Лекция 2

Тема 2	ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ
Строение вещества	➨ все вещества состоят из атомов, ионов и молекул; ➨ атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов; Различают два рода заряженных частиц в веществе: связанные заряды и свободные заряды.
● связанные заряды	➨ заряды, входящие в состав атомов, ионов и молекул; ➨ в некоторых веществах связанные заряды можно превратить в свободные, изменяя внешние условия (например, нагревание, растворение в воде);
● свободные заряды	➨ заряды, слабо связанные с атомными ядрами и способные свободно перемещаться по всей области вещества;
Проводники и диэлектрики	➨ все вещества по характеру их проводимости делятся на: проводники, диэлектрики и полупроводники;
ПРОВОДНИКИ в электрическом поле	➨ к проводникам относятся вещества, в которых имеются свободные заряды, способные двигаться упорядоченно по всему объему тела под действием электрического поля, т.е. проводить электрический ток;
● примеры природных проводников	➨ металлы; водные растворы солей, кислот, щелочей; ионизированные газы;
Электростатическая индукция	➨ вид электризации, при котором под действием внешнего электрического поля происходит перераспределение зарядов между частями данного тела;
● поле внутри проводника	➨ поместим незаряженный металлический проводник в поле напряженностью ; свободные электроны начнут двигаться против направления вектора напряженности , в результате чего на концах проводника возникают заряды противоположного знака, называемые индуцированными (наведенными). Индуцированные заряды распределяются на внешней поверхности проводника, создавая собственное электрическое поле напряженностью , направленное противоположно напряженности внешнего поля. Индуцированные заряды перемещаются до тех пор, пока напряженность собственного поля станет равной по модулю напряженности внешнего поля . По принципу суперпозиции напряженность результирующего поля внутри проводника равна векторной сумме и : = + . Векторы и равны по модулю и противоположны по направлению, следовательно их сумма, т.е. напряженность внутри проводника, равна нулю: =0.
ДИЭЛЕКТРИКИ в электрическом поле	➨ к диэлектрикам относятся вещества, в которых при обычных условиях (при не высоких температурах и отсутствии сильных электрических полей) нет свободных электрических зарядов, т.е. вещества не проводящие электрический ток;
● отличие диэлектриков от проводников	➨ в диэлектриках заряженные частицы не способны двигаться по всему объему тела, а могут лишь смещаться на небольшие расстояния (порядка атомных) относительно своих постоянных положений, следовательно, электрические заряды в диэлектриках являются связанными. Такое отличие приводит к тому, что во внешнем электрическом поле диэлектрики ведут себя иначе, чем проводники – диэлектрик оказывает на поле определенное влияние.
● примеры природных диэлектриков	➨ каучук, кварц, янтарь, газы в нормальных условиях, сухие соли.
Виды диэлектриков	➨ в зависимости от строения молекул все диэлектрики можно разделить на три группы: полярные, неполярные, сегнетоэлектрики;
❶ полярные диэлектрики	➨ диэлектрики, состоящие из полярных молекул;
● полярные молекулы	➨ молекулы имеют асимметричное строение - центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают (например, вода, спирт). Они обладают электрическим моментом даже при отсутствии внешнего электрического поля. Их можно рассматривать как электрические диполи;
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИПОЛЬ	➨ система из двух равных по модулю и противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расстояние между которыми мало по сравнению с расстоянием до точек, где наблюдается действие этих зарядов;
●плечо диполя	➨ вектор, направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному, численно равный расстоянию между ними.
● электрический момент диполя	➨ произведение модуля заряда диполя Qна плечо диполя , характеризует способность ориентации диполя во внешнем поле.
❷ неполярные диэлектрики	➨ диэлектрики, состоящие из неполярных молекул.
● неполярные молекулы	➨ имеют симметричное строение - центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают (например, парафин, азот). В отсутствии внешнего электрическогополя такие молекулы не обладают электрическим моментом. Во внешнем электрическом поле центры распределения положительных и отрицательных зарядов неполярных молекул смещаются в противоположные стороны, молекулы становятся диполями и приобретают дипольный момент.
