [м²], - магнитный дипольный момент [A∙ м²].

Магнитный момент можно считать количественной мерой, определяющей индукцию магнитного поля диполя на больших расстояниях от источника.

 

74. В чем состоит причина изменения вектора магнитной индукции в присутствии вещества? (стр. 54)

 

Присутствие вещества оказывает определенное влияние на магнитное поле, образованное, например, макротоками (токами, текущими по проводам).Для большого класса веществ (исключая ферромагнетики) выполняется прямая пропорциональность между индукцией внешнего поля и индукцией поля в веществе. Этот факт записывают в виде .

 

Формально, учет влияния среды сводится к введению коэффициента пропорциональности μ, характеризующего ее магнитные свойства и определяемого опытным путем. Величина μ, показывает, как и во сколько раз индукция поля в веществе отличается от индукции поля в вакууме при тех же источниках и называется относительной магнитной проницаемостью вещества.

 

С учетом , для индукции поля в присутствии вещества, соответственно, находим . Напряженность магнитного поля в СИ измеряется в А/м (ампер/метр).

 

76. Дайте определение вектору намагниченности, как он связан с напряженностью внешнего магнитного поля? (стр. 57-58)

Намагниченность – векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела.

Намагниченность вещества – упорядочение, моментов относительно этого поля. Чем сильнее поле , тем лучше упорядоченность , тем сильнее намагниченность вещества.

, - [А·м⁻¹], V – объем [м³], P – мощность [Вт].

Намагниченность принято связывать не с магнитной индукцией, а с напряженностью поля. Полагают, что в каждой точке магнетика , где χ – магнитная восприимчивость.

78. Каковы характерные особенности диамагнетиков? ( стр. 60)

Появление в веществе индуцированного магнитного момента в направлении противоположном внешнему полю, что ослабляет его.

80. Каковы характерные особенности парамагнетиков? (стр. 62)

Для парамагнетиков характерно – магнитный момент атома отличен от нуля мало по величине и уменьшается с ростом температуры; .

82. Каковы характерные особенности ферромагнетиков? (стр. 63)

Сильномагнитные вещества, , обладающие явлением магнитного гистерезиса.

84. Что называют магнитным доменом?

Домен – область спонтанной намагниченности в ферромагнитном кристалле.

86. В чем состоит правило Ленца? Поясните ответ рисунками. (стр. 66)

Правило Ленца определяет направление индукционного тока и гласит: Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

88. В чем состоит гипотеза Максвелла? (стр. 68)

Максвелл предположил, что появление ЭДС индукции в неподвижном контуром вызвано вихревым электрическим полем, порождаемое переменным магнитным полем.

90. Поясните физический смысл индуктивности проводника применительно к замкнутому контуру. (стр. 69)

Индуктивность контура показывает, какой магнитный поток пронизывает контур при силе тока в нём равном 1 А. Единица измерения индуктивности: [L]=Гн (генри).

92. Напишите дифференциальное уравнение и закон изменения силы тока при замыкании электрической цепи. (стр. 71)

Любое изменение тока в цепи порождает появление в ней ЭДС самоиндукции.

94. Напишите формулы для энергии магнитного поля. На каком основании можно утверждать, что магнитное поле обладает энергией? (стр. 72)

.

Опыт с лампочкой доказывает о существовании энергии магнитного поля, т.к. после отключения источника питания некоторое время лампочка продолжает гореть.

96. Какое из уравнений Максвелла отражает тот факт, что источником электрического поля являются электрические заряды? (стр. 75)

Согласно уравнениям Максвелла (первое и третье), источниками электрического поля могут быть либо непосредственно электрические заряды, либо меняющиеся во времени магнитные поля.

98. Что называют током смещения? (стр. 73)

, ток протекает через конденсатор, где dq- заряд, пришедший на обкладку конденсатора за время dt.

100. В чем состоит физический смысл теоремы о циркуляции, входящей в уравнения Максвелла? ( стр. 73)

Циркуляция магнитного поля постоянных токов по всякому замкнутому контуру пропорциональна сумме сил токов, пронизывающих контур циркуляции.

¨

 

¨ Карев А. С., Флеров В. Д., Михайлова А.А., Прахова К. А.