Carga elétrica (quantidade de eletricidade) é uma grandeza física escalar que determina a capacidade dos corpos de serem uma fonte de campos eletromagnéticos e participarem de interações eletromagnéticas. A carga elétrica foi introduzida pela primeira vez na lei de Coulomb em 1785.

A unidade de carga no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o pingente - uma carga elétrica que passa pela seção transversal de um condutor a uma corrente de 1 A em um tempo de 1 s. A carga de um pingente é muito grande. Se dois portadores de carga ( q 1 = q 2 = 1 C) colocados no vácuo a uma distância de 1 m, então eles interagiriam com uma força de 9 10 9 H, ou seja, com a força com que a gravidade da Terra atrairia um objeto com massa de cerca de 1 milhões de toneladas. A carga elétrica de um sistema fechado é preservada no tempo e quantizada - ela muda em porções que são múltiplos da carga elétrica elementar, ou seja, a soma algébrica das cargas elétricas de corpos ou partículas que formam uma carga elétrica isolada sistema não muda durante quaisquer processos que ocorrem neste sistema.

Cobrar interação O fenômeno mais simples e cotidiano em que se revela o fato da existência de cargas elétricas na natureza é a eletrificação dos corpos ao contato. A capacidade das cargas elétricas de atração mútua e repulsão mútua é explicada pela existência de dois tipos diferentes de cargas. Um tipo de carga elétrica é chamado positivo, e o outro é chamado negativo. Corpos com cargas opostas se atraem e corpos com cargas semelhantes se repelem.

Quando dois corpos eletricamente neutros entram em contato, como resultado de atrito, as cargas passam de um corpo para outro. Em cada um deles, a igualdade da soma das cargas positivas e negativas é violada e os corpos são carregados de maneira diferente.

Quando um corpo é eletrizado por influência, a distribuição uniforme de cargas é perturbada nele. Eles são redistribuídos para que em uma parte do corpo haja um excesso de cargas positivas e em outra - negativas. Se essas duas partes forem separadas, elas serão cobradas de forma diferente.

A lei da conservação do e-mail. carregar No sistema em questão, novas partículas eletricamente carregadas podem formar, por exemplo, elétrons - devido ao fenômeno de ionização de átomos ou moléculas, íons - devido ao fenômeno de dissociação eletrolítica, etc. então a soma algébrica das cargas de todas as partículas, inclusive novamente aparecendo em tal sistema é sempre igual a zero.

A lei da conservação da carga elétrica é uma das leis fundamentais da física. Foi confirmado experimentalmente pela primeira vez em 1843 pelo cientista inglês Michael Faraday e atualmente é considerado uma das leis fundamentais da conservação da física (semelhante às leis de conservação do momento e da energia). Testes experimentais cada vez mais sensíveis da lei de conservação de carga, que continuam até hoje, ainda não revelaram desvios dessa lei.

. Carga elétrica e sua discrição. A lei da conservação da carga. A lei da conservação da carga elétrica afirma que a soma algébrica das cargas de um sistema eletricamente fechado é conservada. q, Q, e são designações de carga elétrica. Unidades de carga no SI [q]=Cl (Coulomb). 1mC = 10-3C; 1 µC = 10-6 C; 1nC = 10-9C; e = 1,6∙10-19 C é a carga elementar. A carga elementar, e é a carga mínima encontrada na natureza. Elétron: qe = - e - carga do elétron; m = 9,1∙10-31 kg é a massa do elétron e do pósitron. Pósitron, próton: qp = + e é a carga do pósitron e do próton. Qualquer corpo carregado contém um número inteiro de cargas elementares: q = ± Ne; (1) A fórmula (1) expressa o princípio da discrição da carga elétrica, onde N = 1,2,3… é um inteiro positivo. A lei da conservação da carga elétrica: a carga de um sistema eletricamente isolado não muda ao longo do tempo: q = const. lei de Coulomb- uma das leis básicas da eletrostática, que determina a força de interação entre duas cargas elétricas pontuais.

A lei foi estabelecida em 1785 por Sh. Coulomb com a ajuda das escalas de torção inventadas por ele. Coulomb estava interessado não tanto na eletricidade quanto na fabricação de eletrodomésticos. Tendo inventado um dispositivo extremamente sensível para medir a força - uma balança de torção, ele estava procurando maneiras de usá-lo.

Para suspensão, o Pingente utilizou um fio de seda de 10 cm de comprimento, que girava 1° a uma força de 3 * 10 -9 gf. Com a ajuda desse dispositivo, ele estabeleceu que a força de interação entre duas cargas elétricas e entre dois polos de ímãs é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas ou polos.

Duas cargas puntiformes interagem no vácuo com uma força F , cujo valor é proporcional ao produto das cargas e 1 e e 2 e inversamente proporcional ao quadrado da distância r entre eles:

Fator de proporcionalidade k depende da escolha do sistema de unidades de medida (no sistema de unidades gaussianas k= 1, no SI

ε 0 é a constante elétrica).

Força F é direcionado ao longo de uma linha reta conectando as cargas e corresponde à atração para cargas diferentes e repulsão para cargas iguais.

Se as cargas que interagem estão em um dielétrico homogêneo, com permissividade ε , então a força de interação diminui em ε uma vez:

A lei de Coulomb também é chamada de lei que determina a força da interação de dois pólos magnéticos:

Onde m 1 e m 2 - cargas magnéticas,

μ é a permeabilidade magnética do meio,

f é o coeficiente de proporcionalidade, dependendo da escolha do sistema de unidades.

Campo elétrico- uma forma separada de manifestação (junto com o campo magnético) do campo eletromagnético.

Durante o desenvolvimento da física, havia duas abordagens para explicar as causas da interação de cargas elétricas.

De acordo com a primeira versão, a ação da força entre corpos carregados separados era explicada pela presença de elos intermediários que transmitem essa ação, ou seja, a presença do ambiente ao redor do corpo, no qual a ação é transmitida de ponto a ponto com velocidade finita. Essa teoria é chamada teoria de curto alcance .

De acordo com a segunda versão, a ação é transmitida instantaneamente a qualquer distância, enquanto o meio intermediário pode estar completamente ausente. Uma carga instantaneamente "sente" a presença de outra, enquanto nenhuma mudança ocorre no espaço circundante. Essa teoria foi chamada teoria de longo alcance .

O conceito de "campo elétrico" foi introduzido por M. Faraday na década de 30 do século XIX.

De acordo com Faraday, cada carga em repouso cria um campo elétrico no espaço circundante. O campo de uma carga atua sobre outra carga e vice-versa (o conceito de ação de curto alcance).

