Работа сторонних сил – . –

Сторонние силы и ЭДС

Сущность сторонних сил

Для того чтобы в проводнике ток существовал длительное время, необходимо, чтобы движение заряженных частиц, например, электронов, поддерживалось какой-либо внешней силой. Следовательно, нужно, чтобы от конца проводника с меньшим потенциалом (считаем, что носители электрического тока положительные) непрерывно отводились приносимые туда заряды, а к концу с большим потенциалом заряды постоянно подводились. То есть необходим круговорот зарядов по замкнутому пути, именно тогда ток будет течь. Данный факт согласуется с замкнутостью линий тока. То есть ЭДС — это работа, прилагаемая по перемещению положительного заряда в замкнутом контуре.

Замечание 1

Сторонняя электродвижущая сила (далее сторонняя сила) не может быть электростатической, потому что электростатическое поле потенциально.

Работа потенциальной силы, для контура с током, равна нулю. При таком условии ток существовать не может, так как ток должен совершать работу по преодолению сопротивления проводников. Сторонняя сила может быть механической или электрической (не электростатической), иметь химическое происхождение и т.д.. Также для замкнутого контура причиной возникновения ЭДС может стать изменение потока магнитного поля, это связано с явлением электромагнитной индукции.

С учетом сторонних сил закон Ома в локальной форме записывается в виде:

$\overrightarrow{j}=\sigma \left(\overrightarrow{E}+\overrightarrow{E_{stor}}\right)\left(1\right)$, где:

• $\overrightarrow{j}$ — вектор плотности электрического тока,
• $\sigma $ — удельная проводимость,
• $\overrightarrow{E}$ — напряжённость поля кулоновских сил, $\overrightarrow{E_{stor}}$ — напряженность поля сторонних сил.

Пример сторонних сил

Простейшая схема источника сторонней силы (источника тока), которая имеет механическое происхождение, представлена на рис.1.

Рисунок 1. Схема источника сторонней силы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Пусть между электродами А и В (рис.1) находится электрически нейтральная среда с равным зарядов противоположного знака. Сторонняя сила неэлектрического происхождения перемещает положительные заряды к электроду В (данный электрод заряжается положительно), а отрицательная к электроду А (отрицательно заряженный электрод). Во внешней цепи течет электрический ток. Ток производит работу. Энергия, которая необходима для производства такой работы, сообщается внешними силами, которые тратят ее на разделение зарядов между электродами. Ток внутри источника сторонней силы замыкает ток внешней цепи. Направление электрического тока во внешней цепи — от положительного электрода к отрицательному, внутри источника тока, наоборот. Практической реализацией такой схемы является электростатическая машина.

Электродвижущая сила

Сторонние силы характеризуются работой, совершающей ими при перемещении заряда по цепи. Так электродвижущей силой (ЭДС) ($\mathcal E$) называют:

$\mathcal E=\frac{A}{q}\left(2\right)$, где:

• $q$ — заряд,
• $A$ — работа сторонних сил.

Основная размерность ЭДС в системе СИ: $\left[\mathcal E \right]=В$.

ЭДС, действующую на участке 1-2 можно выразить как:

$\mathcal E_{12}=\int\limits^2_1{\overrightarrow{E_{stor}}d\overrightarrow{s}\left(3\right),}$, где:

• $\overrightarrow{E_{stor}}$ — напряженность поля сторонних сил,
• $d\overrightarrow{s}$— вектор перемещения.

Интеграл (3) для замкнутой цепи даст выражение для ЭДС в этой цепи, как циркуляции вектора напряженности сторонних сил:

$\mathcal E=\oint{\overrightarrow{E_{stor}}d\overrightarrow{s}\left(4\right).}$

ЭДС связана с падением напряжения или просто напряжением ($U$) на участке цепи 1-2 соотношением:

$U_{12}={\varphi }_1-{\varphi }_2+\mathcal E_{12}\left(5\right).$

Задание № 1: Опишите механизмы, которые позволяют использовать гальванические элементы в качестве источников постоянного тока.

