ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.05.2024
Просмотров: 29
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
E электрического поля внутри проводника (отношение силы, действующей на заряженную частицу, к величине заряда) постоянна; из соображений симметрии вытекает, что она направлена вдоль оси стержня. Сила, с которой электрическое поле действует на электрон, равна произведению заряда электрона q на напряжённость E: fэлектр = q E. Она направлена в сторону уменьшения плотности электронов (на рисунке – слева направо), заряд электрона q отрицателен, следовательно, направленный отрезок, изображающий напряжённость E на рисунке, должен быть направлен справа налево, как должны были бы двигаться вдоль стержня частицы, несущие положительный заряд.
Инертность электронов практически равна нулю, поэтому продолжительность интервала времени, требующегося на формирование электрического поля внутри проводника в соответствии с описанной моделью очень мала: порядок значения величины приблизительно равен порядку отношения длины проводника к скорости света.
Если электрон не двигается, сила сопротивления его движению равна нулю, с увеличением скорости электрона модуль силы Fсопр также увеличивается, а её направление будет противоположно направлению скорости электрона. Можно предположить, что сила сопротивления пропорциональна скорости электрона v:
Fсопр = - k· v.
Если скорость электронов увеличивается, то сила сопротивления растёт, заставляя электроны замедляться, если же они двигаются слишком медленно, сила сопротивления уменьшается и электрическое поле заставляет электрон двигаться быстрее. В целом, сила, с которой электрическое поле действует на электрон, и сила сопротивления его движению уравновешивают друг друга, и электрон двигается по проводнику с постоянной скоростью v параллельно оси металлического стержня (на рисунке слева направо).
Расчёт электрической цепи
В ходе расчётов электрических сигналов используются основные закономерности, которым подчиняется течение электрического тока. Электрическая цепь состоит из электрических приборов, контакты которых соединяются друг с другом в узлах цепи. Сила тока, текущего от прибора к узлу и от узла к прибору измеряют амперметром, а разность потенциалов двух узлов измеряют вольтметром. Характеристиками прибора служат его сопротивление и электродвижущая сила. Сторонняя сила, действующая на электрон внутри источника ЭДС, в каждый момент времени направлена от положительного полюса источника ЭДС к отрицательному полюсу. Электродвижущая сила прибора равна отношению работы, которую совершает сторонняя сила при перемещении электрона через прибор, к модулю заряда электрона.
Закон Ома:
IAB R = ЭAB + ( φA - φB ),
где IAB — сила электрического тока, текущего через прибор, подключённый к двум узлам электрической цепи, от узла A к узлу B, φA – потенциал узла A, φB – потенциал узла B, ЭAB – электродвижущая сила прибора (ЭAB = - ЭBA, электродвижущая сила постоянного источника ЭДС ЭAB считается положительной, если электрический ток течёт через него от отрицательного полюса к положительному), R – сопротивление прибора. Произведение IAB R называется падением напряжения на приборе.
Первый закон или первое правило Кирхгофа: сумма сил токов, втекающих в узел, равна сумме сил токов, вытекающих из узла. Аналогично для электрического прибора: сумма сил токов, которые текут от узлов в электрический прибор равна сумме сил токов, которые текут из электрического прибора к узлам электрической цепи.
Пример. Электрическая цепь состоит из источника ЭДС, ключа и резистора. Когда ключ разомкнут, сила тока, текущего по электрической цепи, равна нулю, разность потенциалов узлов B, A равна электродвижущей силе E источника ЭДС. Рассмотрим случай, когда ключ замкнут. Применяя первый закон Кирхгофа, получаем, что силы токов, протекающих через резистор и источник ЭДС, одинаковы; электродвижущая сила источника ЭДС равна E, падение напряжения на источнике ЭДС равно I r, падение напряжения на резисторе равно I R, где r — внутреннее сопротивление источника ЭДС, R – сопротивление резистора, I — сила тока, текущего по электрической цепи.
Согласно закону Ома, разность потенциалов узлов B, A равна падению напряжения на резисторе:
φB - φA = I R,
с другой стороны,
φA - φB + E = Ir.
