Количество зарядов прошедших за единицу времени через поперечное сочинение проводника называется

Обновлено: 27.06.2024

Железнобитонная плита размером 4 м * 0,5 м * 0,25 м погружена в воду наполовину. какова архимедова сила, действующая сила на нее? плотность воды 1000 кг/м3

Велосипед движется равномерно по окружности радиусом 100 м и делает 1 оборот за 2 мин. Путь и перемещение велосипедиста за 1 мин соответственно равны

1. Классификацию галактик Хаббла часто называют камертонной. Поясните причину такого названия. 2. Определите, какой промежуток времени требуется свету, чтобы пересечь Большое и Малое Магеллановы Облака в поперечнике

Закон Кулона — это один из основных законов электростатики. Он определяет величину и направление силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.

Под точечным зарядом понимают заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного воздействия на другие тела. В таком случае ни форма, ни размеры заряженных тел не влияют практически на взаимодействие между ними.

Закон Кулона экспериментально впервые был доказан приблизительно в 1773 г. Кавендишем, который использовал для этого сферический конденсатор. Он показал, что внутри заряженной сферы электрическое поле отсутствует. Это означало, что сила электростатического взаимодействия меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, однако результаты Кавендиша не были опубликованы.

В 1785 г. закон был установлен Ш. О. Кулоном с помощью специальных крутильных весов.

Опыты Кулона позволили установить закон, поразительно напоминающий закон всемирного тяготения.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В аналитическом виде закон Кулона имеет вид:

где $|q_1|$ и $|q_2|$ — модули зарядов; $r$ — расстояние между ними; $k$ — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Сила взаимодействия направлена по прямой, соединяющей заряды, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Сила взаимодействия между зарядами зависит также от среды между заряженными телами.

В воздухе сила взаимодействия почти не отличается от таковой в вакууме. Закон Кулона выражает взаимодействие зарядов в вакууме.

Кулон — единица электрического заряда. Кулон (Кл) — единица СИ количества электричества (электрического заряда). Она является производной единицей и определяется через единицу силы тока 1 ампер (А), которая входит в число основных единиц СИ.

За единицу электрического заряда принимают заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока $1$А за $1$с.

То есть $1$ Кл$= 1А·с$.

Заряд в $1$ Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по $1$ Кл каждый, расположенных на расстоянии $1$ км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой $1$ т. Сообщить такой заряд небольшому телу невозможно (отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не могут удержаться в теле). А вот в проводнике (который в целом электронейтрален) привести в движение такой заряд просто (ток в $1$ А вполне обычный ток, протекающий по проводам в наших квартирах).

Коэффициент $k$ в законе Кулона при его записи в СИ выражается в $Н · м^2$ / $Кл^2$. Его численное значение, определенное экспериментально по силе взаимодействия двух известных зарядов, находящихся на заданном расстоянии, составляет:

Часто его записывают в виде $k=/$, где $ε_0=8.85×10^Кл^2$/$H·м^2$ - электрическая постоянная.

Электрическая емкость конденсатора

Электроемкость

Электроемкостью проводника $С$ называют численную величину заряда, которую нужно сообщить проводнику, чтобы изменить его потенциал на единицу:

Емкость характеризует способность проводника накапливать заряд. Она зависит от формы проводника, его линейных размеров и свойств среды, окружающей проводник.

Единицей емкости в СИ является фарада ($Ф$) — емкость проводника, в котором изменение заряда на $1$ кулон меняет его потенциал на $1$ вольт.

Электрический конденсатор

Электрический конденсатор (от лат. condensare, буквально сгущать, уплотнять) — устройство, предназначенное для получения электрической емкости заданной величины, способное накапливать и отдавать (перераспределять) электрические заряды.