Решение:

Часто встречаются источники постоянного тока, которые называют гальваническими элементами. При контакте твердого тела и жидкости появляется разность потенциалов. В некоторых случаях при таком контакте проходит химическая реакция. Допустим, если цинковую пластинку опустить в раствор серной кислоты, то цинк растворяется. В раствор перемещаются положительные ионы цинка, то есть раствор имеет положительный заряд, а сама цинковая пластина отрицательный, возникает электрический ток. При некоторой разности потенциалов переход ионов цинка в раствор заканчивается. Эта разность потенциалов называется электрохимическим потенциалом. (Он зависит от свойств металла, жидкости и концентрации ионов металла в растворе). Для растворов в серной кислоте этот потенциал цинка равен – 0,5В, для меди электрохимический потенциал равен +0,6В.

При погружении двух металлов в раствор возникает разность потенциалов между ними, которая равна разности из электрохимических потенциалов. Система из двух электродов из разных металлов, погруженная в раствор называется гальваническим элементом, разность потенциалов между металлами — ЭДС элемента.

Так, например, элемент Вольта состоит из медной и цинковой пластин, которые находятся в растворе серной кислоты. Зная электрохимические потенциалы цинка и меди, получим ЭДС элемента Вольта:

$\mathcal E=\left(0,6-(-0,5)\right)=1,1\left(В\right).$

В гальваническом источнике Вольта имеются 2 сторонние $\mathcal E$, которые сосредоточены в поверхностных слоях, где соприкасаются цинковая и медная пластины с раствором. Толщина этих слоев — молекула. В остальном объеме раствора сторонних $\mathcal E$ нет. Когда пластины соединяют проводником, по нему течет ток от медной (положительной) пластины к цинковой (отрицательной) пластине. В растворе между электродами направление тока — обратное: от цинковой пластины к медной.

Сторонняя ЭДС элемента определена его свойствами, и не зависит от силы тока, который течет по цепи. Изменение напряжения на внешней цепи всегда меньше, чем ЭДС элемента. Чем меньше внутренне сопротивление гальванического элемента, тем выше качество источника тока.

При прохождении тока в цепи элемента Вольта положительные ионы цинка переходят в раствор, там они соединяются с отрицательными ионами, на который, наряду с положительным ионом водорода, диссоциирует серная кислота. То есть в растворе проходит химическая реакция. Продукты реакции частично выпадают в виде осадка. При этом положительные ионы водорода движутся к медной пластине, там они нейтрализуются электронами тока проводимости в пластине. На поверхности медной пластины образуется водородная пленка. Эта пленка увеличивает внутреннее сопротивление элемента и одновременно, образует дополнительный электрохимический потенциал, который направлен против потенциала, который был на пластине до образования пленки. Так, ЭДС элемента уменьшается. Подобные процессы, называют поляризацией элемента.

Для того чтобы уменьшить падение ЭДС гальванического элемента применяют различные методы деполяризации, например, используют сильные окислители, которые связывают водород и кислород с образованием воды.

Задание № 2: Источник ЭДС $\mathcal E=1$ В имеет внутреннее сопротивление $r=1$ Ом включен в цепь, которая содержит сопротивление $R=9$ Ом. Найдите силу тока в цепи ($I$), падение напряжения во внешней цепи ($U$), падение потенциала внутри элемента ($U_r$).

Решение:

Для замкнутой цепи, которая содержит источник ЭДС запишем закон Ома в виде:

$I=\frac{\mathcal E}{R+r}\left(2.1\right)$, где:

• $\mathcal E$ — ЭДС источника тока,
• $R$ — внешнее сопротивление цепи,
• $r$ — сопротивление источника ЭДС.

Закон Ома для однородного участка запишем как:

$I=\frac{U}{R}\to U=IR\left(2.2\right).$

И для источника тока:

$I=\frac{U_r}{r}\to U_r=Ir\left(2.3\right).$

Так как все данные задачи записаны в системе СИ, проведем вычисления:

$I=\frac{\ 1}{9+1}=0,1\ \left(А\right).$

$U=0,1\cdot 9=0,9\ \left(В\right).$

$U_r=0,1\cdot 1=0,1\ \left(В\right).$

Ответ: $I=0,1В; U=0,9В; U_r=0,1В$.

spravochnick.ru

Источник тока. Сторонние силы. Эдс источника тока

Остановимся на отдельных закономерностях тока проводи­мости. Пусть на концах проводника длиной l имеется разность по­тенциалов Δφ=φ₁–φ₂=U, которая создает внутри него электри­ческое поле напряженностью Е, направленное в сторону падения потенциала (рис. 92), . При этом в проводнике возникнет ток от большего потен­циала φ₁ к меньшему φ₂.

