December 05 2016 16:34:57
School Nogma
Навигация
 
Авторизация
Логин

Пароль



Вы не зарегистрированы?
Нажмите здесь для регистрации .

Забыли пароль?
Запросите новый здесь.
 
закон сохранения электрического заряда
Основы электростатики

Опыт показывает, что электрический заряд, находящийся в электрически изолированной системе, через границы которой невозможен перенос электрического заряда, независимо от физических процессов, протекающих в этой системе, сохраняется постоянным. Это обобщение опытных данных называется законом сохранения электрического заряда. Иными словами, в природе не обнаружены такие явления, при которых менялось бы алгебраическая сумма зарядов всех участвующих в рассматриваемом явлении частиц. Если в каком-либо процессе возникают или исчезают заряженные частицы, то алгебраическая сумма зарядов этих частиц всегда равна нулю. Примером может служить электромагнитный процесс превращения электрона и его античастицы-позитрона при аннтиляции их в электромагнитное излучение большой частоты

img479,

где е- - электрон с зарядом –е, е+ - позитрон с зарядом +е и γ – кванты электромагнитного  излучения, не обладающие электрическим зарядом (число образующихся γ-квантов не меньше 2).

Таким образом, уравнение непрерывности (6.3) можно рассматривать как математическое выражение закона сохранения электрического заряда.

Следует отметить, что электрический заряд системы может меняется только дискретным образом, поскольку величина электрического заряда известных в настоящее время элементарных частиц является дискретной, т.е. квантованной. Согласно современным физическим представлениям наименьшими по абсолютной величине электрическими зарядами обладают кварки: u -, c - и t - кварки имеют заряд +2е/3, а d -,s – и b – кварки – заряд –е/3, где е = 1,6*10-19 Кл – заряд электрона. Заряд любого количества вещества всегда есть целое кратное от элементарного электрического заряда –е/3 или +2е/3.

Для создания тока необходимы свободные носители электрического заряда и электрическое поле, формирующие их направленное движение внутри проводника. Это направленное движение всегда накладывается на хаотическое тепловое движение свободных носителей заряда, интенсивность которого определяется температурой проводника.

Отдельного рассмотрения требует вопрос о природе постоянного электрического поля внутри проводника. Как указывалось ранее, в равновесном состоянии, где неподвижные заряды распределены по внешней поверхности проводника, электрическое поле во всех точках внутри проводника равно нулю. Протекание постоянного тока означает неравновесность состояния, где имеет место лишь стационарность физических процессов, обеспечивающих динамическое равновесие. В этом случае постоянное электрическое поле внутри проводника с током создают поверхностные заряды, распределенные по внешней границе проводника, а также в области контактов различных проводников (см. Буховцев Б.Б., Кривченков В.Д., Мякишев Г.Я., Сараева И.М. Сборник задач по элементарной физике: Пособие для самообразования. – 6 –е изд. дополн. – М.: Физмат. лит, 2000. Стр.94, задача №480).

Рассмотрим классическую теорию электропроводности металлов, где носителями тока являются свободные электроны проводимости. Это коллективизированные обобществленные валентные электроны атомов металла, которые могут перемещаться по всему объему металла. Металл представляет собой кристаллическую решетку, образованную положительно заряженными ионами, которые распределены в пространстве строго периодически. В отсутствие электрического поля свободные электроны в среднем равномерно заполняют всю кристаллическую решетку, поэтому любой макроскопический элемент металла в среднем электрически нейтрален.

В классической теории электропроводимости на свободные электроны действуют две силы: сила взаимодействия электрона с электрическим полем

img480,    е<0                                                                         (6.4а)

и сила торможения (сила «вязкого трения»)

img481,                                                                      (6.4б)

где m – масса электрона, img482 - скорость направленного движения электрона и img483 - время релаксации импульса электрона (эффективное время обращения в нуль импульса направленного движения при выключении электрического поля). Сила торможения описывает усредненный результат столкновений носителя тока с ионами кристаллической решетки, совершающими тепловое колебательное движение, атомами примесей металла и дефектами кристаллической решетки, т.е. отклонениями от правильной структуры кристаллической решетки.

С учетом сил (6.4) уравнение движения электронов проводимости металла запишется в виде

img484.                                                                      (6.5)

В стационарном случае протекания постоянного тока, когда img485, носители тока движутся с постоянной скоростью, которая называется дрейфом,

img486,                                                                      (6.6)

где b=eimg487/m –подвижность свободных электронов. На основе (6.1) и (6.6) плотность тока запишется следующим образом

img488,                                             (6.7)

где img489 - электропроводность (удельная проводимость) и img490 - удельное сопротивление.

Формулы (6.7) выражают локальный закон Ома или, как говорят, закон Ома, записанный в дифференциальной форме. Линейная связь между векторами img491 и img492 справедлива только в области относительно слабых электрических полей, когда между двумя последовательными столкновениями электрона приращение его кинетической энергии за счет работы силы электрического поля мало по сравнению с характерной энергией теплового движения kT, где k = 1,38*10-23 Дж/К – постоянная Больцмана и Т – абсолютная температура системы.

Приведем  типичные значения параметров, входящих в локальный закон Ома, для случая металлов:

n=1028 1/м3,   img493=10-14с,   img494=108см/м,   img495=10-8 Ом*м.

Здесь сименс (См) – единица проводимости в СИ, равная 1/Ом. По порядку величины img496 есть среднее время между двумя последовательными столкновениями электрона. Используя приведенные значения, можно получить, что для Е= 10В/м дрейфовая скорость электрона проводимости металла ~ 0,17 см/с.

Комментарии
Нет комментариев.
Добавить комментарий
Пожалуйста, залогиньтесь для добавления комментария.
Рейтинги
Рейтинг доступен только для пользователей.

Пожалуйста, авторизуйтесьили зарегистрируйтесь для голосования.

Нет данных для оценки.

Время загрузки: 0.05 секунд 4,195,146 уникальных посетителей