73709

Закон Джоуля-Ленца для участка цепи

Лекция

Физика

Проводимость шариков много больше проводимости земного шара. Будем считать что в среде выполняется закон Ома в дифференциальной форме где проводимость среды в данной точке. Проводимость анизотропных сред. линейная проводимость квадратичная проводимость.

Русский

2014-12-19

387 KB

0 чел.

Лекция №12.

Рассмотрим закон Джоуля - Ленца для участка цепи, когда на нем действуют электрические и сторонние силы напряженностью  и  соответственно. Мы хотим найти удельную мощность, которая выделяется в бесконечно маленьком объемчике вблизи выбранной точки.

Известно, что мощность можно записать как скалярное произведение силы на скорость . Учитывая, что  и  коллинеарные с , мощность, выделяемую при движении одного носителя заряда можно записать так .

А теперь запишем мощность , выделяемую в объеме , заряд в котором равен :  . Величину, равную  будем называть плотностью мощности, где  - модуль вектора плотности тока.

Формула  была получена для маленького объема в среде, а теперь представим обозримый проводник – тонкую проволоку.

Найдем работу, которую совершают электрические и сторонние силы по перемещению заряда в проволоке . Здесь  - работа электрических сил по перемещению единичного положительного заряда, а  - работа сторониих сил по перемещению единичного положительного заряда. По определению мощности найдем .

Токи в массивных проводниках.

Приведем общие примеры.

Имеется бесконечная поводящая седа, н.р. земной шар. В ней есть два хороших проводника в виде шариков, расположенных на расстоянии  друг от друга, известен их радиус . Проводимость шариков много больше проводимости земного шара. Проводники соединены с источником эдс . Найдем сопротивление между шариками. Для этого опишем ток, который показал бы амперметр.

Ток – поток вектора  через некоторую поверхность . Поскольку ток потечет во всех направлениях, то выберем замкнутую поверхность  в виде концентрической сферы вокруг одного из шариков. Будем считать, что в среде выполняется закон Ома в дифференциальной форме , где  - проводимость среды в данной точке.

Итак, с одной стороны .

С другой стороны:

Шарики – это хорошие проводники, помещенные в плохой диэлектрик, значит их можно рассматривать как конденсатор с “утечкой”, тогда  - заряд на конденсаторе .  

Теперь в выражении  посчитаем емкость.

Среду можно охарактеризовать диэлектрической проницаемостью  - в диэлектрике поля в  раз ослабляются .

Сделаем оценки:

Пусть , найдем емкость двух шариков на расстоянии, без диэлектрика:   Если шарики далеко, то потенциал в любой точке поверхности  создается полями обоих шариков, причем поле дальнего шарики много меньше поля, создаваемого шариком, окруженным поверхностью . Поэтому в вакууме приближенно  .

В диэлектрике емкость возрастает в  раз .

, тогда  - сюда не вошло расстояние между шариками, значит, как бы далеко не были воткнуты проводники в землю – сопротивление будет одно и тоже!

Теперь мы доказали, что если требуется передать напряжение, в качестве одного из двух проводов можно использовать землю.

Проводимость анизотропных сред.

Если записать закон Ома в дифференциальной форме в некоторой точке , то в общем  случае функция  имеет довольно сложный вид.

  1.   Будем считать вектор  коллинеарным с вектором , тогда  . Разложим функцию  в ряд Тейлора в близи нуля, считая, что  мало  

Пусть рассматриваемый нами материал не сверхпроводник, тогда слагаемое . Введем следующие обозначения ,   , тогда для не сверхпроводника имеет быть место равенство  

Числа и для каждого проводника свои, но их можно измерить.  - линейная проводимость, - квадратичная проводимость.

Если  , то проводник линейный. Если  и  сравнимы, то проводник нелинейный.

Для линейного проводника закон Ома в дифференциальной форме выглядит следующим образом .