Um campo elétrico criado por cargas estacionárias que não varia com o tempo é chamado de eletrostático. O campo eletrostático caracteriza a interação de cargas fixas.

Força do campo elétrico- uma grandeza física vetorial que caracteriza o campo elétrico em um dado ponto e numericamente igual à razão entre a força que atua sobre uma carga puntiforme fixa colocada em um dado ponto do campo e o valor dessa carga:

Essa definição mostra por que a força do campo elétrico às vezes é chamada de potência característica do campo elétrico (na verdade, a diferença do vetor da força que atua sobre uma partícula carregada é apenas um fator constante).

Em cada ponto no espaço em um determinado momento há seu próprio valor do vetor (em geral, é diferente em diferentes pontos do espaço), então este é um campo vetorial. Formalmente, isso é expresso na notação

representando a intensidade do campo elétrico em função das coordenadas espaciais (e do tempo, pois pode mudar ao longo do tempo). Este campo, juntamente com o campo do vetor de indução magnética, é um campo eletromagnético, e as leis às quais ele obedece são objeto da eletrodinâmica.

A intensidade de um campo elétrico no Sistema Internacional de Unidades (SI) é medida em volts por metro [V/m] ou em newtons por pendente [N/C].

A força com que um campo eletromagnético atua sobre partículas carregadas[

A força total com a qual um campo eletromagnético (geralmente incluindo componentes elétricos e magnéticos) atua sobre uma partícula carregada é expressa pela fórmula da força de Lorentz:

Onde q- a carga elétrica da partícula, - sua velocidade, - o vetor de indução magnética (a principal característica do campo magnético), a cruz oblíqua denota o produto vetorial. A fórmula é dada em unidades do SI.

As cargas que criam um campo eletrostático podem ser distribuídas no espaço de forma discreta ou contínua. No primeiro caso, a intensidade do campo: n E = Σ Ei₃ i=t, onde Ei é a intensidade em um certo ponto no espaço do campo criado por uma i-ésima carga do sistema, e n é o número total de cargas discretas que fazem parte do sistema. Um exemplo de resolução de um problema baseado no princípio da superposição de campos elétricos. Assim, para determinar a intensidade do campo eletrostático, que é criado no vácuo por cargas puntiformes estacionárias q₁, q₂, …, qn, usamos a fórmula: n E = (1/4πε₀) Σ (qi/r³i)ri i= t, onde ri é o vetor de raio traçado da carga pontual qi até o ponto considerado do campo. Vamos dar outro exemplo. Determinação da força do campo eletrostático, que é criado no vácuo por um dipolo elétrico. Um dipolo elétrico é um sistema de dois iguais em valor absoluto e, ao mesmo tempo, opostos em cargas de sinal q>0 e –q, cuja distância I entre os quais é relativamente pequena em comparação com a distância dos pontos considerados. O braço do dipolo será chamado de vetor l, que é direcionado ao longo do eixo do dipolo para a carga positiva da negativa e é numericamente igual à distância I entre eles. O vetor pₑ = ql é o momento elétrico do dipolo.

A intensidade E do campo dipolar em qualquer ponto: E = E₊ + E₋, onde E₊ e E₋ são as intensidades de campo das cargas elétricas q e –q. Assim, no ponto A, que está localizado no eixo do dipolo, a intensidade do campo do dipolo no vácuo será igual a E = (1/4πε₀)(2pₑ/r³) No ponto B, que está localizado na perpendicular restaurada ao dipolo eixo a partir de seu meio: E = (1/4πε₀)(pₑ/r³) Em um ponto arbitrário M suficientemente distante do dipolo (r≥l), o módulo de sua intensidade de campo é O princípio da superposição de campos elétricos consiste em dois afirmações: A força de Coulomb da interação de duas cargas não depende da presença de outros corpos carregados. Vamos supor que a carga q interage com o sistema de cargas q1, q2, . . . , q. Se cada uma das cargas do sistema atua sobre a carga q com a força F₁, F₂, ..., Fn, respectivamente, então a força resultante F aplicada à carga q do lado deste sistema é igual à soma vetorial das forças individuais: F = F₁ + F₂ + ... + Fn. Assim, o princípio da superposição de campos elétricos nos permite chegar a uma afirmação importante.

Linhas de campo elétrico

O campo elétrico é representado usando linhas de força.

As linhas de campo indicam a direção da força que atua sobre uma carga positiva em um determinado ponto do campo.

Propriedades das linhas de campo elétrico

As linhas de campo elétrico têm um começo e um fim. Eles começam nas cargas positivas e terminam nas negativas.

As linhas de força do campo elétrico são sempre perpendiculares à superfície do condutor.

A distribuição das linhas de campo elétrico determina a natureza do campo. O campo pode ser radial(se as linhas de força saem de um ponto ou convergem em um ponto), homogêneo(se as linhas de força são paralelas) e heterogêneo(se as linhas de força não forem paralelas).

densidade de carga- esta é a quantidade de carga por unidade de comprimento, área ou volume, determinando assim as densidades lineares, superficiais e volumétricas de carga, que são medidas no sistema SI: em Coulombs por metro (C/m), em Coulombs por metro quadrado ( C/m² ) e Coulomb por metro cúbico (C/m³), respectivamente. Ao contrário da densidade da matéria, a densidade de carga pode ter valores positivos e negativos, isso se deve ao fato de existirem cargas positivas e negativas.

Densidades de carga linear, de superfície e de carga são geralmente denotadas pelas funções , e, respectivamente, onde é o vetor raio. Conhecendo essas funções, podemos determinar a carga total:

§5 O fluxo do vetor de intensidade

Vamos definir o fluxo vetorial através de uma superfície arbitrária dS, é a normal à superfície, α é o ângulo entre a normal e a linha de força do vetor. Você pode inserir um vetor de área. FLUXO VETORIAL chamado valor escalar Ф E igual ao produto escalar do vetor intensidade pelo vetor área

Para um campo uniforme

Para um campo não homogêneo

onde é uma projeção, é uma projeção.

No caso de uma superfície curva S, ela deve ser dividida em superfícies elementares dS, calcule o fluxo através da superfície elementar, e o fluxo total será igual à soma ou, no limite, a integral dos fluxos elementares

onde é a integral sobre uma superfície fechada S (por exemplo, sobre uma esfera, cilindro, cubo, etc.)

O fluxo de um vetor é uma grandeza algébrica: depende não apenas da configuração do campo, mas também da escolha da direção. Para superfícies fechadas, a normal externa é tomada como a direção positiva da normal, ou seja, uma normal apontando para fora da área coberta pela superfície.

