 |
|
Справочный материал к тестированию по теме
Электрическим током называют поток свободных заряженных частиц, возникающих в веществе под действием внешнего поля (внешней разности потенциалов). Вещества, в которых может протекать электрический ток при нормальных условиях, называют проводниками.
Основной характеристикой тока является сила тока. Она является скалярной величиной и соответствует количеству заряда, переносимого через некоторую поверхность за единицу времени под действием внешнего поля (при наличии внешней разности потенциалов). За направление тока исторически принято направление движения положительно заряженных частиц. Сила тока, а, следовательно, и ток являются постоянными, если за единицу времени через одно и то же поперечное сечение протекает одинаковое количество заряда. Дивергенция от плотности постоянного тока всегда равна нулю. Это означает что поток заряда, протекающего через поперечную поверхность за единицу времени, не меняется, и линии постоянного тока являются замкнутыми.
Кроме тока поток заряженных частиц характеризуется плотностью тока. Она является векторной величиной и совпадает по направлению со скоростью заряженных частиц. Плотность тока представляет собой свободный заряд, протекающий через единицу поверхности в единицу времени. Скорость, которую приобретают свободные заряды под действием внешней разности потенциалов, называют дрейфовой.
У металлов как проводников первого рода имеется только один тип проводимости – электронный, у электролитов как проводников второго рода два типа: электронный и ионный.
Для того чтобы в цепи не исчезал электрический ток, необходимо на ее концах поддерживать постоянную разность потенциалов. Для этого применяют специальные устройства – генераторы, которые разделяют электрические заряды, действуя против сил электростатического поля. Силы, действующие в генераторе, следовательно, не могут иметь электростатическую природу. Поэтому называются сторонними. Они могут являться электромагнитными, механическими, химическими и т.д. Работу сторонних сил над точечным единичным зарядом называют электродвижущей силой (ЭДС). Полная работа есть сумма работы сторонних и электростатических сил. Полную работу, совершаемую над единичным зарядом на некотором участке, называют падением напряжения.
Участок (электрическую цепь), на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным, а на котором не действуют – однородным.
Всякий проводящий материал обладает определенным сопротивлением. Сопротивление зависит только от геометрии этого материала и его природы и температуры. С ростом температуры сопротивление проводника растет, а полупроводника – падает. У металлов сопротивление падает с ростом поперечного сечения и при уменьшении длины проводника.
Элемент, характеризующийся определенным сопротивлением, называют резистором. С помощью различного соединения резисторов можно изменять сопротивление участка или электрической цепи в целом. Так, параллельное соединение (шунтирование) уменьшает сопротивление участка, а последовательное – увеличивает.
У большой группы металлов и сплавов сопротивление при некоторой критической температуре, отличной от нуля, может обращаться в нуль. Это явление было открыто Камерлинг-Оннесом для ртути и получило название сверхпроводимости. Сверхпроводимость существует также и цинка, олова, алюминия, свинца и т.д. Состояние сверхпроводимости может быть разрушено действием на проводник магнитного поля.
Электрические цепи бывают разветвленными и неразветвленными. Вторые состоят лишь из одного электрического контура, а первые из двух и более. При описании неразветвленных цепей применяются законы Ома для однородных и неоднородных участков, а при описании разветвленных цепей, помимо законов Ома используют и правила Кирхгофа для узлов и контуров.
Постоянный ток, протекающий по проводнику, может оказывать следующие воздействия на окружающую среду:
Тепловое,
Магнитное,
химическое.
Основные соотношения:
Определение силы тока: 
Определение плотности тока: 
,
где 
- поперечное сечение проводника.
Связь между плотностью тока и дрейфовой скоростью: 
,
где 
- соответственно заряд, концентрация и дрейфовая скорость носителей (в случае «+» - положительных, а в случае «-» - отрицательных)
Уравнение непрерывности: 
Дивергенция плотности постоянного тока: 
Определение электродвижущей силы (ЭДС): 
,
где 
- работа сторонних не электростатических сил.