  1.  Рассмотрим проводимость анизотропных сред (кристаллы).

.

Возьмем какой-нибудь кристалл и померим его проводимость в разных направлениях:

Подключим прибор последовательно и померим проводимость между гранями, перпендикулярными , , . Полученные значения будут не обязательно одинаковы.

Померим проводимость в направлении телесной диагонали,  - компоненты одинаковы. В таком случае компоненты регистрируемого тока можно записать следующим образом:  Поскольку  то  , значит ток потечет не в направлении вектора , а в сторону.

Запишем закон Ома в случае, когда вектор  неколлинеарный с вектором .

 

разложим  в ряд Тейлора в близи нуля как функцию трех переменных:

Пусть мы исследуем не сверхпроводник, и нет токов при отсутствии полей, тогда слагаемые  равны нулю.

Введем обозначения  и  , тогда  

- тензор линейной проводимости (тензор II ранга)

- тензор нелинейной проводимости (тензор III ранга)

Если проводник линейный , то закон Ома для анизотропной среды имеет вид: .

Процессы при разрядке и зарядке конденсаторов.

Разрядка конденсатора

Пусть у нас есть конденсатор емкостью  на котором заряд .

Соберем цепь  

И посмотрим как будет меняться сила тока  от времени.

Выберем сечение проводника и посмотрим, как соотносятся заряд на конденсаторе и заряд, который проходит через данное сечение в единицу времени (сила тока). Сколько протекло заряда в единицу времени, на столько же и уменьшился заряд на конденсаторе:   .

Знак минус, потому что убыль заряда на конденсаторе.

Запишем соотношение между емкостью  и разностью потенциалов : . Теперь запишем закон Ома, таким образом свяжем ток в проводнике и разность потенциалов: .

Теперь решим дифференциальное уравнение:

 .

При  , значит , .