Конденсатор — это система из двух или нескольких равномерно заряженных проводников с равными по величине зарядами, разделенных слоем диэлектрика. Проводники называются обкладками конденсатора. Как правило, расстояние между обкладками, равное толщине диэлектрика, намного меньше размеров самих обкладок, так что поле в конденсаторе практически все сосредоточено между его обкладками. Если обкладки являются плоскими пластинами, поле между ними однородно. Электроемкость плоского конденсатора определяется по формуле:

где $q$ — заряд конденсатора, $U$ — напряжение между его обкладками, $S$ — площадь пластины, $d$ — расстояние между пластинами, $ε_$ — электрическая постоянная, $ε$ — диэлектрическая проницаемость среды.

Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из пластин.

Энергия поля конденсатора

Энергия заряженного конденсатора выражается формулами

которые выводятся с учетом выражений для связи работы и напряжения и для емкости плоского конденсатора.

Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии электрического поля (энергия поля в единице объема) напряженностью $Е$ выражается формулой:

где $ε$ — диэлектрическая проницаемость среды, $ε_0$ — электрическая постоянная.

Сила тока

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Сила электрического тока — это величина ($I$), характеризующая упорядоченное движение электрических зарядов и численно равная количеству заряда $∆q$, протекающего через определенную поверхность $S$ (поперечное сечение проводника) за единицу времени:

Итак, чтобы найти силу тока $I$, надо электрический заряд $∆q$, прошедший через поперечное сечение проводника за время $∆t$, разделить на это время.

Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника.


Рассмотрим проводник с площадью поперечного сечения $S$. Заряд каждой частицы $q_0$. В объеме проводника, ограниченном сечениями $1$ и $2$, содержится $nS∆l$ частиц, где $n$ — концентрация частиц. Их общий заряд $q=q_nS∆l$. Если частицы движутся со средней скоростью $υ$, то за время $∆t=/$ все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через поперечное сечение $2$. Сила тока, следовательно, равна:

В СИ единица силы тока является основной и носит название ампер (А) в честь французского ученого А. М. Ампера (1755-1836).

Силу тока измеряют амперметром. Принцип устройства амперметра основан на магнитном действии тока.

Оценка скорости упорядоченного движения электронов в проводнике, проведенная по формуле для медного проводника с площадью поперечного сечения $1мм^2$, дает весьма незначительную величину — $∼0.1$ мм/с.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на этом участке к его сопротивлению.

Закон Ома выражает связь между тремя величинами, характеризующими протекание электрического тока в цепи: силой тока $I$, напряжением $U$ и сопротивлением $R$.


Закон этот был установлен в 1827 г. немецким ученым Г. Омом и поэтому носит его имя. В приведенной формулировке он называется также законом Ома для участка цепи. Математически закон Ома записывается в виде следующей формулы:

Зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) проводника.

Для любого проводника (твердого, жидкого или газообразного) существует своя ВАХ. Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристика металлических проводников, заданная законом Ома $I=/$, и растворов электролитов. Знание ВАХ играет большую роль при изучении тока.

Закон Ома — это основа всей электротехники. Из закона Ома $I=/$ следует:

  1. сила тока на участке цепи с постоянным сопротивлением пропорциональна напряжению на концах участка;
  2. сила тока на участке цепи с неизменным напряжением обратно пропорциональна сопротивлению.

Эти зависимости легко проверить экспериментально. Полученные с использованием схемы, графики зависимости силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении и силы тока от сопротивления представлены на рисунке. В первом случае использован источник тока с регулируемым выходным напряжением и постоянное сопротивление $R$, во втором — аккумулятор и переменное сопротивление (магазин сопротивлений).


Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление — это физическая величина, характеризующая противодействие проводника или электрической цепи электрическому току.

Электрическое сопротивление определяется как коэффициент пропорциональности $R$ между напряжением $U$ и силой постоянного тока $I$ в законе Ома для участка цепи.

Единица сопротивления называется омом (Ом) в честь немецкого ученого Г. Ома, который ввел это понятие в физику. Один ом ($1$ Ом) — это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении $1$ В сила тока равна $1$ А.

Удельное сопротивление

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от материла проводника, его длины $l$ и поперечного сечения $S$ и может быть определено по формуле:

где $ρ$ — удельное сопротивление вещества, из которого изготовлен проводник.