● поле внутри диэлектрика	➨ если диэлектрик поместить в поле напряженностью , то произойдет ориентация его диполей по полю. При увеличении напряженности внешнего поля все большее количество диполей ориентируется по полю. Поляризованный диэлектрик создает собственное электрическое поле напряженностью , направленное противоположно напряженности внешнего поля. По принципу суперпозиции, напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна векторной сумме напряженностей внешнего и собственного полей: = + Векторы и противоположны по направлению, т.е. собственное поле диэлектрика ослабляет внешнее поле:
● относительная диэлектрическая проницаемость среды	➨ относительная диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность электрического поля внутри диэлектрика меньше напряженности этого поля в вакууме;
❸ сегнетоэлектрики	➨ кристаллические диэлектрики, имеющие ионную структуру (например, NaCl, KCl). Они обладают огромными значениями относительной диэлектрической проницаемости ;
Электрическая ёмкость уединенного проводника [Ф]	➨ физическая величина, численно равная отношению заряда , сообщенного проводнику, к потенциалу , который этот заряд создает на поверхности проводника;
· взаимная электроемкость двух проводников [Ф]	➨ физическая величина, численно равная заряду, который нужно перенести с одного проводника на другой для того, чтобы изменить на единицу разность потенциалов () между ними;
· электроемкость уединенного шара	➨ R – радиус шара;
● единица электроёмкости 1 Фарад	➨ за единицу электроёмкости принята емкость такого проводника, у которого потенциал возрастает на 1 В при сообщении проводнику заряда 1 Кл;
КОНДЕНСАТОР ● плоский конденсатор	➨ система из двух разделенных диэлектриком проводников, на которых могут накапливаться заряды противоположных знаков. ➨ система из двух плоских параллельно расположенных на расстоянии d металлических пластин площадью Sкаждая, разделенных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью .
Ёмкость плоского конденсатора	➨ прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества между пластинами, площади пластиныS и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами d;
● энергия плоского конденсатора		q- заряд одной из пластин	(U=Ed)
Конденсаторы различают:	❶ по емкости - постоянной и переменной;
❷ по форме: плоские, цилиндрические, сферические	❸ по роду диэлектрика: воздушные, слюдяные, электролитические, керамические,
● цилиндрические	➨	➨
● сферические	➨	➨
СОЕДИНЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ	➨ для получения нужной электроемкости конденсаторы соединяют друг с другом параллельно, последовательно или смешанно;
● последовательное соединение при таком соединении на участке электрической цепи не образуется узлов	➨ общая электроемкость уменьшается	➨ q=const ; ;
● параллельное соединение при таком соединении одни концы конденсаторов сходятся в узел, а другие концы - в другой узел	➨ общая электроемкость увеличивается	➨ ∆φ=const q=q₁+q₂ +…+q_n _; C_об=С₁+С₂+…+С_n
● смешанное соединение состоит из последовательного и параллельного соединений;	➨ пример:	➨ узел – точка электрической цепи, в которой имеется более двух направлений тока.

ЛЕКЦИЯ 3
Тема 3	ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК	➨ направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов;
● ток проводимости	➨ упорядоченное движение свободных электрических зарядов, происходящее в проводнике. Токами проводимости являются: в металлах – направленное движение электронов; в жидкостях – ионов; в газах – электронов и ионов;
● условия возникновения и существования электрического тока проводимости	➨ ❶ наличие свободных носителей тока – заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно; ❷ наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на совершение работы по упорядоченному перемещению зарядов;
● направление тока	➨ за направление тока принимают направленное движение положительно заряженных частиц; ➨ вметаллах ток направлен против движения электронов; ➨ в жидкостях и газах упорядоченное движение электрических зарядов может происходить как в направлении тока, так и в противоположном направлении;
СИЛА ТОКА [A]	➨ скалярная физическая величина, численно равная отношению заряда , проходящего через поперечное сечение проводника ко времени прохождения заряда;
● постоянный ток	➨ электрический ток, сила и направление которого сохраняются с течением времени неизменными;
● плотность тока	➨ векторная величина, модуль которой равен отношению силы тока в проводнике к площади поперечного сечения этого проводника;
НАПРЯЖЕНИЕ на участке цепи [B]	➨ физическая величина, численно равная суммарной работе, совершаемой кулоновскими и сторонними силами при перемещении по участку единичного положительного заряда;