Складывая равенства, получим:
E = I R + I r = I ( R + r ),
I = E / (R + r ).
Разность потенциалов узлов B, A равна падению напряжения на резисторе:
φB - φA = I R = E R / ( R + r ),
она меньше электродвижущей силы источника ЭДС.
Электрическая цепь с ёмкостью и индуктивностью
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника ЭДС, сопротивления, ключа и проводов, соединяющих их друг с другом (рисунок Постоянный электрический ток, файл PP_Разработка Web-служб). В электрическом проводнике есть свободные электроны, которые могут перемещаться внутри проводника. Когда
ключ разомкнут, свободные электроны участвуют в хаотическом тепловом движении, в цепи нет электрического тока. В начальный момент времени наблюдатель включает ток. Сторонние силы, действующие внутри источника ЭДС, перемещают свободные электроны от положительного контакта к отрицательному (на рисунке – справа налево). Возле отрицательного контакта накапливается избыток электронов, которые отталкиваются друг от друга, и постепенно продвигаются через сопротивление по направлению к положительному контакту источника ЭДС (на рисунке слева направо). При этом они толкают в том же направлении свободные электроны, которые находятся перед ними (на рисунке – правее их). В результате свободные электроны внутри проводника образуют структуру, в которой их плотность (количество свободных электронов в единице объёма) убывает в направлении от отрицательного контакта к положительному. Каждый свободный электрон притягивают положительные заряды ядер атомов, но, поскольку плотность ядер справа и слева от электронов одинакова, то силы притяжения взаимно уравновешивают друг друга. С другой стороны, на него действуют силы отталкивания от других свободных электронов, а так как плотность свободных электронов слева больше чем плотность свободных электронов справа, то сумма сил, действующих на электрон направлена в сторону положительного контакта источника ЭДС. Таким образом внутри проводника (сопротивления) образуется направленное движение электронов. Инертность электронов практически равна нулю, поэтому продолжительность интервала времени, требующегося на формирование электрического поля внутри проводника в соответствии с описанной моделью очень мала: порядок значения величины приблизительно равен порядку отношения длины проводника к скорости света.
В построенной модели использовался ньютоновский подход к моделированию физических систем. Он позволяет решать достаточно ограниченный класс задач. В ходе исследования более сложных физических систем используется закон сохранения энергии. Напомним, что энергией называется скалярная физическая величина, характеризующая интенсивность различных форм движения и взаимодействия тел. Установлено, что эти формы могут превращаться друг в друга в строго определённых количественных отношениях. Различают энергию механическую, внутреннюю, химическую, электромагнитную и т. д. Если система подвергается внешним воздействиям, то увеличение или уменьшение её энергии равно соответственно уменьшению или увеличению энергии взаимодействующих с ней систем. Работой называется физическая величина, значение которой характеризует переход энергии от одного компонента системы к другому, от одной системы к другой, из одной формы в другую при перемещении тел под действием сил. Постоянная сила
, которая перемещает частицу (материальную точку) из точки 
в точку 
, совершает работу, равную произведению модуля силы на модуль вектора перемещения 
и на косинус угла между ними:
Снова рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника ЭДС, сопротивления, ключа и проводов, соединяющих их друг с другом (см. рисунок Постоянный электрический ток, файл PP_Разработка Web-служб). Когда ключ разомкнут, в цепи нет электрического тока. Предположим, что возле проводника (сопротивления) находится магнитная стрелка, которая показывает, что он натянут в направлении с севера на юг. В начальный момент времени наблюдатель включает ток. Масса электрона очень мала, поэтому практически мгновенно свободные электроны начинают двигаться вдоль проводника. Вокруг двигающихся электрических зарядов возникает магнитное поле, магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно проводу. Раз магнитная стрелка начала двигаться, значит она получила часть энергии магнитного поля. Но в таком случае энергия какой-то системы уменьшилась. Компонентами этой системы являются электроны, двигающиеся вдоль проводника, и магнитное поле. В свою очередь, эта система получила часть кинетической энергии двигающихся электронов. Следовательно, сила тока не изменялась скачком, а постепенно возрастала. В какой-то момент времени наблюдатель выключает ток. Электроны практически не обладают инертностью, поэтому они должны были бы мгновенно остановиться и магнитное поле исчезло бы, однако в таком случае исчезла бы энергия системы, образованной двигающимися электронами и магнитным полем. В проводнике возникает ток самоиндукции, препятствующий изменению магнитного поля, и напряжённость магнитного поля уменьшается постепенно. Проходя через сопротивление, электроны сталкиваются с атомами и отдают им свою энергию, за счёт этого сопротивление нагревается, а затем внутренняя энергия сопротивления рассеивается в окружающем пространстве.
