Презентация на тему "Постоянный электрический ток"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Лекция 10. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

  10.1. Причины электрического тока. 10.2. Плотность тока. 10.3. Уравнение непрерывности. 10.4. Сторонние силы и Э. Д. С. pptcloud.ru

• 
  Слайд 2

  10.1. Причины электрического тока

  Заряженные объекты являются причиной не только электростатического поля, но еще и электрического тока. В этих двух явлениях, есть существенное отличие: Для возникновения электростатического поля требуются неподвижные, каким-то образом зафиксированные в пространстве заряды. Для возникновения электрического тока, требуется наличие свободных, не закрепленных заряженных частиц, которые в электростатическом поле неподвижных зарядов приходят в состояние упорядоченного движения вдоль силовых линий поля. Упорядоченное движение свободных зарядов вдоль силовых линий поля - электрический ток.

• 
  Слайд 3
  

  И Где - объемная плотность заряда. Распределение напряженности Е и потенциала φ электростатического поля связано с плотностью распределения зарядов в пространстве уравнением Пуассона:

• 
  Слайд 4
  

  Если заряды неподвижны, т. е. распределение зарядов в пространстве стационарно, то ρ не зависит от времени, в результате чего и Е, и φ являются функциями только координат, но не времени. Поэтому поле и называется электростатическим.

• 
  Слайд 5
  

  Наличие свободных зарядов приводит к тому, что становится функцией времени, что порождает изменение со временем и характеристик электрического поля, появляется электрический ток. Поле перестает быть электростатическим.

• 
  Слайд 6
  

  Количественной мерой тока служит I - заряд, перенесенный через заданную поверхность S (или через поперечное сечение проводника), в единицу времени, т.е.: (10.1.3)

• 
  Слайд 7
  

  Если, однако, движение свободных зарядов таково, что оно не приводит к перераспределению зарядов в пространстве, то есть к изменению со временем плотности зарядов ρ, то в этом частном случае электрическое поле – снова статическое. Этот частный случай есть случай постоянного тока. Ток, не изменяющийся по величине со временем – называется постоянным током (10.1.4) - отсюда видна размерность силы тока в СИ:

• 
  Слайд 8
  

  Как может оказаться, что заряды движутся, а плотность их не меняется, мы разберемся позже. Сначала введем количественные характеристики электрического тока.

• 
  Слайд 9

  10.2. Плотность тока

  Как известно из курса школьной физики, есть две основные характеристики электрического тока – это сила тока Iи плотность токаj . В отличие от силы тока, которая есть величина скалярная и направления не имеет, плотность тока – это вектор. Связь между этими двумя физическими величинами такова: (10.2.1)

• 
  Слайд 10
  

  Или наоборот, модуль вектора плотности тока численно равен отношению силы токачерез элементарную площадку, перпендикулярную направлению движения носителей заряда, к ее площади: (10.2.2)

• 
  Слайд 11
  

  Плотность токаj -есть более подробная характеристика тока, чем сила тока I. j- характеризует ток локально, в каждой точке пространства, а I– это интегральная характеристика, привязанная не к точке, а к области пространства, в которой протекает ток.

• 
  Слайд 12
  

  Ясно, что плотность тока jсвязана с плотностью свободных зарядов ρ и со скоростью их движения :

• 
  Слайд 13
  

  За направление вектора принимают направление вектора положительных носителей зарядов (раньше не знали о существовании отрицательных носителей зарядов и приняли так). Если носителями являются как положительные, так и отрицательные заряды, то плотность тока определяется формулой: (10.2.4) где и – объемные плотности зарядов.

• 
  Слайд 14
  

  Там, где носители только электроны, плотность тока определяется выражением: (10.2.5)

• 
  Слайд 15
  

  Поле вектора можно изобразить графически с помощью линий тока, которые проводят так же, как и линии вектора напряженности

• 
  Слайд 16
  

  Зная вкаждой точке интересующей нас поверхности S можно найти силу тока через эту поверхность, как поток вектора : (10.2.6)

• 
  Слайд 17
  

  Сила тока является скалярной величиной и алгебраической, а знак определяется выбором направления нормали к поверхности S.