Удельное сопротивление вещества — это физическая величина, показывающая, каким сопротивлением обладает изготовленный из этого вещества проводник единичной длины и единичной площади поперечного сечения.

Из формулы $R=ρ/$ следует, что

Величина, обратная $ρ$, называется удельной проводимостью $σ$:

Так как в СИ единицей сопротивления является $1$ Ом, единицей площади $1м^2$, а единицей длины $1$ м, то единицей удельного сопротивления в СИ будет $1$ Ом$·м^2$/м, или $1$ Ом$·$м. Единица удельной проводимости в СИ — $Ом^м^$.

На практике площадь сечения тонких проводов часто выражают в квадратных миллиметрах (м$м^2$). В этом случае более удобной единицей удельного сопротивления является Ом$·$м$м^2$/м. Так как $1 мм^2 = 0.000001 м^2$, то $1$ Ом$·$м $м^2$/м$ = 10^$ Ом$·$м. Металлы обладают очень малым удельным сопротивлением — порядка ($1 ·10^$) Ом$·$м$м^2$/м, диэлектрики — в $10^-10^$ раз большим.

Зависимость сопротивления от температуры

С повышением температуры сопротивление металлов возрастает. Однако существуют сплавы, сопротивление которых почти не меняется при повышении температуры (например, константан, манганин и др.). Сопротивление же электролитов с повышением температуры уменьшается.

Температурным коэффициентом сопротивления проводника называется отношение величины изменения сопротивления проводника при нагревании на $1°$С к величине его сопротивления при $0°$С:

Зависимость удельного сопротивления проводников от температуры выражается формулой:

В общем случае $α$ зависит от температуры, но если интервал температур невелик, то температурный коэффициент можно считать постоянным. Для чистых металлов $α=(/)K^$. Для растворов электролитов $α


Список вопросов теста

Вопрос 1

Как называют устройство, которое преобразует какую-либо энергию в электрическую?

Вопрос 2

Основную часть электрической энергии люди получают преобразованием механической энергии при помощи специальных электромеханических машин. Как называются эти машины?

Вопрос 3

Приведите примеры проводников.

  • металлы
  • растворы солей
  • растворы кислот
  • питьевая вода
  • стекло
  • резина
  • пластмасса
Вопрос 4

Приведите примеры изоляторов.

  • стекло
  • резина
  • пластмасса
  • металл
  • вода
  • растворы солей и кислот
Вопрос 5

Упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля - это .

  • электрический ток
  • электрический заряд
  • заряженное тело
  • электрическая энергия
Вопрос 6

Количество зарядов, прошедших за единицу времени через поперечное сечение проводника, называется .

  • силой тока
  • сопротивлением
  • напряжением
Вопрос 7

Укажите единицу измерения силы тока.

Вопрос 8

Электрический ток, направление и значение которого не меняются со временем, называют

  • постоянным
  • переменным
  • непредвиденным
Вопрос 9

Электрический ток, направление и значение которого способны периодически изменяться, называют

  • постоянным
  • переменным
  • непредвиденным
Вопрос 10

Устройство, которое преобразует электрическую энергию в другие виды энергии - свет, тепло, механическую и химическую энергию, - называют .

Все мы воспринимаем силу тока ( I, A ) как количество электрического заряда ( q, Кл ), прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени ( Т, с ):

I = q/Т, Кл/с или А (Ампер).

Причём, в соответствии с первым правилом Кирхгофа, сила тока в неразветвлённой цепи должна быть одинаковой на всех её участках. Значит, электрические заряды в этой цепи должны быть равномерно распределены по всей длине проводника.

Это значит, что через любое поперечное сечение проводника на неразветвлённом участке цепи должно проходить в единицу времени одинаковое количество электрических зарядов. Исходя из этого, можно предположить два варианта движения электрических зарядов в проводнике:

Первый вариант – сила тока зависит от количества свободных зарядов, принимающих участие в движении. Следовательно, при малом токе участие в движении должны принимать не все имеющиеся в проводнике свободные заряды. Тогда возникает вопрос, почему одни заряды принимают участие в движении, а другие нет? Чем первые отличаются от вторых?