l

Рис. 92

Движение зарядов от φ₁ к φ₂ приводит к снижению большего (φ₁) и повышению меньшего (φ₂) потенциала, т.е. к выравниванию потенциалов. Как только потенциалы выравниваются, электрическое поле в проводнике исчезнет и ток прекратится. Таким образом, для поддержания электрического тока необходимо иметь специальные устройства, которые бы поддерживали на его концах разность по­тенциалов. Такое устройство называется источником тока. Источ­никами тока являются электрические генераторы, гальванические и термоэлементы, аккумуляторы. Направление тока в устройстве про­тивоположно направлению тока в проводнике. Источник тока вы­полняет и другую роль – он замыкает цепь, по которой осуществля­ется непрерывное движение зарядов. Ток течет по внешней части цепи – проводнику и по внутренней – источнику тока. Источник тока имеет два полюса: положительный с более высоким потенциа­лом и отрицательный – с более низким. При разомкнутой цепи на отрицательном полюсе (выводе) источника тока образуется избыток электронов, а на положительном – недостаток. Разделение зарядов в источнике тока производится с помощью внешних сил, так назы­ваемых

сторонних, направленных против кулоновских сил, дейст­вующих на разноименные заряды в проводниках самого источника тока. Природа этих сторонних сил может быть самой различной (химической, механической, электромагнитной).

Рис.93

Если цепь, со­стоящая из проводника и источника тока, замкнута, то по ней про­ходит ток и при этом совершается работа сторонних сил А_ст. (рис. 93). Эта работа складывается из работы, совершаемой против сил электрического поля внутри источника тока ( А_ист.) и работы, совершаемой против механических сил сопротивления среды ис­точника ( А’ ), т.е. А_ст. = А_ист + А’.

Величина, равная отношению работы, которую совершают сторон­ние силы при перемещении точечного положительного заряда Q вдоль всей цепи, (включая и источник тока), к величине заряда Q называют

ЭДС источника тока ؏

؏ = .

Работа против сил электрического поля (по определению) равна

А_ист. = Q ( φ₁ – φ₂).

Если полюсы источника разомкнуты, то А’ = 0, и тогда из формулы для ؏

следует ؏ = φ₁ – φ₂, т.е. ЭДС источника тока при разомкнутой внешней цепи равна раз­ности потенциалов, которая создается на его полюсах.

Сопротивление проводников

Электроны проводимости в отсутствие электрического поля внутри металла хаотически движутся и сталкиваются с ионами кри­сталлической решетки металла. При этом в силу хаотичности про­исходит эквивалентный обмен энергией между ними.

При наложении поля электрон приобретает скорость направ­ленного движения и на длине свободного пробега некоторую кине­тическую энергию. При соударении с ионом электрон теряет часть этой энергии, которая преобразуется во внутреннюю энергию про­водника (он нагревается). Другими словами, электрон испытывает сопротивление своему движению под действием поля. Мерой этого сопротивления у каждого вещества является величина удельного сопротивления ρ [Ом·м].

Сопротивление проводника постоянного сечения определя­ется выражением

R = ,

где l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения.

Единица измерения – Ом.

Предположим, что два проводника соединены последовательно (рис. 94). Через оба проходит одинаковый заряд за одно и то же время, т.е.

I₁ = I₂ = I; U₁ = φ₁ – φ₂; U₂ = φ₂ – φ₃;

Рис.94

Отсюда U

1 =I₁ R₁ = I R₁; U₂=I₂ R₂ =I R₂; U₁ + U₂ = I (R₁ + R₂). Но U = U₁ + U₂ = φ₁ – φ₃, следовательно, U =I (R₁ + R₂) и R=R₁+R₂.

Для n последовательно соединенных проводников их суммарное сопротивление R будет равно

.

При параллельном соединении проводников (рис. 95) напряжение на участке АВ для обоих проводников будет оди­наковым U = U

1 = U₂. На входе в группу параллельных про­водников (в точке А) происхо­дит разветвление тока. Из закона сохранения заряда следует, что ток I равен сумме токов I₁ и I₂

I = I₁ + I₂ = .

В свою очередь, на всем участке

,

где R – общее сопротивление проводников. Откуда

.