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника ЭДС, ёмкости
(конденсатора), сопротивления 
(проводника) и выключателя (рисунок Электрическая цепь с ёмкостью, сопротивлением и выключателем):
контакты сопротивления подключены к узлам D и 
;
контакты ёмкости подключены к узлам A и F;
контакты источника ЭДС подключены к узлам B и H;
После включения электрического тока конденсатор начнёт заряжаться. Электрический ток, текущий по электрической цепи, представляет собой направленное движение носителей электрического заряда. В нашем случае носителями заряда служат электроны, они перемещаются по часовой стрелке с нижней пластины конденсатора C через узел D к положительному полюсу источника ЭДС, затем они проходят через узлы F, A, B и достигают верхней пластины конденсатора C. Дальше они двигаться не могут. Таким образом, на верхней пластине конденсатора возникает избыток электронов, а на нижней – их недостаток. Разность потенциалов узлов
и будет расти, и через достаточно долгий промежуток времени станет практически равной ЭДС источника, течение электрического тока в цепи прекратится. Если соединить проводником узлы 
и , то заряженный конденсатор начнёт разряжаться: свободные электроны с верхней пластины конденсатора двигаются через узлы , , , к нижней пластине и через некоторое время электрический сила тока в цепи станет равной нулю.
Двухпроводная линия связи
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из передатчика и приёмника, соединённых проводами. Передатчик представляет собой источник ЭДС и ключ: при замыкания ключа по цепи проходит электрический ток, когда ключ размыкается, ток прекращается. Контакты передатчика подключены к узлам
Инертность электронов практически равна нулю, поэтому продолжительность интервала времени, требующегося на формирование электрического поля внутри проводника в соответствии с описанной моделью очень мала: порядок значения величины приблизительно равен порядку отношения длины проводника к скорости света.
Если электрон не двигается, сила сопротивления его движению равна нулю, с увеличением скорости электрона модуль силы Fсопр также увеличивается, а её направление будет противоположно направлению скорости электрона. Можно предположить, что сила сопротивления пропорциональна скорости электрона v:
Fсопр = - k· v.
Если скорость электронов увеличивается, то сила сопротивления растёт, заставляя электроны замедляться, если же они двигаются слишком медленно, сила сопротивления уменьшается и электрическое поле заставляет электрон двигаться быстрее. В целом, сила, с которой электрическое поле действует на электрон, и сила сопротивления его движению уравновешивают друг друга, и электрон двигается по проводнику с постоянной скоростью v параллельно оси металлического стержня (на рисунке слева направо).
Расчёт электрической цепи
В ходе расчётов электрических сигналов используются основные закономерности, которым подчиняется течение электрического тока. Электрическая цепь состоит из электрических приборов, контакты которых соединяются друг с другом в узлах цепи. Сила тока, текущего от прибора к узлу и от узла к прибору измеряют амперметром, а разность потенциалов двух узлов измеряют вольтметром. Характеристиками прибора служат его сопротивление и электродвижущая сила. Сторонняя сила, действующая на электрон внутри источника ЭДС, в каждый момент времени направлена от положительного полюса источника ЭДС к отрицательному полюсу. Электродвижущая сила прибора равна отношению работы, которую совершает сторонняя сила при перемещении электрона через прибор, к модулю заряда электрона.