Второй вариант – в движении участвуют все имеющиеся в проводнике свободные заряды, а сила тока прямопропорциональна скорости их движения (больше скорость – больше и сила тока). Однако, нам известно, что реальный дрейф электрических зарядов в проводнике не превышает нескольких сантиметров в секунду.

Однако, имеется ещё один весьма неудобный вопрос: какой путь преодолевает электрический заряд, проходя через поперечное сечение проводника, если сила тока минимальна или, наоборот, максимальна?

Для переноса электричества, дескать, непременно требуется движение частиц с ненулевым зарядом, то есть, перенос электричества без переноса вещества – не бывает!

Простые и понятные ответы на эти вопросы можно получить, если надуманный процесс линейного движения зарядов заменить обычным колебательным процессом. Тогда сила тока будет равна произведению количества электрического заряда на частоту его колебаний или (что совершенно одинаково) – отношению количества электрического заряда на период его колебаний.

Вывод : Силой тока мы называем произведение электрического заряда на частоту его колебаний.

Разобраться в этом нам поможет энергия электрического поля ( W, Дж ). Если эту энергию отнести к единице электрического заряда ( 1 Кл ), то получим электрический потенциал ( U, В ), который мы обычно называем напряжением:

U = W/q, Дж/Кл или В (Вольт).

Электрический потенциал – величина скалярная, но его градиент является векторной величиной и называется напряженностью электрического поля:

E = – grad U, Дж/(Кл*м) или В/м .

Направление вектора напряжённости электрического поля, как раз, и указывает нам направление электрического тока, точнее – направление диполей (точнее – дипольного момента) в проводнике.

Справка : Диполь (от ди. и греч. pólos – полюс) электрический, совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Основной характеристикой электрического диполя является его дипольный момент – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному и численно равный произведению заряда е на расстояние l между зарядами: р = el . Дипольный момент определяет электрическое поле диполя и воздействие на диполь внешнего электрического поля.

В результате получаем периодические колебания диполей. Эти колебания передаются дальше по проводнику. Интенсивность растяжения диполей (равносильно электрическому заряду) определяется величиной напряжённости электрического поля, а надёжность захвата – электрическим сопротивлением (по аналогии – длиной волны).

Вывод : Частота колебаний диполей прямопропорциональна напряжённости электрического поля и обратнопропорциональна электрическому сопротивлению токопроводящей среды (практически – Закон Ома). То есть, сила тока – мера изменения электрического заряда во времени (градиент электрического заряда во времени) .

Следовательно, в проводнике под воздействием внешнего электрического поля идёт периодический процесс накопления диполями потенциальной энергии, которая затем переходит в кинетическую энергию. Далее процесс повторяется, но электрическое сопротивление проводника приводит к уменьшению энергии внешнего поля (появлению теплоты в проводнике). Процесс изменения энергии мы называем работой. Значит, при прохождении электрического тока в проводнике, внешнее поле совершает работу, в результате которой проводник нагревается.

Однако дрейф электрических зарядов всё же существует и зависит он от прошедшего в проводнике тока. Это подтверждает процесс электролиза, при котором Фарадеем в 1833–34 годах установлена связь между количеством электричества, прошедшего через электролит, и количеством вещества, выделившегося на электродах.

Причиной этого дрейфа является всё та же объёмная плотность потенциальной энергии поля или просто ДАВЛЕНИЕ (точнее – разность давлений). Ведь мы знаем, что из области повышенного давления в область пониженного давления устремлено всё сущее, в том числе и частицы вещества. Наряду с этим, разность давлений объясняет также и броуновское движение , эффекты Казимира и Ущеренко, прецессию орбиты Меркурия и даже Природу гравитации .

Читайте также: