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

26675. Концепция развития туризма в Архангельской области на 2011-2014 годы 25.12 KB
  Концепция разработана в рамках реализации Стратегии социальноэкономического развития Архангельской области до 2030 года.1999 № 14923ОЗ О туризме в Архангельской области; Стратегия социальноэкономического развития Архангельской области до 2030 года. Характеристика современной туристской индустрии Архангельской области 1.
26676. КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ МОЛОДЕЖНОГО ТУРИЗМА 34.24 KB
  Другой аспект туризма туристский бизнес. Настоящий бум развития туризма в нашей стране был в 30е и 60е годы прошлого века. В настоящее время отсутствует комплексный подход к развитию туризма в стране в 90е годы руководство туризмом было разведено по 14 ведомствам и частному капиталу.
26677. Наследование при моно- и дигибридном скрещивании 14.38 KB
  Закон доминирования первый закон Менделя − это закон единообразия гибридов первого поколения. Это соотношение выражает второй закон Менделя или закон расщепления признаков у гибридов второго поколения в соотношении 3:1 по фенотипу. Закон чистоты гамет гамета содержит 1 и только 1 аллель от каждого гена. 3й закон Менделя: закон независимого наследования.
26678. Полиплоидия. Автополиплоидия, её фенотипические эффекты и генетика. Амфидиплоидия как механизм получения плодовитых аллополиплоидов. Значение полиплоидии в эволюции и селекции растений 13.47 KB
  Геномные мутации это мутации затрагивающие число хромосом изменяющие геномгаплоидный набор хромосом с локализми в них генами. Полиплоидия это изменение числа хромосом кратное гаплоидному. Умножение одного и того же гаплоидного числа хромосом генома назся автополиплоидией. Различают полиплоидию сбалансую с чётным числом наборов хромосом и несбалансую с нечётным.
26679. Строение митотической хромосомы 11.76 KB
  Она связана с тонкими фибриллами и телом хромосомы в области перетяжки. Обычно хромосома имеет только 1 центромеру но может встречаться дицентрические и полицентрические. Те ке хромосомы имеют вторичную перетяжку кя обычно располагается вблизи дистального конца хромосомы и отделяет маленький участок спутник.
26680. Сцепление генов. Группы сцепления. Генетический анализ сцепления генов. Сцепление и перекрест в экспериментах Моргана с дрозофилой 12.78 KB
  Генетический анализ сцепления генов. Число хромосом у разных видов невелико по сравнению с числом генов. У дрозофилы более тысячи генов на 4 пары хромосом.
26681. Транскрипция – синтез РНК 14.63 KB
  Транскрипция синтез всех типов РНК 1 этап экспрессии генов. РНКполимеразы: Транскрипцию осуществлт фермент РНКполимераза особть фия: не требует праймера начинает работать с 1 нуклда работает в направлении 5→3 У прокариот РНКполимза E δ70 имеет большое колво субц 2α взаимодт с промотором; 2β актив. РНКполимза сочетт в себе полимеразную и хеликазю активть.
26682. Трансляция 16.84 KB
  Трансляция - реализация ген.программы клеток,происходит перевод ген.информации,закодированной в структуре НК,в аминокислотную последовательность белков. Это перевод четырехбуквенного(по числу постоянно встречающихся в ДНК и РНК нуклеотидов)
26683. Понятие гена и генома. Генетический код. Регуляция активности генов на примере лактозного оперона 14.35 KB
  Регуляция активности генов на примере лактозного оперона. 2Является универсальным 3Вырожденность 1АК может кодироваться несколькими триплетами 4Неперекрывающийся то есть триплет кодирует только 1АК 5Стопкодоны 3 последовательности: УАА УАГ УГА Регуляция действия генов на примере лактозного оперона. Лактоза расщепляется на глюкозу и галактозу под действием фермента βгалактозидаза P lacI P O lacZ lacY lacC Строение лакоперона:1 P промотер который связывается с мРНК. Ген lacI не входит в состав оперона.