➨ для неоднородного участка цепи;
➨ для однородного участка цепи (при );

Носители свободных электрических зарядов
● В МЕТАЛЛАХ	➨ в металлах электрический ток представляет собой направленное движение свободных электронов под действием электрического поля. Свободные электроны образуются за счет отщепления от атомов валентных электронов. Под действием электрического поля электроны участвуютодновременно в двух движениях: хаотическом тепловом и направленном под действием поля. Скорость направленного движения мала, но переход к нему происходит быстро (). Направленному движению свободных электронов препятствуют ионы, колеблющиеся в узлах кристалллической решетки металла. Это приводит к появлению сопротивления прохождению электрического тока. При увеличении температуры металла амплитуда колебаний ионов возрастает, что приводит к увеличению сопротивления проводника;
● В ЖИДКОСТЯХ	➨ упорядоченное перемещение положительных и отрицательных ионов под действием созданного в жидкости электрического поля;
▪ электролитическая диссоциация	➨ процесс распада молекул солей, кислот, щелочей на положительные и отрицательные ионы в результате растворения в воде, например, соль: кислота: щелочь:
▪ электролиты	➨ водные растворы солей, кислот, щелочей, а так же расплавы некоторых солей и оснований, проводящие электрический ток посредством ионов;
▪ электролиз	➨ процесс выделения вещества на электродах при прохождении тока через электролит;
▪ закон электролиза (закон Фарадея)	➨ масса вещества, выделившегося при электролизе на каждом из электродов, прямо пропорциональна величине заряда , прошедшего через электролит; k– электрохимический эквивалент вещества (табл. значение);
● В ГАЗАХ	➨ направленное движение свободных электронов и ионов; при нормальных условиях газы – диэлектрики; они становятся проводниками после ионизации;
▪ ионизация	➨ процесс образования ионов путем отделения электронов от молекул газа. Нейтральная молекула теряет электроны, превращаясь в положительный ион; захватывает электроны, превращаясь в отрицательный ион;
▪ ионизатор	➨ ионизация газа происходит в результате воздействия на газ внешнего ионизатора: сильного нагревания, облучения рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами, бомбардировкой электронами;
▪ рекомбинация	➨ самопроизвольный процесс, обратный ионизации; ➨если процесс рекомбинации преобладает над процессом ионизации, то проводимость газа быстро уменьшается до нуля;
● газовый разряд	➨ электрический ток в газе, представляющий собой противоположно направленные потоки отрицательных и положительных ионов; ➨для газового разряда необходимы два условия: u ионизированная газовая среда; v электрическое поле (разность потенциалов, приложенная к некоторому объему газа, заключенного в сосуд);
▪ самостоятельный разряд (искровой, тлеющий, дуговой, коронный)	➨ газовый разряд, не требующий для своего поддержания воздействия внешнего ионизатора. Ионизация газа при самостоятельном разряде инициируется и поддерживается внешним электрическим полем.
▪ несамостоятельный разряд	➨ газовый разряд, возникающий под действием внешнего ионизатора и прекращающийся после его удаления.
● плазма	➨ четвертое состояние вещества – представляет собой полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда.
СОПРОТИВЛЕНИЕ проводника [Ом]	➨ величина, прямо пропорциональная длине проводника и обратно пропорциональная площади поперечного сечения проводника.
● проводимость [Ом^-1]	➨ физическая величина, обратная сопротивлению проводника;
● единица сопротивления 1 Ом	➨ проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В, сила тока в нем 1 А;
● удельное сопротивление проводника [Ом·м]	➨ физическая величина, численно равная сопротивлению проводника длиной 1 м и поперечным сечением 1 м²; ➨ величина, характеризующая зависимость изменения сопротивления проводника от материала, из которого он изготовлен;
● температурный коэффициент сопротивления [град^-1]	➨ показывает, на какую часть первоначального сопротивления изменяется сопротивление этого проводника при нагревании от 0⁰ до 1⁰ С; ➨ величина, характеризующая зависимость изменения сопротивления проводника от температуры:
▪ металлы	➨ сопротивление всех металлов при нагревании возрастает.
▪ растворы солей, кислой, щелочей, уголь	➨ сопротивление растворов солей, кислот, щелочей, а так же угля при нагревании уменьшается. ; - удельное сопротивление при 0⁰С;
● сверхпроводимость	➨ явление, при котором сопротивление некоторых чистых металлов (олово, алюминий, свинец, ртуть) падает до нуля при температурах, близких к абсолютному нулю.