Для n проводников при их параллельном соединении суммарное со­противление R определяется из выражения

studfiles.net

Работа – сторонняя сила – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Работа – сторонняя сила

Cтраница 1

Работа сторонних сил может быть ( как и работа любых других сил) и положительной и отрицательной.  [1]

Работа сторонних сил А равна энергии, отдаваемой источником питания во внешнюю цепь.  [2]

Работа сторонних сил Лст равна энергии, отдаваемой источником питания во внешнюю цепь.  [3]

Отношение работы сторонних сил по перемещению положительного заряда вдоль некоторого участка цепи к величине этого заряда носит название электродвижущей силы на данном участке. В рассмотренном случае работа сил, вызывающих диффузию, при перемещении заряда против электрического поля в контакте определяется величиной скачка потенциала. Поэтому это действительно, электродвижущая сила в обычном смысле этого слова. Но, конечно, такой контакт двух различных металлов в обычных условиях не может служить источником тока. Легко убедиться, что в замкнутой цепи из разных металлов, все участки которой поддерживаются при одной и той же температуре, сумма всех скачков потенциала равна нулю и ток в цепи отсутствует. Если поддерживать контакты при разных температурах, то сумма скачков не равна нулю и представляет собой термоэлектродвижущую силу.  [4]

Каким образом работа сторонних сил связана с ЭДС источника тока.  [5]

ЭДС) измеряется работой сторонних сил над единичным положительным зарядом.  [7]

Как связаны между собой работа сторонних сил и работа сил электрического поля при переносе заряда вдоль всей замкнутой цепи.  [8]

Стоящую в правой части формулы работу потенциальных и сторонних сил над 1 заряда на участке / – 2 называют напряжением на этом участке.  [10]

Так, например, в электромагнитном генераторе работа сторонних сил производится за счет механической энергии, расходуемой на вращение ротора генератора, а в гальванических элементах – за счет энергии, которая выделяется при химических процессах растворения электродов в электролите.  [11]

Уравнение (76.11) выражает закон сохранения энергии: работа сторонних сил в объеме V идет на изменение энергии макроскопического поля в этом объеме, на поток электромагнитной энергии через поверхность а, ограничивающую объем, и на выделение теплоты Джоуля – Ленца. Заметим, что Q всегда положительно, то есть в проводящем макроскопическом теле всегда происходит необратимый процесс превращения макроскопической электромагнитной энергии во внутренюю энергию тела.  [12]

Вычислим теперь эту же ЭДС индукции как работу сторонних сил при перемещении единичного заряда по контуру abed. Рассмотрим силы, действующие на проводник ab при его равномерном перемещении в магнитном поле.  [13]

Ниже будет показано, что ЭДС характеризует работу сторонних сил, совершаемую при перемещении зарядов. Другими словами, ЭДС характеризует превращение энергии других видов в электрическую.  [14]

Электродвижущая сила е ( ЭДС) измеряется работой сторонних сил над единичным положительным зарядом.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Электродвижущая сила

Заряд перемещается в сторону большего потенциала. Чтобы ток тек по кругу, необходимо стороннее воздействие на заряд (источник тока).

Источник тока –устройство, в котором происходит подъем на потенциал.

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядам.

ЭДС –физическая величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому контуру.

Е_ст. = , где Е_ст –напряженность поля сторонних сил, F –сторонняя сила

А = – общая работа электрического поля на неоднородном участке

Величина, численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного и стороннего заряда, называется падением напряжения или просто напряжением на данном участке цепи.

Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы , называется однородным, а участок, на котором на носители тока действуют сторонние силы – неоднородным.

Закон Ома

Сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна падению напряжения на проводнике:

└1.Для однородного участка цепи.

,

R –электрическое сопротивление проводника Ом.,

ρ- удельное электрическое сопротивление, которое измеряется в Омметр..

Величина сопротивления зависит от формы и размеров проводника, а также от свойств материала, из которого он сделан.

В случае однородного проводника напряжение совпадает по величине с разностью потенциалов.

Найдем связь между Е и j в одной и той же точке проводника. В изотропном проводнике упорядоченное движение носителей тока происходит в направлении вектора Е. Направления векторов Е и j совпадают.

ĵ

удельная электрическая проводимость

[λ]=См

–

Дифференциальная форма закона Ома

–

для неоднородного участка цепи.

