Физика (лучшее)

Заряд тела не зависит от выбора системы отсчёта, т.е. не зависит от то­го, движется или покоится тело, на котором он находится. В системе еди­ниц СИ заряд измеряется в кулонах (Кл). 1 Кулон равен заряду, протекающе­му через поперечное сечение проводника за 1 с при силе постоянного тока в 1А.

2.    Возникновение зарядов на телах обусловлено следующим. Все тела построены из атомов. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра обусловлен протонами. Заряды протона и электрона равны по абсолютной величине, но противо­положим по знаку. Число протонов и электронов в атоме одинаково. По­этому атом в целом нейтрален, т.е. алгебраическая сумма зарядов атома(сумма зарядов с учетом знаков) равна нулю, а следовательно, и тело ней­трально. Чтобы зарядить тела, т.е. наэлектризовать их, надо отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного заряда. Это осуществляется различными способами: трением тел друг о друга, элек­тростатической индукцией и т.д. Тело, на котором оказыва­ется избыток электронов по сравнению с протонами, заряжается отрица­тельно, если наоборот — положительно Например, при электризации трением небольшая часть электронов с одного тела переходит на другое. Если теперь раздвинуть тела, то они окажутся заряженными — одно положительно, другое  - отрицательно

3.     Из обобщения опытных данных установлен закон сохранения электрического заряда: в любой замкнутой электрической системе алгебраическая сумма электрических зарядов является постоянной величиной при любых процессах, происходящих в ней.

Замкнутой называется электрическая система, из которой не выходят и в которую не входят заряды. Так, при электризации тел трением заряды, возникающие на телах, равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Поэтому их алгебраическая сумма также равна нулю, как и в случае не заряженных тел.

4.     В общем случае сила взаимодействия между заряженными телами зависит от Размеров и формы Тел, а также от свойств среды, н которой на­ходятся тела. Наиболее просто сила взаимодействия находится для так на­зываемых точечных зарядов. Точечным зарядом называется заряженное тело, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстояни­ем до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует. Законы взаимодействия точечных зарядов был открыт Кулоном и формулируется следующим образом: модуль Fv силы взаимодействия между двумя не­подвижными точечными зарядами q и q0, находящимися в вакууме, пропорционален произведению этих зарядов, обратно пропорционален квадрату расстояния r между ними, т.е.

где  — электрическая постоянная. Эта сила направлена вдоль прямой линии, соединяющей заряды. Электрическая постоянная равна  или , где фарад (Ф) – единица электроёмкости.

Билет № 13

1. Уединённые проводники обладают крайне малой электроёмкостью. Например, ёмкость Земли всего лишь примерно 0,7 мФ. Однако во многих электронных приборах используются устройства, называемые конденсато­рами, в которых накапливаются достаточно большие заряды. Конденсато­ры представляют собой два проводника, близко расположенных друг к другу и разделённых слоем диэлектрика. Если этим проводникам (обкладкам) сообщить одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды, то электрическое поле, возникающее между ними, будет практически полностью сосредоточено внутри конденсатора. Поэтому электроёмкость конденсатора мало зависит от расположения окружающих его тел.

Если сообщать конденсатору различные заряды, то и разность потен­циалов между его обкладками будет различной. (Под зарядом конденсато­ра понимается заряд на одной из его обкладок по абсолютной величине). Однако отношение заряда q, находящегося на конденсаторе, к разности потенциалов, возникающую между его обкладками, остаётся по­стоянным независимо от величины заряда. Поэтому это отношение при­нимают за характеристику способности конденсатора накапливать на себе заряды. Её по аналогии с проводником называют электроёмкостью (или ёмкостью) конденсатора и обозначают той же буквой С. Итак,

т.е. емкостью конденсатора называется физическая величина равная от­ношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его об­кладками.

Емкость конденсатора не зависит от величины заряда и разности по­тенциалов между его обкладками и определяется только размерами и фор­мой обкладок конденсатора, а также диэлектрическими свойствами веще­ства, заполняющего его. Емкость конденсатора, как и ём­кость проводника, измеряется в фарадах (Ф):     1 Ф — это ёмкость такого конденсатора, при сообщении которому заряда в 1 Кл , разность потенциалов между его обклад­ками изменяется на 1 В.

2.Емкость плоского конденсатора. Рассмотрим пло­ский конденсатор, заполненный однородным изотропным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью e, у ко­торого площадь каждой обкладки S и расстояние между ними d. Емкость такого конденсатора находится по формуле:

Из этого следует, что для изготовления конденсаторов большой ёмкости надо увеличить площадь обкладок и уменьшать расстояние между ними.

Энергия W заряженного конденсатор:  или

Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования её при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного токов, в выпрямителях, колебательных контурах и других радио-электронных устройствах. В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.

Билет № 14

1.   Работой электрического тока называется работа, которую совер­шают силы электрического поля, созданного в электрической цепи, по перемещении заряда по этой цепи. Пусть к концам проводника приложена разность потенциалов (напряжение)  Тогда работа А, совершаемая электростатическим полем по переносу заряда q за некоторое время 4 равна . Величину протекшего заряда можно найти, используя силу тока I: q = It  С учётом этого по­лучаем

Применяя закон Ома для однородного участка цепи U = IR, где R — со­противление проводника, выражение запишем в виде

2.   По определению мощность Р электрического тока равна Р = A/t. Получаем

P=IU.

В системе единиц СИ работа и мощность электрического тока измеряются соответственно в джоулях и ваттах. Однако на практике используется вне­системная единица работы — 1 кВт*ч, т.е. работа тока мощностью 1 кВт за время 1 ч

().

3.   Опытным путём джоуль и, независимо от него, Ленц установили, что при протекании электрического тока по проводнику он нагревается, в результате чего увеличивается его внутренняя энергия. Количество тепло­ты Q, выделяемое в проводнике пропорционально квадрату силы тока, со­противлению проводника R и времени протекания t, т.е.

Соотношение называют законом Джоуля  - Ленца.

2. ЭДС. Возьмём два проводника, заряженные разноимёнными зарядами, и со­единим их другим проводником. Тогда в этом проводнике за счёт разности потенциалов на его концах возникает электрическое поле, под действием которого свободные заряды (носители тока) приходят в упорядоченное движе­ние от положительного потенциала к от­рицательному (имеется в виду движение положительных зарядов, поскольку за направление тока принимается движе­ние именно этих зарядов), т.е. возникает электрический ток. Однако этот ток очень быстро прекращается вследствие того, что протекание тока приводит к выравниванию потенциалов на кон­цах проводника и к исчезновению внутри него электрического поля.

Для непрерывного протекания тока по проводнику необходимо к его концам подключить устройство, которое бы отводило положительные за­ряды с конца, обладающего отрицательным потенциалом, к концу — с по­ложительным, производя разделение зарядов и поддерживая разность по­тенциалов. Такие устройства называются источниками тока. Указанное движение зарядов внутри источника тока (движение от точки 1 к точке 2) возможно лишь в том случае, если на них со стороны источника тока действуют силы не электростатического происхождения, направлен­ные против сил электростатического поля, Их называют сторонними си­лами. Природа сторонних сил может быть различной. Так, в аккумулято­рах они возникают вследствие химических реакций между электродами и электролитом.

Действие сторонник сил характеризуют физической величиной, назы­ваемой электродвижущей силой (э.д.с.). Она равна работе, которую со­вершают сторонние силы по перемещению единичного заряда внутри ис­точника тока, т.е. в области, где действуют сторонние силы. Если при пе­ремещении заряда q сторонние силы совершили работу Аст, то по определению э.д.с.  равна  Из этой формулы следует, что э.д.с., как и разность потенциалов, измеря­ется в вольтах Если цепь, в которой протекает ток, замкнутая, то работа сторонних сил по всей цепи равна ра­боте этих сил внутри источника, поскольку вне источника сторонние силы не действуют. Таким образом, электродвижущая сила равна работе, ко­торую совершают сторонние силы по перемещению единичного заряда по замкнутой цепи.

3. Закон Ома для полной цепи.

Выведем закон Ома для такой цепи. При протекании электрического тока по цепи происходит нагревание резистора и источника тока. Нагревая источника тока свидетельствует о том, что он обладает некоторым внут­ренним сопротивлением. Обозначим его через т. Очевидно, что нагревание источника тока и рези­стора R происходит за счёт работы сторонних сил. Согласно закону сохранения энергий, эта рабо­та будет равняться количеству теплоты, выделяе­мой в источнике и в резисторе, т.е.

где   и — количество теплоты, выделяемой в резисторе и на внутреннем сопротивлении источ­ника тока. Но . Здесь I - сила тока, текущего в цепи, t — время протекания тока.  С учётом этого получаем. Разделив по­следнее равенство на It и учитывая, что q = It, находим

Это соотношение называют законом Ома для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи пропорциональна электродвижущей силе ис­точника и обратно пропорциональна общему сопротивлению цепи.

Билет № 15

1. Выяс­ним, какие изменения происходят в окружающем заряды пространстве, если они приходят в равномерное движение?

Присоединим два гибких металлических проводника, укреплённых параллельно, к источнику тока. На проводни­ках появляются равномерно распределённые заряды противоположных знаков, которые создают вокруг себя электростатическое поле. В результа­те этого возникает сила электростатиче­ского притяжения. Если замкнуть ключ, то по проводникам потечёт постоян­ный ток. При этом, несмотря на силы электростатического притяжения, про­водники отталкиваются. Это свидетельствует о том, что между ними возникли силы неэлектростатического происхождения. Их появление можно объяснить, если предположить, что во­круг проводника с током, т.е. вокруг упорядоченно движущихся электриче­ских зарядов, образуется поле, отли­чающееся от электростатического поля. Его назвали магнитным. Тогда взаимо­действие токов объясняется следующим образом. Магнитное поле, создаваемой током, текущим по одному проводнику, действует на ток, проходящий по другому, и наоборот.

Итак, приходим к выводу: вокруг равномерно движущихся электриче­ских зарядов возникает магнитное поле, которое обнаруживается по действию на другие движущиеся в этом поле заряды. Необходимо отме­тить, что электрическое поле действует как на неподвижные, так и на дви­жущиеся заряды, а магнитное только на движущиеся.

2.   Индукция магнитного поля. Магнитное поле характеризуют физи­ческой величиной, называемой индукцией магнитного поля, являющуюся вектором. Обозначим её через В.

Подобно тому, как для изучения электрического поля используются пробные электрические заряды, при исследовании магнитного поля применяются пробные контуры. Пробными называют замкнутые контуры, по которым течёт постоянный ток, внесение которых не искажа­ет исследуемого поля. Пробный контур характеризуют магнитным мо­ментом Рм, который является вектором. Его модуль равен

где I -  сила тока в контуре, S -  площадь контура. Вектор Рм направлен перпендикулярно к плоскости контура и связан с направлением тока пра­вилом правого винта: при вращении винта в направлении тока, его посту­пательное движение показывает направление магнитного момента контура. Из формулы следует, что магнитный момент измеряется в ампер*метр2 (Ам2).

При внесении пробного контура в магнитное поле он устанавливает так, что его магнитный момент совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в данной точке поля. Если контур вывести из положения равновесия, то на него будет действовать момент сил, стремящийся вернуть его в положение равновеся. Этот мо­мент сил будет наибольшим (максимальным), ко­гда магнитный момент контура перпендикулярен к вектору В. Пусть в одну и ту же точку магнит­ного поля вносятся различные пробные контуры. Тогда на них будут дей­ствовать и различные максимальные моменты сил. Однако отношение максимального момента Мmax к магнитному моменту контура Рм остаётся постоянным независимо от модуля магнитного момента. Поэтому его при­нимают за характеристику поля в данной точке. Это и есть индукция маг­нитного поля, которую обозначают через В, т.е. Таким образом, модуль индукции магнитного поля в некоторой точке равен отношению максимального момента сил, действующего на пробный контур, помещённый в эту точку, к его магнитному моменту, и направле­ние индукции магнитного поля совпадает с направлением магнитного мо­мента свободно ориентирующегося контура.

В системе единиц СИ индукция магнитного поля измеряется в теслах (Тл).  Тл - это индукция в такой точке магнитно­го поля, при внесении в которую пробного контура с магнитным момен­том 1 А*м2 на него действует максимальный момент сил, равный 1 Н*м.

Подсчитаем размерность тесла.

3.   Линии магнитной индукции. Для наглядного изображения маг­нитного поля пользуются линиями магнитной индукции. Линией магнит­ной индукции называют такую линию, в каждой точке которой индукция магнитного поля (вектор В) направлен но касательной к кривой. Направ­ление этих линий совпадает с направлением поля. Условились линии маг­нитной индукции проводить так, чтобы число этих линий, отнесённых к единице площади площадки, перпендикулярной к ним, равнялось бы мо­дулю индукции в данной области поля. Тогда по густоте линий судят о магнитном поле. Там, где они гуще, модуль индукции магнитного поля больше. Так же, как и линии напряжённости электрического поля, они не

пересекаются. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и ох­ватывают проводник с током в отличие от линий напряжённости электростатического поля, кото­рые разомкнуты (начинаются и заканчиваются на зарядах). На­правление этих линий находится по правилу правого винта: если  поступательное движение винта совпадает с направлением тока, то его вращение происходит в направлении линий магнитной индукции. В качестве примера приведём картину линий магнит­ной индукции прямого тока, текущего перпендикулярно к плоскости чертежа от нас за чертёж

4.    Закон Ампера. Как известно, на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила. Ампер установил, что модуль F силы на­ходится по формуле

где I — сила тока, проходящего по проводнику, В — модуль индукции магнитного поля в месте расположе­ния участка проводника длиною l, a -  угол между направлением тока и вектором В. Направление этой силы, получившей название силы Ампера, определяется по правилу левой руки: если руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока, то отогнутый на 90° большой палец да­ёт направление силы. Сила Ампера перпендикулярна к плоскости, прове­дённой через 1 и В

5.    Сила Лоренца. Поскольку ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов, то естественно предположить, что сила Ампера является равнодействующей сил, действующих на отдельные за­ряды, движущиеся в проводнике. Опытным путём установлено, что на за­ряд, движущийся в магнитном поле, действительно действует сила. Эту силу называют силой Лоренца. Модуль FL силы находится по формуле

где В — модуль индукции магнитного поля, в котором движется заряд, q и v — абсолютная величина заряда и его скорость, a - угол между векторами v и В. Эта сила перпендикулярна к векторам v и В, её направление находится по правилу левой руки: если руку расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца совпадали с направлением движения положительного заряда, линии индукции магнитного поля входили в ладонь, то отставленный на 900 большой палец показывает направление силы. В случае отрицательной частицы направление силы противоположное.

Билет № 16

Полупроводниками называют группу веществ, электропроводность которых занимает промежуточное положение между металлами и диэлек­триками. Полупроводники обладают рядом свойств, отличающими их како т металлов, так и диэлектриков. Если с повышением температуры сопро­тивление металлических проводников увеличивается, то у полупроводни­ков уменьшается. Уменьшается сопротивление полупроводников и при их освещении. На базе полупроводников созданы разнообразные полупро­водниковые приборы, используемые в радиоэлектронике, автоматике и вычислительной технике.