Para um campo uniforme, o fluxo através de uma superfície fechada é zero. No caso de um campo não homogêneo

3. A intensidade do campo eletrostático criado por uma superfície esférica uniformemente carregada.

Deixe uma superfície esférica de raio R (Fig. 13.7) suportar uma carga uniformemente distribuída q, ou seja. a densidade de carga superficial em qualquer ponto da esfera será a mesma.

Envolvemos nossa superfície esférica em uma superfície simétrica S com raio r>R. O fluxo vetorial de intensidade através da superfície S será igual a

De acordo com o teorema de Gauss

Conseqüentemente

Comparando esta relação com a fórmula para a intensidade do campo de uma carga pontual, podemos concluir que a intensidade do campo fora da esfera carregada é como se toda a carga da esfera estivesse concentrada em seu centro.

2. Campo eletrostático da bola.

Vamos ter uma bola de raio R, uniformemente carregada com densidade aparente.

Em qualquer ponto A, situado fora da bola a uma distância r de seu centro (r> R), seu campo é semelhante ao campo de uma carga puntiforme localizada no centro da bola. Então fora da bola

e em sua superfície (r=R)

CAMPO ELETROSTÁTICO

campo eletrostático carga de teste q0

tensão

, (4)

, . (5)

linhas de força

O TRABALHO DAS FORÇAS DO CAMPO ELETROSTÁTICO. POTENCIAL

Um campo elétrico, como um gravitacional, é potencial. Aqueles. o trabalho realizado pelas forças eletrostáticas não depende de qual rota a carga q é movida no campo elétrico do ponto 1 ao ponto 2. Este trabalho é igual à diferença de energias potenciais que a carga movida tem nos pontos inicial e final de o campo:

A 1,2 \u003d W 1 - W 2. (7)

Pode-se mostrar que a energia potencial de uma carga q é diretamente proporcional à magnitude dessa carga. Portanto, como característica de energia do campo eletrostático, a razão da energia potencial de uma carga de teste q 0 colocada em qualquer ponto do campo para o valor dessa carga é usada:

Este valor é a quantidade de energia potencial por unidade de carga positiva e é chamado de potencial de campo em um determinado ponto. [φ] = J / C = V (Volt).

Se assumirmos que quando a carga q 0 é removida ao infinito (r → ∞), sua energia potencial no campo da carga q se anula, então o potencial do campo de uma carga pontual q a uma distância r dela:

. (9)

Se o campo é criado por um sistema de cargas puntiformes, então o potencial do campo resultante é igual à soma algébrica (incluindo sinais) dos potenciais de cada um deles:

. (10)

A partir da definição de potencial (8) e expressão (7), o trabalho realizado pelas forças do campo eletrostático para mover a carga de

ponto 1 ao ponto 2 podem ser representados como:

CORRENTE ELÉTRICA EM GASES

DESCARGA DE GÁS NÃO PRÓPRIO

Gases em temperaturas não muito altas e em pressões próximas à atmosférica são bons isolantes. Se você colocar um eletrômetro carregado no ar atmosférico seco, sua carga permanecerá inalterada por um longo tempo. Isso é explicado pelo fato de que os gases em condições normais consistem em átomos e moléculas neutras e não contêm cargas livres (elétrons e íons). Um gás se torna um condutor de eletricidade somente quando algumas de suas moléculas são ionizadas. Para ionização, o gás deve ser exposto a algum tipo de ionizador: por exemplo, uma descarga elétrica, raios X, radiação ou radiação UV, chama de vela, etc. (no último caso, a condutividade elétrica do gás é causada pelo aquecimento).

Quando os gases são ionizados, um ou mais elétrons são ejetados da camada eletrônica externa de um átomo ou molécula, o que leva à formação de elétrons livres e íons positivos. Os elétrons podem se ligar a moléculas e átomos neutros, transformando-os em íons negativos. Portanto, em um gás ionizado existem íons carregados positiva e negativamente e elétrons livres. E corrente elétrica em gases é chamada de descarga de gás. Assim, a corrente nos gases é criada por íons de ambos os sinais e elétrons. Uma descarga de gás com tal mecanismo será acompanhada pela transferência de matéria, ou seja, gases ionizados são condutores do segundo tipo.

Para arrancar um elétron de uma molécula ou átomo, é necessário realizar um certo trabalho A e, ou seja, gastar alguma energia. Essa energia é chamada energia de ionização , cujos valores para átomos de várias substâncias estão dentro de 4÷25 eV. Quantitativamente, o processo de ionização é geralmente caracterizado por uma quantidade chamada potencial de ionização :

Simultaneamente ao processo de ionização de um gás, há sempre um processo inverso - o processo de recombinação: íons positivos e negativos ou íons positivos e elétrons, encontrando-se, recombinam-se entre si para formar átomos e moléculas neutras. Quanto mais íons aparecem sob a ação do ionizador, mais intenso é o processo de recombinação.

A rigor, a condutividade elétrica de um gás nunca é igual a zero, pois sempre contém cargas livres resultantes da ação da radiação de substâncias radioativas presentes na superfície da Terra, bem como da radiação cósmica. A intensidade de ionização sob a ação desses fatores é baixa. Essa leve condutividade elétrica do ar é a causa do vazamento de cargas dos corpos eletrificados, mesmo que estejam bem isolados.

A natureza da descarga de gás é determinada pela composição do gás, sua temperatura e pressão, dimensões, configuração e material dos eletrodos, bem como a tensão aplicada e a densidade de corrente.

Consideremos um circuito contendo um gap de gás (Fig.), submetido à ação contínua e de intensidade constante de um ionizador. Como resultado da ação do ionizador, o gás adquire alguma condutividade elétrica e a corrente fluirá no circuito. A figura mostra as características da corrente-tensão (dependência da corrente da tensão aplicada) para dois ionizadores. atuação
(o número de pares de íons produzidos pelo ionizador no intervalo de gás em 1 segundo) do segundo ionizador é maior que o primeiro. Vamos supor que o desempenho do ionizador é constante e igual a n 0 . A uma pressão não muito baixa, quase todos os elétrons cindidos são capturados por moléculas neutras, formando íons carregados negativamente. Levando em conta a recombinação, assumimos que as concentrações de íons de ambos os sinais são iguais e iguais a n. As velocidades médias de deriva de íons de sinais diferentes em um campo elétrico são diferentes: , . b - e b + são a mobilidade de íons de gás. Agora para a região I, levando em conta (5), podemos escrever:

Como pode ser visto, na região I, com o aumento da tensão, a corrente aumenta, pois a velocidade de deriva aumenta. O número de pares de íons recombinados diminuirá à medida que sua velocidade aumentar.