	ЛЕКЦИЯ 4
ЗАКОН ОМА для участка цепи	➨ сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению участка.
СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ	➨ для получения необходимого сопротивления в цепи проводники соединяют последовательно и параллельно.
● последовательное соединение такое соединение, при котором не образуется узлов	➨	I=const U = U₁+ U₂+…+ U_N _; R=R₁+R₂+…+R_N
● параллельное соединение такое соединение, при котором есть точка, где ток расходится, и есть точка, где эти токи сходятся	➨	U=const I = I₁+ I₂+…+ I_N _; _;
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА Э Д С [В]	➨ электродвижущая сила равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль всей замкнутой цепи к величине этого заряда.
ИСТОЧНИКИ ТОКА	➨ устройства, обеспечивающие возникновение сторонних сил и поддерживающие постоянную разность потенциалов на своих полюсах;
● виды источников тока	➨ батареи элементов, аккумуляторы, генераторы – в них создается запас энергии для совершения работы по перемещению зарядов в электрической цепи;
● физические процессы, происходящие в источниках тока	➨ внутри источника тока на каждую заряженную частицу действуют две силы: сила электрического поля; сила неэлектрического характера - сторонняя сила. Эти силы совершают работу против электростатических сил по разделению положительных и отрицательных зарядов, что приводит к поддержанию электрического поля в цепи и разности потенциалов между любыми ее точками. Работа сторонних сил связана с превращением энергии не электрической в энергию электрического тока.
●устройство источника тока	➨ источник тока имеет два электрода. Электрод с более высоким потенциалом, называется положительным полюсом (+), с более низким – отрицательным полюсом (-); ➨ между полюсами образуется разность потенциалов – напряжение; ➨ ЭДС численно равна напряжению на полюсах разомкнутого источника: ;
● внутреннее сопротивление источника тока (на схеме вынесено из источника тока и показано пунктиром)	➨ каждый источник тока имеет внутреннее сопротивление r; ➨ в химических источниках тока – это сопротивление электролита, в генераторах - сопротивление медногопровода электромагнитов.
● ток короткого замыкания	➨ ток, текущий по цепи, полученной при замыкании электродов источника тока между собой; ➨режим короткого замыкания – аварийный режим, при котором реальные источники тока выходят из строя.
СОЕДИНЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА	➨ соединение Nодинаковых источников тока с ЭДС и внутренним сопротивлением .
● последовательное соединение	➨ общая ЭДС ➨ общее внутреннее сопротивление
● параллельное соединение	➨ общая ЭДС ➨ общее внутреннее сопротивление
Полная электрическая цепь	➨ замкнутая цепь, состоящая из двух частей: ▪ внешней - потребители тока и подводящие провода; ▪ внутренней – источники тока.
полное сопротивление замкнутой электрической цепи	➨ равно сумме полного сопротивления внешнего участка цепи и внутреннего сопротивления источника тока
Закон Ома для полной цепи	➨ сила тока в полной электрической цепи равна отношению ЭДС источника к полному сопротивлению цепи .
● падение напряжения на внешнем участке цепи	➨ падение напряжения на внешнем участке цепи равно разности ЭДС источника тока и падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника;
РАБОТА электрического тока(полезна работа)	➨ при перемещении заряда по электрической цепи, на концах которой действует напряжение , электрическим полем совершается работа [Дж] Æперемещенный при этом заряд (если ток постоянный) численно равен произведению силы тока в цепи на промежуток времени , в течение которого измерялся ток

● КПД источника тока	➨ = = - полезная работа (работа тока); - затраченная работа (работа источника электрической энергии);
МОЩНОСТЬ электрического тока [Вт]	➨ физическая величина, равная отношению работы ко времени , за которое она совершается;
● единица мощности		➨ это работа в 1 Дж, произведенная за 1 секунду; 1 Вт·с = 1 Дж 1 кВт = 1000 Вт 1 Вт·ч = 3 600 Дж 1 кВт·ч = 3 600 000 Дж
Закон Джоуля-Ленца		➨ при прохождении электрического тока по проводнику в нем выделяется некоторое количество теплоты , которое прямо пропорционально квадрату силы тока , сопротивлению проводника и времени прохождения тока