2) – неоднородный

3) – замкнутая цепь

Температурная зависимость сопротивления

ρ = ρ₀(1+αt) R = R₀(1+αt)

– температурный коэффициент сопротивления, для металлов примерно одинаков 1/273,15- одинаковая природа сопротивления

В 1911 г. Камерлинг-Оннес обнаружил впервые явление сверхпроводимости сверхпроводимость для ртути. Оно заключалось в том, что у большой группы металлов и сплавов при температуре порядка нескольких кельвинов сопротивление скачков обращается в нуль. Для каждого сверхпроводника имеется своя критическая температура, при которой он переходит в сверхпроводящее состояние. При действии на сверхпроводник магнитного поля сверхпроводящее состояние нарушается.

Зависимость электрического сопротивления от температуры положена в основу термометров сопротивления.

Детлаф- Яворский 595

Сверхпроводимость

1. Т=0,7К – испарение жидкого гелия при пониженном давлении

Т=0,003К – адиабатное размагничивание парамагнитных солей

2. Открытие явления 1911 Камерлинг – Оннес – Голландия

ρ_сверх~10 ^-21 Ом*м

ρ_меди~10 ^-7 Ом*м

4. Свойства:

   1. Коллективный эффект

   2. Не чистые химические элементы , а их сплавы и соединения

1986 г. Мюллер и Беднорщ из Голландии

Керамика: лантан – барий – медь – кислород . – 30 к.

1987 г. Япония + США: лантан – стронций – медь – кислород . –50 к.

СССР Головашкин А. физический институт АН СССР

Керамика на основе атрия – 102 к.

3. Эффект Мейенера – магнитное поле не протекает внутрь проводника

С Т→0 магнитное поле выталкивается из проводника и В внутри сверхпроводника становится В=0.

4. В=0 внутри, а вот на поверхности слой где .

∆h – глубина проникновения магнитного поля – толщина слоя

∆h ~ сотен ангетрем 100*10^-10=10^-8 м

1. С ростом сверхпроводящее состояние разрушается Т=Т_кр.

1. 1950 г. Изотонический эффект

Т_кр.=const

M – массовое число изотопа

→ явление связано со строением решетки

ω~

6. БКМ 1957 г. Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер + Н.Н. Боголюбов развил – квантовая механистическая теория сверхпроводимости

F

-q

+q

ε<0 то

Применение сверхпроводимости

1. Получение сильных магнитных полей

А.А. Абрикосов – сверхпроводники II рода –

сплавы – тонкие сверхпроводящие между сверхпроводящие соленоиды на космических станциях – радиационная защита

2. ВМ

Двоичная система – пребывание вещества в сверхпроводящем и обычном состоянии и быстрота перехода под действием изменения Т или магнитного поля – криотроны – скорость пересечения 2 нс.

3. Механическое отталкивание – магнитное поле не проникает внутрь – подвесы в гироскопах , ротор в электродвигателях ( 2000 об/мин)

studfiles.net

Сторонние силы, электродвижущая сила и напряжение

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 10Следующая ⇒

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называютсяисточниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называютсясторонними.

Природа сторонних сил может быть различной. Например, в гальванических элементах они возникают за счет энергии химических реакций между электродами и электролитами; в генераторе — за счет механической энергии вращения ротора генератора и т. п. Роль источника тока в электрической цепи, образно говоря, такая же, как роль насоса, который необходим для перекачивания жидкости в гидравлической системе. Под действием создаваемого поля сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему на концах цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи течет постоянный электрический ток.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов. Физи­ческая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называетсяэлектродвижущей силой (э.д.с.),действующей в цепи:

(97.1)

Эта работа производятся за счет энергии, затрачиваемой в источнике тока, поэтому величину можно также называть электродвижущей силой источника тока, включен­ного в цепь. Часто, вместо того чтобы сказать: «в цепи действуют сторонние силы», говорят: «в цепи действует э.д.с.», т. е. термин «электродвижущая сила» употребляется как характеристика сторонних сил. Э.д.с., как и потенциал, выражается в вольтах (ср. (84.9) и (97.1)).

Сторонняя сила F_ст, действующая на заряд Q₀, может быть выражена как

где Е — напряженность поля сторонних сил. Работа же сторонних сил по перемещению заряда Q₀ на замкнутом участке цепи равна

(97.2)

Разделив (97.2) на Q₀, получим выражение для э. д. с., действующей в цепи:

т. е. э.д.с., действующая в замкнутой цепи, может быть определена как циркуляция вектора напряженности поля сторонних сил. Э.д.с., действующая на участке 1—2, равна

(97.3)

На заряд Q₀ помимо сторонних сил действуют также силы электростатического поля F_e=Q₀E. Таким образом, результирующая сила, действующая в цепи на заряд Q₀, равна

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q₀ на участке 1—2, равна

Используя выражения (97.3) и (84.8), можем записать

(97.4)

Для замкнутой цепи работа электростатических сил равна нулю, поэтому в данном случае

Напряжением U на участке 1—2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи. Таким образом, согласно (97.4),

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка цепи равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует Э.д.с., т. е. сторонние силы отсутствуют.