Região II - região da corrente de saturação - todos os íons criados pelo ionizador chegam aos eletrodos sem ter tempo de recombinar. Densidade de corrente de saturação

j n = q n 0 d, (28)

onde d é a largura do gap de gás (a distância entre os eletrodos). Como pode ser visto em (28), a corrente de saturação é uma medida do efeito ionizante do ionizador.

Em uma voltagem maior que U p p (região III), a velocidade dos elétrons atinge tal valor que, ao colidir com moléculas neutras, são capazes de causar ionização por impacto. Como resultado, são formados pares de íons An 0 adicionais. O valor A é chamado de fator de amplificação do gás . Na região III, este coeficiente não depende de n 0 , mas depende de U. Assim. a carga que atinge os eletrodos em U constante é diretamente proporcional ao desempenho do ionizador - n 0 e tensão U. Por esta razão, a região III é chamada de região proporcional. U pr - limite de proporcionalidade. O fator de amplificação de gás A tem valores de 1 a 10 4 .

Na região IV, a região de proporcionalidade parcial, o ganho de gás passa a depender de n 0. Essa dependência aumenta com o aumento de U. A corrente aumenta acentuadamente.

Na faixa de tensão 0 ÷ U g, a corrente no gás existe apenas quando o ionizador está em operação. Se a ação do ionizador for interrompida, a descarga também será interrompida. Descargas que existem apenas sob a ação de ionizadores externos são chamadas de não autossustentáveis.

A tensão Ug é o limiar da região, a região Geiger, que corresponde ao estado em que o processo no gap de gás não desaparece mesmo após o ionizador ser desligado, ou seja, a descarga adquire o caráter de descarga independente. Os íons primários apenas dão impulso à ocorrência de uma descarga de gás. Nesta região, já adquiri a capacidade de ionizar íons massivos de ambos os signos. A magnitude da corrente não depende de n 0 .

Na área VI, a tensão é tão alta que a descarga, uma vez que ocorre, não para mais - a área de descarga contínua.

DESCARGA INDEPENDENTE DE GÁS E SEUS TIPOS

A descarga no gás, que persiste após o término da ação do ionizador externo, é chamada independente.

Vamos considerar as condições para a ocorrência de uma descarga independente. Em altas voltagens (regiões V-VI), os elétrons que surgem sob a ação de um ionizador externo e são fortemente acelerados por um campo elétrico colidem com moléculas de gás neutro e as ionizam. Como resultado, são formados elétrons secundários e íons positivos. (processo 1 na Fig. 158). Os íons positivos se movem em direção ao cátodo e os elétrons se movem em direção ao ânodo. Os elétrons secundários novamente ionizam as moléculas do gás e, consequentemente, o número total de elétrons e íons aumentará à medida que os elétrons se movem em direção ao ânodo como uma avalanche. Esta é a razão para o aumento da corrente elétrica (ver Fig. área V). O processo descrito é chamado de ionização por impacto.

No entanto, a ionização por impacto sob a ação de elétrons não é suficiente para manter a descarga quando o ionizador externo é removido. Para isso, é necessário que as avalanches de elétrons sejam “reproduzidas”, ou seja, que novos elétrons surjam no gás sob a influência de alguns processos. Tais processos são mostrados esquematicamente na Fig. 158: Íons positivos acelerados pelo campo, atingindo o cátodo, eliminando elétrons dele (processo 2); Íons positivos, colidindo com moléculas de gás, transferem-nas para um estado excitado, a transição de tais moléculas para o estado normal é acompanhada pela emissão de um fóton (processo 3); Um fóton absorvido por uma molécula neutra a ioniza, ocorre o chamado processo de ionização de fótons das moléculas (processo 4); Nocautear elétrons do cátodo sob a ação de fótons (processo 5).

Finalmente, em tensões significativas entre os eletrodos do gap de gás, chega um momento em que os íons positivos, que têm um caminho livre médio mais curto que os elétrons, adquirem energia suficiente para ionizar as moléculas de gás (processo 6), e as avalanches de íons correm para o negativo. prato. Quando, além das avalanches de elétrons, também ocorrem avalanches de íons, a corrente aumenta quase sem aumentar a tensão (região VI na Fig.).

Como resultado dos processos descritos, o número de íons e elétrons no volume do gás aumenta como uma avalanche, e a descarga torna-se independente, ou seja, persiste mesmo após o término da ação do ionizador externo. A tensão na qual ocorre a autodescarga é chamada de tensão de ruptura. Para o ar, isso é cerca de 30.000 volts para cada centímetro de distância.

Dependendo da pressão do gás, da configuração dos eletrodos e dos parâmetros do circuito externo, podemos falar de quatro tipos de descargas independentes: incandescência, faísca, arco e corona.

1. Descarga fumegante. Ocorre em baixas pressões. Se uma tensão constante de várias centenas de volts for aplicada aos eletrodos soldados em um tubo de vidro de 30 ÷ 50 cm de comprimento, bombeando gradualmente o ar para fora do tubo, a uma pressão de ≈ 5,3 ÷ 6,7 kPa, ocorrerá uma descarga na forma de um fio de enrolamento avermelhado brilhante, indo do cátodo para o ânodo. Com uma diminuição adicional da pressão, o cordão engrossa e, a uma pressão de ≈ 13 Pa, a descarga tem a forma mostrada esquematicamente na Fig.

Diretamente adjacente ao cátodo está uma fina camada luminosa 1 - o primeiro brilho do cátodo, ou um filme do cátodo, segue uma camada escura 2 - um espaço escuro do cátodo, passando para uma camada luminosa 3 - um brilho latente que tem uma borda nítida do lado do cátodo, desaparecendo gradualmente do lado do ânodo. Ele surge da recombinação de elétrons com íons positivos. O brilho latente é delimitado por uma lacuna escura 4 - espaço escuro de Faraday, seguida por uma coluna de gás luminoso ionizado 5 - uma coluna positiva. A coluna positiva não tem papel significativo na manutenção da descarga. Por exemplo, à medida que a distância entre os eletrodos do tubo diminui, seu comprimento diminui, enquanto as partes do cátodo da descarga permanecem inalteradas em forma e tamanho. Em uma descarga incandescente, apenas duas de suas partes são de particular importância para sua manutenção: o espaço escuro do cátodo e o brilho incandescente. No espaço escuro do cátodo, ocorre uma forte aceleração de elétrons e íons positivos, eliminando elétrons do cátodo (emissão secundária). Na região de combustão lenta, no entanto, ocorre a ionização por impacto de moléculas de gás por elétrons. Os íons positivos formados neste caso correm para o cátodo e eliminam dele novos elétrons, que, por sua vez, ionizam novamente o gás, etc. Desta forma, uma descarga incandescente é mantida continuamente.

Com a evacuação adicional do tubo a uma pressão de ≈ 1,3 Pa, o brilho do gás enfraquece e as paredes do tubo começam a brilhar. Elétrons expulsos do cátodo por íons positivos raramente colidem com moléculas de gás em tal rarefação e, portanto, acelerados pelo campo, atingindo o vidro, causam seu brilho, a chamada catodoluminescência. O fluxo desses elétrons tem sido historicamente chamado de raios catódicos.

A descarga de brilho é amplamente utilizada na tecnologia. Como o brilho da coluna positiva tem uma cor característica de cada gás, é usado em tubos de luz de gás para inscrições e anúncios luminosos (por exemplo, tubos de descarga de néon dão um brilho vermelho, tubos de argônio - verde-azulado). Nas lâmpadas fluorescentes, que são mais econômicas que as incandescentes, a radiação de descarga luminescente que ocorre no vapor de mercúrio é absorvida por uma substância fluorescente (fósforo) depositada na superfície interna do tubo, que começa a brilhar sob a influência da radiação absorvida. O espectro de luminescência com uma seleção apropriada de fósforos está próximo do espectro da radiação solar. A descarga incandescente é usada para deposição catódica de metais. A substância catódica em uma descarga incandescente devido ao bombardeio por íons positivos, sendo fortemente aquecida, passa para o estado de vapor. Ao colocar vários objetos perto do cátodo, eles podem ser cobertos com uma camada uniforme de metal.

2. Descarga de faísca. Ocorre em altas intensidades de campo elétrico (≈ 3·10 6 V/m) em um gás sob pressão atmosférica. A faísca tem a aparência de um canal fino brilhantemente luminoso, curvado e ramificado de maneira complicada.

A explicação da descarga de faíscas é dada com base na teoria do streamer, segundo a qual o aparecimento de um canal de faísca brilhantemente luminoso é precedido pelo aparecimento de acumulações fracamente luminosas de gás ionizado. Esses clusters são chamados de streamers. Os streamers surgem não apenas como resultado da formação de avalanches de elétrons por ionização por impacto, mas também como resultado da ionização de fótons do gás. As avalanches, perseguindo-se umas às outras, formam pontes condutoras de serpentinas, ao longo das quais, nos momentos seguintes, poderosos fluxos de elétrons se precipitam, formando canais de descarga de faíscas. Devido à liberação de uma grande quantidade de energia durante os processos considerados, o gás no centelhador é aquecido a uma temperatura muito alta (cerca de 10 4 K), o que leva ao seu brilho. O aquecimento rápido do gás leva a um aumento da pressão e das ondas de choque, o que explica os efeitos sonoros de uma descarga de faísca - o estalido característico em descargas fracas e trovões fortes no caso de raios, que é um exemplo de descarga de faísca poderosa entre uma nuvem de trovoada e a Terra ou entre duas nuvens de trovoada.

A descarga de faísca é usada para inflamar a mistura combustível em motores de combustão interna e para proteger linhas de transmissão elétrica de surtos (interruptores de faíscas). Com um pequeno comprimento da folga de descarga, a descarga de faísca causa destruição (erosão) da superfície do metal; portanto, é usado para usinagem de precisão por eletrofaísca de metais (corte, perfuração). É usado em análise espectral para registrar partículas carregadas (contadores de faíscas).

3. Descarga do arco. Se, após a ignição de uma descarga de faísca de uma fonte poderosa, a distância entre os eletrodos for gradualmente reduzida, a descarga se tornará contínua - ocorrerá uma descarga de arco. Nesse caso, a força da corrente aumenta acentuadamente, atingindo centenas de amperes, e a tensão no intervalo de descarga cai para várias dezenas de volts. Uma descarga de arco pode ser obtida a partir de uma fonte de baixa tensão contornando o estágio de faísca. Para fazer isso, os eletrodos (por exemplo, os de carbono) são reunidos até se tocarem, são muito quentes com uma corrente elétrica, depois são criados e um arco elétrico é obtido (é assim que foi descoberto pelo cientista russo V.V. Petrov). À pressão atmosférica, a temperatura do cátodo é aproximadamente igual a 3900 K. À medida que o arco queima, o cátodo de carbono aguça-se e forma-se uma depressão no ânodo - uma cratera, que é o ponto mais quente do arco.

De acordo com conceitos modernos, a descarga do arco é mantida devido à alta temperatura do cátodo devido à intensa emissão termiônica, bem como a ionização térmica das moléculas devido à alta temperatura do gás.

A descarga a arco é amplamente utilizada na economia nacional para soldagem e corte de metais, obtenção de aços de alta qualidade (forno a arco), iluminação (holofotes, equipamentos de projeção). Lâmpadas de arco com eletrodos de mercúrio em cilindros de quartzo também são amplamente utilizadas, onde ocorre uma descarga de arco em vapor de mercúrio quando o ar é bombeado para fora. O arco gerado no vapor de mercúrio é uma poderosa fonte de radiação ultravioleta e é utilizado na medicina (por exemplo, lâmpadas de quartzo). A descarga de arco a baixas pressões em vapor de mercúrio é usada em retificadores de mercúrio para retificar a corrente alternada.

4. descarga corona - descarga elétrica de alta tensão que ocorre em alta pressão (por exemplo, atmosférica) em um campo não homogêneo (por exemplo, próximo a eletrodos com grande curvatura da superfície, a ponta de um eletrodo de agulha). Quando a intensidade do campo próximo à ponta atinge 30 kV/cm, um brilho tipo corona aparece ao seu redor, daí o nome desse tipo de descarga.

Dependendo do sinal do eletrodo corona, uma corona negativa ou positiva é distinguida. No caso de uma corona negativa, a produção de elétrons que causam a ionização por impacto das moléculas de gás ocorre devido à sua emissão do cátodo sob a ação de íons positivos, no caso de uma corona positiva, devido à ionização do gás próximo ao ânodo. Sob condições naturais, a coroa ocorre sob a influência da eletricidade atmosférica no topo dos mastros de navios ou árvores (a ação dos pára-raios é baseada nisso). Este fenômeno foi nos tempos antigos chamado de fogos de St. Elmo. O efeito nocivo da corona ao redor dos fios das linhas de alta tensão é a ocorrência de correntes de fuga. Para reduzi-los, os fios das linhas de alta tensão são feitos de espessura. A descarga corona, sendo descontínua, também se torna uma fonte de interferência de rádio.