Закон Ома:
IAB R = ЭAB + ( φA - φB ),
где IAB — сила электрического тока, текущего через прибор, подключённый к двум узлам электрической цепи, от узла A к узлу B, φA – потенциал узла A, φB – потенциал узла B, ЭAB – электродвижущая сила прибора (ЭAB = - ЭBA, электродвижущая сила постоянного источника ЭДС ЭAB считается положительной, если электрический ток течёт через него от отрицательного полюса к положительному), R – сопротивление прибора. Произведение IAB R называется падением напряжения на приборе.
Первый закон или первое правило Кирхгофа: сумма сил токов, втекающих в узел, равна сумме сил токов, вытекающих из узла. Аналогично для электрического прибора: сумма сил токов, которые текут от узлов в электрический прибор равна сумме сил токов, которые текут из электрического прибора к узлам электрической цепи.
Пример. Электрическая цепь состоит из источника ЭДС, ключа и резистора. Когда ключ разомкнут, сила тока, текущего по электрической цепи, равна нулю, разность потенциалов узлов B, A равна электродвижущей силе E источника ЭДС. Рассмотрим случай, когда ключ замкнут. Применяя первый закон Кирхгофа, получаем, что силы токов, протекающих через резистор и источник ЭДС, одинаковы; электродвижущая сила источника ЭДС равна E, падение напряжения на источнике ЭДС равно I r, падение напряжения на резисторе равно I R, где r — внутреннее сопротивление источника ЭДС, R – сопротивление резистора, I — сила тока, текущего по электрической цепи.
Согласно закону Ома, разность потенциалов узлов B, A равна падению напряжения на резисторе:
φB - φA = I R,
с другой стороны,
φA - φB + E = Ir.
Складывая равенства, получим:
E = I R + I r = I ( R + r ),
I = E / (R + r ).
Разность потенциалов узлов B, A равна падению напряжения на резисторе:
φB - φA = I R = E R / ( R + r ),
она меньше электродвижущей силы источника ЭДС.
Электрическая цепь с ёмкостью и индуктивностью
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника ЭДС, сопротивления, ключа и проводов, соединяющих их друг с другом (рисунок Постоянный электрический ток, файл PP_Разработка Web-служб). В электрическом проводнике есть свободные электроны, которые могут перемещаться внутри проводника. Когда
ключ разомкнут, свободные электроны участвуют в хаотическом тепловом движении, в цепи нет электрического тока. В начальный момент времени наблюдатель включает ток. Сторонние силы, действующие внутри источника ЭДС, перемещают свободные электроны от положительного контакта к отрицательному (на рисунке – справа налево). Возле отрицательного контакта накапливается избыток электронов, которые отталкиваются друг от друга, и постепенно продвигаются через сопротивление по направлению к положительному контакту источника ЭДС (на рисунке слева направо). При этом они толкают в том же направлении свободные электроны, которые находятся перед ними (на рисунке – правее их). В результате свободные электроны внутри проводника образуют структуру, в которой их плотность (количество свободных электронов в единице объёма) убывает в направлении от отрицательного контакта к положительному. Каждый свободный электрон притягивают положительные заряды ядер атомов, но, поскольку плотность ядер справа и слева от электронов одинакова, то силы притяжения взаимно уравновешивают друг друга. С другой стороны, на него действуют силы отталкивания от других свободных электронов, а так как плотность свободных электронов слева больше чем плотность свободных электронов справа, то сумма сил, действующих на электрон направлена в сторону положительного контакта источника ЭДС. Таким образом внутри проводника (сопротивления) образуется направленное движение электронов. Инертность электронов практически равна нулю, поэтому продолжительность интервала времени, требующегося на формирование электрического поля внутри проводника в соответствии с описанной моделью очень мала: порядок значения величины приблизительно равен порядку отношения длины проводника к скорости света.