• 
  Слайд 18

  10.3. Уравнение непрерывности

  Представим себе, в некоторой проводящей среде, где течет ток, замкнутую поверхностьS. Для замкнутых поверхностей векторы нормалей, а следовательно, и векторы принято брать наружу, поэтому интеграл дает заряд, выходящий в единицу временинаружу из объема V, охваченного поверхностью S.

• 
  Слайд 19
  

  Мы знаем, что плотность постоянного электрического тока одинакова по всему поперечному сечению S однородного проводника. Поэтому для постоянного тока в однородном проводнике с поперечным сечением Sсила тока: (10.3.1)

• 
  Слайд 20
  

  Из этого следует, что плотности постоянного тока в различных поперечных сечениях 1 и 2 цепи обратно пропорциональны площадям S1 и S2 этих сечений :

• 
  Слайд 21
  

  ПустьS – замкнутая поверхность, а векторы всюду проведены по внешним нормалям Тогда поток вектора сквозь эту поверхность S равен электрическому току I, идущему вовне из области, ограниченный замкнутой поверхностью S. Следовательно, согласно закону сохранения электрического заряда, суммарный электрический заряд q, охватываемый поверхностью S, изменяется за время на , тогда в интегральной форме можно записать: . (10.3.3)

• 
  Слайд 22
  

  В интегральной форме можно записать: Это соотношение называется уравнением непрерывности. Оно является, по существу, выражением закона сохранения электрического заряда. Дифференциальная форма записи уравнения непрерывности.

• 
  Слайд 23
  

  В случае постоянного тока, распределение зарядов в пространстве должно оставаться неизменным: следовательно, (10.3.5) это уравнение непрерывности для постоянного тока (в интегральной форме).

• 
  Слайд 24
  

  Линии в случае постоянного тока нигде не начинаются и нигде не заканчиваются. Поле вектора не имеет источника. В дифференциальной форме уравнение непрерывности для постоянного тока:

• 
  Слайд 25
  

  Если ток постоянный, то избыточный заряд внутри однородного проводника всюду равен нулю. Докажем это: т.к. для постоянного тока справедливо уравнение отсюда Избыточный заряд может появиться только на поверхности проводника в местах соприкосновения с другими проводниками, а также там, где проводник имеет неоднородности.

• 
  Слайд 26

  10.4. Сторонние силы и ЭДС

  Для того, чтобы поддерживать ток достаточно длительное время, необходимо от конца проводника с меньшим потенциалом непрерывно отводить, а к другому концу – с большим потенциалом – подводить электрические заряды. Т.е. необходим круговорот зарядов.

• 
  Слайд 27
  

  Поэтому в замкнутой цепи, наряду с нормальным движением зарядов, должны быть участки, на которых движение (положительных) зарядов происходит в направлении возрастания потенциала, т.е. против сил электрического поля

• 
  Слайд 28
  

  Перемещение заряда на этих Участках возможно лишь с помощью сил неэлектрического происхождения(сторонних сил): химические процессы, диффузия носителей заряда, вихревые электрические поля. Аналогия: насос, качающий воду в водонапорную башню, действует за Счет негравитационных сил (электромотор).

• 
  Слайд 29
  

  Сторонние силы можно характеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по замкнутой цепи зарядами

• 
  Слайд 30
  

  Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (Э.Д.С.), действующей в цепи: (7.4.1)

• 
  Слайд 31
  

  Стороннюю силу, действующую на заряд, можно представить в виде: (10.4.2) – напряженность поля сторонних сил.

• 
  Слайд 32
  

  Работа сторонних сил на участке 1 – 2: Тогда Э.Д.С. (10.4.3) Для замкнутой цепи: (10.4.4)

• 
  Слайд 33
  

  Циркуляция вектора напряженности сторонних сил равна Э.Д.С., действующей в замкнутой цепи (алгебраической сумме ЭДС). При этом необходимо помнить, что поле сторонних сил не является потенциальным, и к нему нельзя применять термин разность потенциалов или напряжение.