A descarga corona é usada em precipitadores eletrostáticos usados ​​para purificar gases industriais de impurezas. O gás a ser purificado se move de baixo para cima em um cilindro vertical, ao longo do eixo do qual está localizado um fio corona. Os íons presentes em grandes quantidades na parte externa da coroa se depositam nas partículas de impureza e são levados pelo campo para o eletrodo externo não corona e se depositam nele. A descarga corona também é usada na aplicação de revestimentos em pó e tintas.

CAMPO ELETROSTÁTICO

LINHAS DE ENERGIA DO CAMPO ELÉTRICO

De acordo com os conceitos da física moderna, o efeito de uma carga sobre outra é transmitido através campo eletrostático - um ambiente material de alongamento infinito especial que cada corpo carregado cria em torno de si. Campos eletrostáticos não podem ser detectados pelos sentidos humanos. No entanto, uma carga colocada em um campo é afetada por uma força diretamente proporcional à magnitude dessa carga. Porque a direção da força depende do sinal da carga, foi acordado usar o chamado carga de teste q0. Esta é uma carga pontual positiva, que é colocada no ponto de interesse para nós no campo elétrico. Assim, é aconselhável usar a razão entre a força e o valor da carga de teste q 0 como força característica do campo:

Esta constante para cada ponto do campo é uma quantidade vetorial igual à força que atua sobre uma unidade, a carga positiva é chamada tensão . Para o campo de uma carga puntiforme q a uma distância r dela:

, (4)

A direção do vetor coincide com a direção da força que atua na carga de teste. [E] = N/C ou V/m.

Em um meio dielétrico, a força de interação entre as cargas e, portanto, a intensidade do campo, diminui em ε vezes:

, . (5)

Quando vários campos eletrostáticos são sobrepostos, a força resultante é determinada como a soma vetorial das forças de cada um dos campos (princípio da superposição):

Graficamente, a distribuição do campo elétrico no espaço é representada usando linhas de força . Essas linhas são desenhadas para que as tangentes a elas em qualquer ponto coincidam. Isso significa que o vetor da força que atua sobre a carga e, portanto, o vetor de sua aceleração, também estão tangentes às linhas de força, que nunca e em nenhum lugar se cruzam. As linhas de força de um campo eletrostático não podem ser fechadas. Eles começam em cargas positivas e terminam em cargas negativas ou vão até o infinito.

A carga elétrica é uma grandeza física escalar que determina a capacidade dos corpos de serem uma fonte de campos eletromagnéticos e participarem da interação eletromagnética.

Em um sistema fechado, a soma algébrica das cargas de todas as partículas permanece inalterada.

(... mas não o número de partículas carregadas, porque há transformações de partículas elementares).

Sistema fechado

- um sistema de partículas no qual partículas carregadas não entram de fora e não saem.

lei de Coulomb

- a lei básica da eletrostática.

A força de interação de dois corpos carregados imóveis no vácuo é diretamente proporcional a

o produto dos módulos de carga e é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre eles.

Quando os corpos são considerados pontos? - se a distância entre eles for muitas vezes maior que o tamanho dos corpos.

Se dois corpos têm cargas elétricas, então eles interagem de acordo com a lei de Coulomb.

Força do campo elétrico. O princípio da superposição. Cálculo do campo eletrostático de um sistema de cargas giradas baseado no princípio da superposição.

A intensidade do campo elétrico é uma grandeza física vetorial que caracteriza o campo elétrico em um determinado ponto e é numericamente igual à razão da força agindo sobre uma carga de teste fixa colocada em um determinado ponto do campo, ao valor dessa carga :

O princípio da superposição é uma das leis mais gerais em muitos ramos da física. Em sua forma mais simples, o princípio da superposição diz:

o resultado da ação de várias forças externas sobre uma partícula é a soma vetorial da ação dessas forças.

O mais famoso princípio de superposição em eletrostática, no qual ele afirma que a intensidade do campo eletrostático criado em um determinado ponto por um sistema de cargas, é a soma das intensidades dos campos de cargas individuais.

4. Linhas de tensão (linhas de força) do campo elétrico. Fluxo vetorial de tensão. Densidade de linhas de força.

O campo elétrico é representado usando linhas de força.

As linhas de campo indicam a direção da força que atua sobre uma carga positiva em um determinado ponto do campo.

Propriedades das linhas de campo elétrico

As linhas de campo elétrico têm um começo e um fim. Eles começam nas cargas positivas e terminam nas negativas.

As linhas de força do campo elétrico são sempre perpendiculares à superfície do condutor.

A distribuição das linhas de campo elétrico determina a natureza do campo. O campo pode ser radial(se as linhas de força saem de um ponto ou convergem em um ponto), homogêneo(se as linhas de força são paralelas) e heterogêneo(se as linhas de força não forem paralelas).

9.5. Fluxo de vetor de força de campo elétrico. Teorema de Gauss

Como em qualquer campo vetorial, é importante considerar as propriedades do fluxo do campo elétrico. O fluxo do campo elétrico é definido tradicionalmente.

Selecionamos uma pequena área de área Δ S, cuja orientação é dada por um vetor normal unitário (Fig. 157).

Dentro de uma pequena área, o campo elétrico pode ser considerado uniforme, então o fluxo do vetor intensidade Δ F E é definido como o produto da área do local e o componente normal do vetor de intensidade

Onde - produto escalar de vetores e ; E n - normal ao componente de sítio do vetor de intensidade.

Em um campo eletrostático arbitrário, o fluxo do vetor de intensidade através de uma superfície arbitrária é determinado da seguinte forma (Fig. 158):

A superfície é dividida em pequenas áreas Δ S(que pode ser considerado plano);

O vetor de tensão neste site é determinado (que pode ser considerado constante dentro do site);

A soma dos fluxos através de todas as áreas em que a superfície é dividida é calculada

Essa quantidade é chamada fluxo do vetor de intensidade do campo elétrico através de uma determinada superfície.