В построенной модели использовался ньютоновский подход к моделированию физических систем. Он позволяет решать достаточно ограниченный класс задач. В ходе исследования более сложных физических систем используется закон сохранения энергии. Напомним, что энергией называется скалярная физическая величина, характеризующая интенсивность различных форм движения и взаимодействия тел. Установлено, что эти формы могут превращаться друг в друга в строго определённых количественных отношениях. Различают энергию механическую, внутреннюю, химическую, электромагнитную и т. д. Если система подвергается внешним воздействиям, то увеличение или уменьшение её энергии равно соответственно уменьшению или увеличению энергии взаимодействующих с ней систем. Работой называется физическая величина, значение которой характеризует переход энергии от одного компонента системы к другому, от одной системы к другой, из одной формы в другую при перемещении тел под действием сил. Постоянная сила
, которая перемещает частицу (материальную точку) из точки в точку , совершает работу, равную произведению модуля силы на модуль вектора перемещения и на косинус угла между ними: Снова рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника ЭДС, сопротивления, ключа и проводов, соединяющих их друг с другом (см. рисунок Постоянный электрический ток, файл PP_Разработка Web-служб). Когда
ключ разомкнут, в цепи нет электрического тока. Предположим, что возле проводника (сопротивления) находится магнитная стрелка, которая показывает, что он натянут в направлении с севера на юг. В начальный момент времени наблюдатель включает ток. Масса электрона очень мала, поэтому практически мгновенно свободные электроны начинают двигаться вдоль проводника. Вокруг двигающихся электрических зарядов возникает магнитное поле, магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно проводу. Раз магнитная стрелка начала двигаться, значит она получила часть энергии магнитного поля. Но в таком случае энергия какой-то системы уменьшилась. Компонентами этой системы являются электроны, двигающиеся вдоль проводника, и магнитное поле. В свою очередь, эта система получила часть кинетической энергии двигающихся электронов. Следовательно, сила тока не изменялась скачком, а постепенно возрастала. В какой-то момент времени наблюдатель выключает ток. Электроны практически не обладают инертностью, поэтому они должны были бы мгновенно остановиться и магнитное поле исчезло бы, однако в таком случае исчезла бы энергия системы, образованной двигающимися электронами и магнитным полем. В проводнике возникает ток самоиндукции, препятствующий изменению магнитного поля, и напряжённость магнитного поля уменьшается постепенно. Проходя через сопротивление, электроны сталкиваются с атомами и отдают им свою энергию, за счёт этого сопротивление нагревается, а затем внутренняя энергия сопротивления рассеивается в окружающем пространстве.
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника ЭДС, ёмкости
(конденсатора), сопротивления (проводника) и выключателя (рисунок Электрическая цепь с ёмкостью, сопротивлением и выключателем):контакты сопротивления
подключены к узлам D и ;контакты ёмкости подключены к узлам A и F;
контакты источника ЭДС подключены к узлам B и H;
После включения электрического тока конденсатор начнёт заряжаться. Электрический ток, текущий по электрической цепи, представляет собой направленное движение носителей электрического заряда. В нашем случае носителями заряда служат электроны, они перемещаются по часовой стрелке с нижней пластины конденсатора C через узел D к положительному полюсу источника ЭДС, затем они проходят через узлы F, A, B и достигают верхней пластины конденсатора C. Дальше они двигаться не могут. Таким образом, на верхней пластине конденсатора возникает избыток электронов, а на нижней – их недостаток. Разность потенциалов узлов
и будет расти, и через достаточно долгий промежуток времени станет практически равной ЭДС источника, течение электрического тока в цепи прекратится. Если соединить проводником узлы и , то заряженный конденсатор начнёт разряжаться: свободные электроны с верхней пластины конденсатора двигаются через узлы , , , к нижней пластине и через некоторое время электрический сила тока в цепи станет равной нулю.Двухпроводная линия связи
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из передатчика и приёмника, соединённых проводами. Передатчик представляет собой источник ЭДС и ключ: при замыкания ключа по цепи проходит электрический ток, когда ключ размыкается, ток прекращается. Контакты передатчика подключены к узлам