18 Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Первое правило Кирхгофа утверждает, что алгебраическая сумма токов, сходящихся в любом узле цепи равна нулю:

(7.9.1)

В случае установившегося постоянного тока в цепи ни в одной точке проводника, ни на одном из его участков не должны накапливаться электрические заряды (узел – любой участок цепи, где сходятся более двух проводников (рис. 7.8)).

Рис. 7.8

Токи, сходящиеся к узлу, считаются положительными:

Второе правило Кирхгофаявляется обобщением закона Ома для разветвленной цепи.Для произвольного замкнутого контура с произвольным числом разветвлений (рис. 7.9) можно записать для каждого элемента контура:

Рис. 7.9

Складывая эти уравнения получим второе правило Кирхгофа:

(7.9.2)

В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма произведения тока на сопротивление равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом же контуре.

Обход контуров осуществляется по часовой стрелке, если направление обхода совпадает с направлением тока, то ток берется со знаком «плюс».

 

19. мощность в цепи постоянного тока. Работа выхода — разница между минимальной энергией (обычно измеряемой в электрон-вольтах), которую необходимо сообщить электрону для его «непосредственного» удаления из объёма твёрдого тела, и энергией Ферми. Здесь «непосредственность» означает то, что электрон удаляется из твёрдого тела через данную поверхность и перемещается в точку, которая расположена достаточно далеко от поверхности по атомным масштабам (чтобы электрон прошёл весь двойной слой), но достаточно близко по сравнению с размерами макроскопических граней кристалла. При этом пренебрегают дополнительной работой, которую необходимо затратить на преодоление внешних полей, возникающих из-за перераспределения поверхностных зарядов. Таким образом, работа выхода для одного и того же вещества для различных кристаллографических ориентаций поверхности оказывается различной. При удалении электрона на бесконечность его взаимодействие с зарядами, остающимися внутри твёрдого тела приводит к индуцированию макроскопических поверхностных зарядов (при рассмотрении полубесконечного образца в электростатике это называют «изображением заряда»). При перемещении электрона в поле индуцированного заряда совершается дополнительная работа, которая определяется диэлектрической проницаемостью вещества, геометрией образца и свойствами других поверхностей. За счет этого полная работа по перемещению электрона из любой точки образца в любую другую точку (в том числе и точку бесконечности) не зависит от пути перемещения, то есть от того, через какую поверхность был удален электрон. Поэтому в физике твёрдого тела эта работа не учитывается и не входит в работу выхода.

20.работа выхода электрона. термоэлектронная эмиссияТермоэлектро́нная эми́ссия (эффект Ричардсона, эффект Эдисона) — явление испускания электронов нагретыми телами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергии) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет, и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным. Исследование закономерностей термоэлектронной эмиссии можно провести с помощью простейшей двухэлектродной лампы — вакуумного диода, представляющего собой откачанный баллон, содержащий два электрода: катод К и анод А. В простейшем случае катодом служит нить из тугоплавкого металла (например, вольфрама), накаливаемая электрическим током. Анод чаще всего имеет форму металлического цилиндра, окружающего катод. Если диод включить в цепь, то при накаливании катода и подаче на анод положительного напряжения (относительно катода) в анодной цепи диода возникает ток. Если поменять полярность батареи, то ток прекращается, как бы сильно катод ни накаливали. Следовательно, катод испускает отрицательные частицы — электроны. Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока от анодного напряжения — вольт-амперную характеристику, то оказывается, что она не является линейной, то есть для вакуумного диода закон Ома не выполняется. Зависимость термоэлектронного тока от анодного напряжения в области малых положительных значений описывается законом трех вторых (установлен русским физиком С. А. Богуславским (1883— 1923) и американским физиком И. Ленгмюром (1881 — 1957)): , где В — коэффициент, зависящий от формы и размеров электродов, а также их взаимного расположения. При увеличении анодного напряжения ток возрастает до некоторого максимального значения, называемого током насыщения. Это означает, что почти все электроны, покидающие катод, достигают анода, поэтому дальнейшее увеличение напряженности поля не может привести к увеличению термоэлектронного тока. Следовательно, плотность тока насыщения характеризует эмиссионную способность материала катода. Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики: , где А — работа выхода электронов из катода, Т — термодинамическая температура, С — постоянная, теоретически одинаковая для всех металлов (это не подтверждается экспериментом, что, по-видимому, объясняется поверхностными эффектами). Уменьшение работы выхода приводит к резкому увеличению плотности тока насыщения. Поэтому применяются оксидные катоды (например, никель, покрытый оксидом щелочноземельного металла), работа выхода которых равна 1 −1,5 эВ.

 

Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

Работа № 210

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА КОМПЕНСАЦИИ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕГО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИХ СИЛ

Теория

§ 1. Кулоновские и сторонние силы. Электродвижущая сила.

Электроны и ионы в проводниках создают электростатическое поле, называемое полем кулоновских сил. Кулоновские силы взаи­модействия между зарядами всегда приводят к такому перераспределению свободных зарядов, при котором электрическое поде в проводнике исчезает, а потенциалы во всех точках выравниваются. Поэтому поле кулоновских сил не может вызвать стационарный процесс упорядоченно­го движения зарядов, т.е. не может являться причиной возникновения постоянного электрического тока.

Для поддержания постоянного тока в цепи на свободные заряды должны действовать, помимо кулоновских сил, так называемые с т о р о н н и е с и л ы.

Если кулоновские силы вызывают соединение разноименных зарядов, что ведет к выравниванию потенциалов, то сторонние силы вызывают разделение разноименных зарядов и поддерживают разность потенциалов на концах электрической цепи. Добавочное электрическое поле – поле сторонних сил в цепи – создается источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами). Перемещая электрические заряды, сторонние силы совершают работу за счет энер­гии, затрагиваемой в источнике тока. Так, например, в электромагнитном генераторе тока (динамо машине) работа сторонних сил соверша­ется за счет механической работы, затрачиваемой на вращение ротора генератора. В гальванических элементах эта работа совершается за счет энергии, которая выделяется при химических процессах растворе­ния электродов в электролите.

Величина, численно равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда из точки I в точку 2 электрической цепи, называется электродвижущей силой источника тока ε , включенного на этом участке цепи, т.е.

ε =/Е_стор./·|dl |·Cos(E_стор.,dl),

где E_стор – вектор напряженности поля сторонних сил.

Величина, численно равная работе кулоновских сил по перемещению единичного положительного заряда на участке цепи между точками I и 2, называется разностью потенциалов на этом участке цепи, т.е

=/Е_кул./·|dl|·Cos(E_кул.,dl),

где, Е_кул.– вектор напряженности поля кулоновских сил.

Под действием кулоновских сил положительный заряд перемешается от более высокого к более низкому потенциалу. Работа кулоновских сил при перемещении заряда по замкнутому контуру равна нулю, т.е. поле кулоновских сил является полем потенциальным.

Под действием сторонних сил положительный заряд перемешается от более низкого к более высокому потенциалу.

Поле сторонних сил не является полем потенциальным, т.е. рабо­та сторонних сил по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю. Следовательно, работа по перемещению заряда по замкнутой цепи совершается лишь сторонними силами, а на отдельных участках цепи как сторонними, так и кулоновскими силами.

Величина, численно равная сумме работ сторонних и кулоновских сил по перемещению единичного положительного заряда на данном участке цепи, называется напряжением, т.е.

U₁₂= ε +

По закону Ома для участка цепи напряжение численно равно произведению силы тока J на сопротивление участка цепи R , т.е.

U₁₂= J R₁₂= ε +

Для замкнутой цепи = 0, а R₁₂=R=r – сопротивление всей цепи, где r – сопротивление внутреннего участка цепи (сопро­тивление источника тока), R- сопротивление внешнего участка цепи, т.е.

ε = J (R+r)= J R+Jr=U_внеш.+U_внутр.

– закон Ома для замкнутой цепи.

Присоединение вольтметра к полюсам источника тока (рис.1) соз­дает замкнутую цепь, для которой R = Rv – сопротивление вольтметра. Согласно закону Ома для замкнутой цепи: U_внеш.=JR_v=ε-Jr, т.е. показание вольтметра (U_внеш.= JR_v) отличается от ЭДС источника тока на величину U_внутр.= J·r .