Полная работа в неоднородной электрической цепи: 
Работа электростатических сил: 
Определение для падения напряжения: 
Падение напряжения на неоднородном участке цепи: 
Закон Ома для однородного участка цепи: 
Закон Ома для неоднородного участка цепи: 
,
где 
- внутреннее сопротивление источника (генератора)
Закон Ома для однородного участка цепи
в дифференциальной форме: 
,
где 
- электропроводность, а 
- удельное сопротивление.
Зависимость сопротивления проводника
от геометрии и природы: 
,
где 
- длина проводника, а 
- его поперечное сечение.
Соединение резисторов (проводников):
последовательное: 
параллельное: 
,
где 
- число резисторов в соединении.
Правила Кирхгофа:
для узлов: 
,
где 
- токи входящие и выходящие из узла. Положительные токи входят, а отрицательные - выходят. 
- число проводников с токами в узле;
для контуров: 
,
где 
- падения напряжения на участках контура, а 
- ЭДС, действующие в контуре ( 
- их количество).
Мощность тока: 
Определение удельной мощности тока: 
Связь удельной мощности с плотностью тока: 
,
где 
- напряженности электростатического поля и сторонних сил соответственно.
Закон Джоуля – Ленца в интегральной форме: 
Определение удельной тепловой мощности тока: 
Связь удельной тепловой мощности с плотностью тока: 
Варианты тестов промежуточного контроля по теме
ТЕСТ№1
1. Уравнение непрерывности имеет вид _________.
2. За направление электрического тока принято направление движения ________ зарядов.
3. Сопротивление проводника _____________с ростом температуры.
4. Закон Ома для неоднородного участка соответствует соотношению _______.
5. В случае шунтирования сопротивление участка ____________.
6. Цепь, состоящая из нескольких и более контуров, называется ___________.
7. Электрический ток возникает только под влиянием _____________.
8. Мощность электрического тока определяется по формуле ____________.
9. Удельная тепловая мощность, выделяемая проводником с током, вследствие его теплового действия __________.
10. Имеет ли ЭДС электростатическую природу?
ТЕСТ№2
1. Плотность тока определяется соотношением ___________.
2. Дивергенция от плотности постоянного тока равна _______.
3. Устройство, разделяющее электрические заряды за счет сторонних (не электростатических) сил называется __________.
4. Полная работа над единичным зарядом в электрической цепи есть сумма ___________.
5. Явление резкого падения сопротивления материала до нуля при некоторой критической температуре называют __________.
6. Алгебраическая сумма всех входящих в него токов и выходящих равна _________.
7. Электрический ток под действием внешней разности потенциалов может возникать тогда, когда в веществе имеются _________.
8. Цепь или участок, на котором действует ЭДС, называют __________.
9. Доля того, чтобы увеличить сопротивление участка, необходимо ______ подключит резистор с нужным сопротивлением.
10. Какие действия оказывает постоянный ток на окружающую среду?
ТЕСТ№3
1. Связь между плотностью тока и дрейфовой скоростью имеет вид ______.
2. Закон Ома для однородного участка цепи описывается соотношением _______.
3. Сопротивление проводников зависит только от их природы и геометрии и определяется по формуле ______.
4. Цепь, состоящая из одного контура, называется _______.
5. Как можно разрушить состояние сверхпроводимости?
6. При параллельном соединении сопротивление цепи _________.
7. Утверждение о том, что в контуре сумма всех ЭДС равна сумме всех падений напряжение, называется ________.
8. С ростом температуры сопротивление полупроводника ________.
9. Закон Джоуля Ленца имеет вид ________.
10. Правило узлов можно записать в следующей математической форме _______.
ТЕСТ№4
1. Сила тока в общем случае определяется следующим соотношением _________.
2. Цепь или участок цепи, на котором не действует ЭДС, называется _______.
3. Зависимость сопротивления от площади поперечного сечения является _______.
4. Правило контуров можно записать в следующей математической форме ______.
5. Сопротивление резисторов при параллельном соединении можно рассчитать по формуле _______.
6. Падение напряжения на неоднородном участке цепи имеет вид _______.
7. Закон Ома в дифференциальной форме для участка цепи определяется соотношением _______.
8. Цепь называется разветвленной, если она состоит из _______.
9. Удельная мощность постоянного электрического тока определяется по формуле __________.
10. Каким образом магнитное поле влияет на состояние сверхпроводимости?