As linhas contínuas, as tangentes às quais em cada ponto por onde passam coincidem com o vetor de intensidade, são chamadas linhas de campo elétrico ou linhas de tensão.
A densidade das linhas é maior onde a intensidade do campo é maior. As linhas de força do campo elétrico criadas por cargas estacionárias não são fechadas: elas começam nas cargas positivas e terminam nas negativas. Um campo elétrico cuja intensidade é a mesma em todos os pontos do espaço é chamado homogênea. A densidade de linhas é maior perto de corpos carregados, onde a intensidade é maior. As linhas de força do mesmo campo não se cruzam, uma força atua sobre qualquer carga em um campo elétrico. Se a carga se move sob a ação dessa força, o campo elétrico realiza trabalho. O trabalho das forças sobre o movimento de uma carga em um campo eletrostático não depende da trajetória da carga e é determinado apenas pela posição dos pontos inicial e final. Consideremos um campo elétrico uniforme formado por placas planas carregadas de forma diferente . A intensidade do campo é a mesma em todos os pontos. Deixe uma carga pontual q se mover do ponto A ao ponto B ao longo da curva L. Quando a carga se move por uma pequena quantidade D L, o trabalho é igual ao produto do módulo de força pela quantidade de deslocamento e o cosseno do ângulo entre eles, ou, que é o mesmo, o produto da magnitude da carga pontual pelos campos de intensidade e na projeção do vetor deslocamento na direção do vetor intensidade. Se calcularmos o trabalho total para mover a carga do ponto A para o ponto B, então, independentemente da forma da curva L, será igual ao trabalho para mover a carga q ao longo da linha de força até o ponto B 1. O trabalho de deslocamento do ponto B 1 para o ponto B é zero, pois o vetor força e o vetor deslocamento são perpendiculares.

5. Teorema de Gauss para um campo elétrico no vácuo

Redação geral: Fluxo vetorial intensidade do campo elétrico através de qualquer superfície fechada arbitrariamente escolhida é proporcional ao fechado dentro desta superfície carga elétrica.

GHS	SI

Esta expressão é o teorema de Gauss na forma integral.

Comente: o fluxo do vetor de tensão através da superfície não depende da distribuição de cargas (arranjo de cargas) dentro da superfície.

Na forma diferencial, o teorema de Gauss é expresso da seguinte forma:

GHS	SI

Aqui está a densidade de carga volumétrica (na presença de um meio - a densidade total de cargas livres e ligadas), e - operador nabla.

O teorema de Gauss pode ser provado como um teorema em eletrostática da lei de Coulomb ( ver abaixo). No entanto, a fórmula também é verdadeira em eletrodinâmica, embora na maioria das vezes não atue como um teorema provado, mas como uma equação postulada (neste sentido e contexto é mais lógico chamá-la lei de Gauss .

6. Aplicação do teorema de Gauss ao cálculo do campo eletrostático de um filamento longo (cilindro) uniformemente carregado

Campo de um cilindro infinito uniformemente carregado (rosca). Um cilindro infinito de raio R (Fig. 6) é uniformemente carregado com densidade linearτ (τ = –dQ/dt carga por unidade de comprimento). Por considerações de simetria, vemos que as linhas de tensão serão direcionadas ao longo dos raios das seções circulares do cilindro com a mesma densidade em todas as direções em relação ao eixo do cilindro. Vamos construir mentalmente como uma superfície fechada um cilindro coaxial de raio r e altura eu. Fluxo vetorial E através das extremidades do cilindro coaxial é igual a zero (as extremidades e linhas de tensão são paralelas), e através da superfície lateral é igual a 2πr eu E. Usando o teorema de Gauss, para r>R 2πr eu E = τ eu/ε 0 , de onde (5) Se r

7. Aplicação do teorema de Gauss ao cálculo do campo eletrostático de um plano uniformemente carregado

Campo de um plano infinito uniformemente carregado. O plano infinito (Fig. 1) é carregado com uma constante densidade superficial+σ (σ = dQ/dS é a carga por unidade de superfície). As linhas de tensão são perpendiculares a este plano e direcionadas a partir dele para cada lado. Tomemos como superfície fechada um cilindro, cujas bases são paralelas ao plano carregado e o eixo é perpendicular a ele. Como as geratrizes do cilindro são paralelas às linhas da intensidade do campo (сosα=0), então o fluxo do vetor de intensidade através da superfície lateral do cilindro é igual a zero, e o fluxo total através do cilindro é igual a a soma dos fluxos através de suas bases (as áreas das bases são iguais e para a base E n coincide com E), ou seja, igual a 2ES. A carga contida no interior da superfície cilíndrica construída é igual a σS. De acordo com o teorema de Gauss, 2ES=σS/ε 0 , de onde (1) Da fórmula (1) segue que E não depende do comprimento do cilindro, ou seja, a intensidade do campo em qualquer distância é igual em valor absoluto, em outras palavras, o campo de um plano uniformemente carregado uniformemente.

8. Aplicação do teorema de Gauss ao cálculo do campo eletrostático de uma esfera uniformemente carregada e uma bola com carga volumétrica.

Campo de uma superfície esférica uniformemente carregada. Uma superfície esférica de raio R com carga total Q é carregada uniformemente com densidade superficial+σ. Porque a carga é distribuída uniformemente sobre a superfície, o campo que ela cria tem simetria esférica. Isto significa que as linhas de tensão são direcionadas radialmente (Fig. 3). Vamos desenhar mentalmente uma esfera de raio r, que tem um centro comum com uma esfera carregada. Se r>R,ro, toda a carga Q, que cria o campo considerado, entra na superfície e, de acordo com o teorema de Gauss, 4πr 2 E = Q/ε 0 , de onde (3) Para r>R, o campo diminui com a distância r de acordo com a mesma lei que para uma carga pontual. O gráfico de E versus r é mostrado na fig. 4. Se r"

O campo de uma esfera com carga volumétrica. Uma bola de raio R com carga total Q é carregada uniformemente com densidade aparenteρ (ρ = dQ/dV é a carga por unidade de volume). Levando em conta considerações de simetria semelhantes ao item 3, podemos provar que para a força de campo fora da bola será obtido o mesmo resultado do caso (3). Dentro da bola, a força do campo será diferente. Esfera de raio r"

9. O trabalho das forças do campo elétrico ao mover a carga. O teorema da circulação da intensidade do campo elétrico.

O trabalho elementar realizado pela força F ao mover uma carga elétrica pontual de um ponto do campo eletrostático para outro em um segmento da trajetória é, por definição, igual a

onde é o ângulo entre o vetor força F e a direção do movimento. Se o trabalho for realizado por forças externas, então dA0. Integrando a última expressão, obtemos que o trabalho contra as forças de campo ao mover a carga de teste do ponto “a” para o ponto “b” será igual a

onde é a força de Coulomb agindo sobre a carga de teste em cada ponto do campo com intensidade E. Então o trabalho

Deixe a carga se mover no campo de carga q do ponto “a”, distante de q a uma distância para o ponto “b”, distante de q a uma distância (Fig. 1.12).