1.    Собственная проводимость полупроводников. Полупроводника­ми являются химические элементы четвёртой группы таблицы Менделеева и некоторые другие соединения. Типичными представителями полупро­водников являются кристаллы кремния и германия, в которых атомы объ­единены ковалентной связью Вследствие теплового движе­ния атомы сталкиваются между собой. Это может привести к разрыву не­которых химических связей, в результате чего возникает свободный элек­трон, который будет хаотически двигаться по кристаллу. Уда­ление электрона приводит к нарушению химической свя­зи, поскольку она осуществ­ляется лишь одним валент­ным электроном. Эту непол­ноценную связь называют дыркой. Дырка обладает по­ложительным зарядом, рав­ным заряду электрона по аб­солютной величине, так как в месте, покинутом электроном, будет недостаток элек­трона. На место дырки может попасть электрон от соседней химической связи. Это приводит к из­менению положения дырки. Поэтому дырка будет хаотически переме­щаться по кристаллу. Таким образом, в полупроводнике при любой темпе­ратуре имеется определённая концентрация свободных электронов и ды­рок, которыми и обусловливается собственная электропроводность полупроводников. С повышением температуры полупроводника возрастает концентрация указанных частиц. Это приводит к тому, что с повышением температуры увеличивается проводимость, а сопротивление полупровод­ника уменьшается.

2 Примесная проводимость полупроводников. Чистые полупровод­ники не представляют практического интереса. Для электроники весьма полезными оказались так называемые легированные полупроводники, т.е. полупроводники, в которые вве­дены примеси. Они подраз­деляются на полупроводни­ки n- и р-типа.

а)    Полупроводники n-типа. Если в кристалличе­скую решётку четырехва­лентного полупроводника, например кремния, внедрить пятивалентный атом, на­пример фосфор, то для образования ковалентных связей с соседями ему надо четыре электрона. Пятый же электрон вследствие теплового движе­ния может оторваться от атома. в результате этого атомы примеси пре­вращаются в положительные ионы.  И появляются свободные электроны, обусловливающие проводи­мость полулроводника. Такие примеси назы­ваются донорными, а сам полупроводник называют полупроводник n-типа (от слова negative — отри­цательный).

        б) Полупроводники р-типа. Если внедрить в кри­сталлическую решетку че­тырёхвалентного полупроводника­ (кремния) трёхвалентный атом (бор), то для образования ковалентной связи с соседями ему надо четыре электрона, а у него их только три. Поэтому одна связь оказывается не укомплектованной. Атом бора за­хватывает один электрон от соседнего атома кремния, так как это энергетически выгодно. В результате этого атомы примеси превращаются в отрицательные ноны, а в полупроводнике возникают дырки, обусловливающие его электропроводность. Проводимость этого типа называется дырочной, примесь — акцепторной, а полупроводник  - р-типа (от слова positive — положительный).

З.   Полупроводниковый диод. На основе примесных полупроводни­ков созданы устройства, являющиеся важными компонентами современ­ных электронных приборов — диоды, транзисторы и т.д. Их важным пре­имуществом являются высокая надёжность, большой срок службы и миниатюрность. В настоящее время на 1 см2  удаётся разместить тысячи таких элементов, в связи с чем и, появились, например, персо­нальные ЭВМ, размещающиеся на столе и обладающие огромными вычисли­тельными возможностями. Рассмотрим принцип работы диода. При соединении полупроводников n- и р-типа по­лучается диод с так называемым р-n - переходом. В результате такого со­единения небольшое количество электронов около контакта перейдёт из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, где произойдёт их рекомбинация с дырками. Вследствие этого полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа -  отрицательно. Возникает некоторая разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему переходу электронов. Если к диоду подключить источник тока, чтобы минус был соединён с по­лупроводником n-типа, а плюс - с полупроводником р-типа, то под действием внешнего электрического поля электроны и дырки прохо­дят границу раздела полупроводников и рекомбинируют. В то же время источник тока поставляет всё новые электроны и дырки. Поэтому через диод протекает достаточно сильный ток. Если изменить полярность на диоде, то под действием поля электроны и дырки отходят от границы раз­дела полупроводников и ток через диод не течёт.  Таким образом, диод обладает односторонней проводимостью. Это используется для выпрямления тока, т.е. для преобразования переменного тока в постоянный по направлению ток. Для того чтобы получить ток постоянный по величи­не, используют диоды, включённые в несколько более сложные цепи. Вы­прямительные схемы играют важную роль, так как электростанции выра­батывают ток переменный, а для работы большинства электронных устройств (радио, телевизоры, ЭВМ) требуется постоянное напряжение.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7