В тех случаях, когда сопротивление вольтметра велико R_v>>r (например, для лампового вольтметра), ток в цепи вольтметра мал и Jr 0, т.е. показание вольтметра можно считать за величину ЭДС источника тока. При точных измерениях ЭДС применяются специальные методы, например, метод компенсации.

studfiles.net

Работа № 210

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА КОМПЕНСАЦИИ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕГО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИХ СИЛ

Теория

§ 1. Кулоновские и сторонние силы. Электродвижущая сила.

Электроны и ионы в проводниках создают электростатическое поле, называемое полем кулоновских сил. Кулоновские силы взаи­модействия между зарядами всегда приводят к такому перераспределению свободных зарядов, при котором электрическое поде в проводнике исчезает, а потенциалы во всех точках выравниваются. Поэтому поле кулоновских сил не может вызвать стационарный процесс упорядоченно­го движения зарядов, т.е. не может являться причиной возникновения постоянного электрического тока.

Для поддержания постоянного тока в цепи на свободные заряды должны действовать, помимо кулоновских сил, так называемые с т о р о н н и е с и л ы.

Если кулоновские силы вызывают соединение разноименных зарядов, что ведет к выравниванию потенциалов, то сторонние силы вызывают разделение разноименных зарядов и поддерживают разность потенциалов на концах электрической цепи. Добавочное электрическое поле – поле сторонних сил в цепи – создается источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами). Перемещая электрические заряды, сторонние силы совершают работу за счет энер­гии, затрагиваемой в источнике тока. Так, например, в электромагнитном генераторе тока (динамо машине) работа сторонних сил соверша­ется за счет механической работы, затрачиваемой на вращение ротора генератора. В гальванических элементах эта работа совершается за счет энергии, которая выделяется при химических процессах растворе­ния электродов в электролите.

Величина, численно равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда из точки I в точку 2 электрической цепи, называется электродвижущей силой источника тока ε , включенного на этом участке цепи, т.е.

ε =/Е_стор./·|dl |·Cos(E_стор.,dl),

где E_стор – вектор напряженности поля сторонних сил.

Величина, численно равная работе кулоновских сил по перемещению единичного положительного заряда на участке цепи между точками I и 2, называется разностью потенциалов на этом участке цепи, т.е

=/Е_кул./·|dl|·Cos(E_кул.,dl),

где, Е_кул.– вектор напряженности поля кулоновских сил.

Под действием кулоновских сил положительный заряд перемешается от более высокого к более низкому потенциалу. Работа кулоновских сил при перемещении заряда по замкнутому контуру равна нулю, т.е. поле кулоновских сил является полем потенциальным.

Под действием сторонних сил положительный заряд перемешается от более низкого к более высокому потенциалу.

Поле сторонних сил не является полем потенциальным, т.е. рабо­та сторонних сил по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю. Следовательно, работа по перемещению заряда по замкнутой цепи совершается лишь сторонними силами, а на отдельных участках цепи как сторонними, так и кулоновскими силами.

Величина, численно равная сумме работ сторонних и кулоновских сил по перемещению единичного положительного заряда на данном участке цепи, называется напряжением, т.е.

U₁₂= ε +

По закону Ома для участка цепи напряжение численно равно произведению силы тока J на сопротивление участка цепи R , т.е.

U₁₂= J R₁₂= ε +

Для замкнутой цепи = 0, а R₁₂=R=r – сопротивление всей цепи, где r – сопротивление внутреннего участка цепи (сопро­тивление источника тока), R- сопротивление внешнего участка цепи, т.е.

ε = J (R+r)= J R+Jr=U_внеш.+U_внутр.

– закон Ома для замкнутой цепи.

Присоединение вольтметра к полюсам источника тока (рис.1) соз­дает замкнутую цепь, для которой R = Rv – сопротивление вольтметра. Согласно закону Ома для замкнутой цепи: U_внеш.=JR_v=ε-Jr, т.е. показание вольтметра (U_внеш.= JR_v) отличается от ЭДС источника тока на величину U_внутр.= J·r .

В тех случаях, когда сопротивление вольтметра велико R_v>>r (например, для лампового вольтметра), ток в цепи вольтметра мал и Jr 0, т.е. показание вольтметра можно считать за величину ЭДС источника тока. При точных измерениях ЭДС применяются специальные методы, например, метод компенсации.

studfiles.net