Величина  - постоянная времени. Предположим, что в данный момент времени ток во всех точках цепи одинаков – такие токи называются квазистационарными. 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32614. Вариант 1 Схема двусторонней сортировочной станции с последовательным расположением основных парков и с об. 613.5 KB
  Вариант 1 Схема двусторонней сортировочной станции с последовательным расположением основных парков и с объемлющим расположением главных путей для пропуска пассажирских поездов рисунок 1. Вариант 2 Комбинированная схема двусторонней сортировочной станции с объемлющим расположением главных путей для пропуска пассажирских поездов рисунок 2. Вариант 3 Схема двусторонней сортировочной станции с параллельным расположением парков и с боковым расположением главных путей для пропуска пассажирских поездов рисунок 3. Вариант 1 Схема двусторонней...
32615. Докладно описати такі питання: призначення та класифікація дільничних станцій; основні операції що викону. 407 KB
  На УС выполняются следующие операции: посадка и высадка пассажиров; прием хранение и выдача багажа почты и грузов пассажирской скорости; технические операции с пассажирскими поездами; технические операции с грузовыми поездами; прием хранение и выдача грузов подача уборка вагонов на грузовой двор и др. погрузочноразгрузочные пункты; погрузкавыгрузка грузов взвешивание грузов вагонов и проверка габаритности у мест погрузки а в необходимых случаях сортировка и перегрузка грузов; подача неисправных вагонов к месту...
32616. Докладно описати такі питання: -призначення і класифікація пасажирської станції (ПС); -основні пристрої, які проектуються на ПС; -основні операції, які виконуються на ПС 198.5 KB
  Мин. Iрп=120 2·8=75 мин; Время занятия перронного пути: Тз=tпмtпрtтпtот где tпм продолжительность приготовления маршрута мин; tпр время занятия маршрута приемом поезда мин; tтп продолжительность операций по технологическому процессу мин; tот время занятия маршрута отправлением поезда мин. tпр=LгпLднLп Vпр где Lгп длина горловины приема м; Lдн длина участка приближения м; Lп длина поезда м; Vпр скорость поезда при входе на станцию км ч; принимаем Vпр= 40км ч = 66667м мин tпр=4001500450 66667=352...
32617. Назначение и классификация и основные технические и эксплуатационные параметры сортировочных устройств 413.5 KB
  Для сортировки вагонов на станциях рекомендуется проектировать основные и вспомогательные сортировочные устройства следующих типов: горочные сортировочные горки повышенной большой средней и малой мощности где для сортировки вагонов используется сила тяжести; негорочные вытяжные пути со стрелочными горловинами на уклоне где используется сила тяжести локомотива и сила тяжести вагонов; вытяжные пути и стрелочные горловины на горизонтальной площадке где используется только сила тяги локомотива. Для выполнения функций основного...
32618. Докладно описати основні пристрої вантажної станції (ВС): -колійний розвиток ВС - сортувальні пристрої; -вимоги до проектування основних пристроїв ВС 69 KB
  Для выполнения работы по приему отправлению и обработке поездов и обслуживанию пунктов погрузки выгрузки на ГС имеются пути сортировочные устройства грузовой район а в отдельных случаях устройства для экипировки локомотивов и ремонта вагонов производственнотехнические здания и прочие сооружения. Путевое развитие включает приемоотправочные сортировочные погрузочновыгрузочные выставочные соединительные и ходовые пути. Приемоотправочные пути используются для приема и отправления поездов передач на сортировочную или...
32619. Дати докладну характеристику розв’язок перехрещень в вузлах 900 KB
  Основное требование ко всем пересечениям маршрутов в одном уровне заключается в том что эти пересечения не должны снижать пропускную способность ниже необходимой в период интенсивного движения и создавать угрозу безопасности движения. Пересечения в одном уровне устраиваются при благоприятных топографических условиях относительно небольших размерах движения. Безопасность движения поездов обеспечивается с помощью устройств автоматики и сигнализации предохранительных тупиков. Развязки в одном уровне осуществляются чаще всего с...
32620. Розрахунок конструктивної висоти сортувальної гірки на сортувальній станції 571.5 KB
  Профільна висота головної дільниці h1 встановлюється з урахуванням найбільшого використання допустимої швидкості входу Vвх розрахункового бігуна вагою 85 т ωо=05 Н кн. в уповільнювачах 1 ГП при сприятливих умовах скочування: де Vo найбільша швидкість розпуску приймається 25 м с; g′ох розрахунковий параметр для ОХ бігуна м с2; де g прискорення вільного падіння 981 м с2; n кількість осей бігуна ОХ 4; q вага бігуна ОХ 85 т; hωо1 hск1 питома робота сил опору основного і від стрілок та кривих в межах головного дільниці l1...
32621. Докладно описати питання щодо пасажирської технічної станції (ПТС): 1) призначення і класифікація; 2) основні пристрої; 3) основні операції, що виконують на станції; 4) умови застосування; 5) переваги та недоліки окремих ПТС 116.5 KB
  1 ПТС призначаються для переформування ремонту очищення і екіпірування пасажирських составів. Станції бувають крупні 1520 составів за добу і середні 815.20 составів. На технічних парках менше ніж 68 составів.
32622. Аналіз схем двосторонніх станцій с послідовним розташуванням основних парків. Описати системи гіркової автоматики 216.5 KB
  Для комплексної механізації і автоматизації процесу сортування вагонів сортувальні гірки обладнуються локальними системами автоматики ГАЦ ГПЗУ АРС АЗСР ТГЛ пристроями звязку телебачення сигналізації. Під час роботи в маршрутному режимі оператор натисканням кнопки яка відповідає номеру підгіркової колії встановлює маршрут для кожного відчепу перед розпуском його з гірки. Система АСУ РСГ дозволяє регулювати швидкість насуву і розпуску составів швидкість руху відчепів з гірки керувати маршрутами руху відчепів з контролем...