Como pode ser visto na figura, então temos

Como mencionado acima, o trabalho das forças do campo eletrostático, realizado contra as forças externas, é igual em magnitude e de sinal oposto ao trabalho das forças externas, portanto

Teorema da circulação do campo elétrico.

tensão e potencial- estas são duas características do mesmo objeto - um campo elétrico, então deve haver uma relação funcional entre elas. De fato, o trabalho das forças de campo no movimento da carga q de um ponto no espaço para outro pode ser representado de duas maneiras:

De onde se segue que

Este é o desejado conexão entre a intensidade e o potencial do campo elétrico em diferencial Formato.

- um vetor dirigido de um ponto de menor potencial para um ponto de maior potencial (Fig. 2.11).

, .

Fig.2.11. Vetores e grauφ. .

Da propriedade da potencialidade do campo eletrostático, segue que o trabalho das forças de campo em uma malha fechada (φ 1 = φ 2) é igual a zero:

para que possamos escrever

A última igualdade reflete a essência segundo teorema principal eletrostática - teoremas de circulação de campo elétrico , de acordo com qual circulação de campo junto circuito fechado arbitrário é igual a zero. Este teorema é uma consequência direta potencialidades campo eletrostático.

10. Potencial de campo elétrico. Relação entre potencial e tensão.

potencial eletrostático(Veja também Potencial de Coulomb ) - escalar energia característica campo eletrostático caracterizando energia potencial campo possuído por um único carregar colocado em um determinado ponto do campo. Unidade de medida potencial é, portanto, uma unidade de medida trabalhar, dividido pela unidade de medida carregar(para qualquer sistema de unidades; mais sobre unidades de medida - ver abaixo).

potencial eletrostático- um termo especial para uma possível substituição do termo geral de eletrodinâmica potencial escalar em um caso particular eletrostática(historicamente, o potencial eletrostático apareceu primeiro, e o potencial escalar da eletrodinâmica é sua generalização). Uso do termo potencial eletrostático determina a presença de um contexto eletrostático. Se tal contexto já é óbvio, muitas vezes se fala simplesmente de potencial sem adjetivos qualificativos.

O potencial eletrostático é igual à razão energia potencial interações carregar com o campo para o valor desta carga:

Força do campo eletrostático e potencial estão relacionados pela relação

ou vice-versa :

Aqui - operador nabla , ou seja, no lado direito da igualdade há um menos gradiente potencial - um vetor com componentes iguais a derivativo privado do potencial ao longo das correspondentes coordenadas cartesianas (retangulares), tomadas com o sinal oposto.

Usando esta proporção e Teorema de Gauss para a intensidade de campo, é fácil ver que o potencial eletrostático satisfaz equação de Poisson. Em unidades do sistema SI:

onde é o potencial eletrostático (em volts), - volumétrico densidade de carga(dentro pingentes por metro cúbico), e - vácuo (em farad por metro).

11. Energia de um sistema de cargas elétricas de ponto fixo.

Energia de um sistema de cargas fixas. Como já sabemos, as forças de interação eletrostática são conservativas; Isso significa que o sistema de cargas tem energia potencial. Vamos procurar a energia potencial de um sistema de duas cargas puntiformes fixas Q 1 e Q 2 que estão a uma distância r uma da outra. Cada uma dessas cargas no campo da outra tem uma energia potencial (usamos a fórmula do potencial de carga solitária): onde φ 12 e φ 21 são, respectivamente, os potenciais que são criados pela carga Q 2 no ponto onde a carga Q 1 e a carga Q 1 no ponto onde a carga Q 2 está localizada. De acordo com, e portanto W 1 = W 2 = W e Adicionando ao nosso sistema de duas cargas sequencialmente as cargas Q 3 , Q 4 , ... , podemos provar que no caso de n cargas fixas, a energia de interação do sistema de cargas puntiformes é igual a (1) onde φ i é o potencial que é criado no ponto onde a carga Q i está localizada, por todas as cargas, exceto pela i-ésima.

12. Dipolo em um campo elétrico. Moléculas polares e apolares. Polarização de dielétricos. Polarização. Ferroelétricos.

Se um dielétrico é colocado em um campo elétrico externo, ele se torna polarizado, ou seja, adquire um momento de dipolo diferente de zero pV = ∑pi onde p é o momento de dipolo de uma molécula. Para produzir uma descrição quantitativa da polarização do dielétrico, uma quantidade vetorial é introduzida - a polarização, que é definida como o momento dipolar de uma unidade de volume do dielétrico:

Sabe-se por experiência que para uma grande classe de dielétricos (com exceção dos ferroelétricos, veja abaixo), a polarização P depende linearmente da intensidade do campo E. Se o dielétrico é isotrópico e E numericamente não é muito grande, então

Ferroelétricos- dielétricos que têm polarização espontânea (espontânea) em uma determinada faixa de temperatura, ou seja, polarização na ausência de um campo elétrico externo. Ferroelétricos incluem, por exemplo, sal de Rochelle NaKC 4 H 4 O 6 4H 2 O estudado em detalhes por I. V. Kurchatov (1903-1960) e P. P. Kobeko (1897-1954) (do qual este nome foi obtido) e titanato de bário ВаТiO 3 .

Polarização de dielétricos- um fenômeno associado a um deslocamento limitado de cobranças dentro dielétrico ou virando elétrica dipolos, geralmente sob a influência de um campo elétrico, às vezes sob a influência de outras forças externas ou espontaneamente.

A polarização dos dielétricos é caracterizada por vetor de polarização elétrica . O significado físico do vetor de polarização elétrica é momento dipolar, por unidade de volume do dielétrico. Às vezes, o vetor de polarização é brevemente referido como simplesmente a polarização.

dipolo elétrico- um sistema eletricamente neutro idealizado, composto por ponto e igual em valor absoluto positivo e negativo cargas eletricas.

Em outras palavras, um dipolo elétrico é uma coleção de duas cargas puntiformes opostas iguais em valor absoluto, localizadas a alguma distância uma da outra.

O produto de um vetor desenhado de uma carga negativa para uma positiva pelo valor absoluto das cargas é chamado de momento de dipolo:

Em um campo elétrico externo, um momento de forças atua sobre um dipolo elétrico, que tende a girá-lo de modo que o momento de dipolo gire ao longo da direção do campo.

A energia potencial de um dipolo elétrico em um campo elétrico (constante) é (no caso de um campo não homogêneo, isso significa que depende não apenas do momento do dipolo - sua magnitude e direção, mas também da localização, ponto onde o dipolo está localizado).

Longe do dipolo elétrico, sua intensidade campo elétrico diminui com a distância, ou seja, mais rápido do que carga pontual ().

Qualquer sistema geralmente eletricamente neutro contendo cargas elétricas, em alguma aproximação (isto é, na verdade em aproximação dipolo) pode ser considerado como um dipolo elétrico com um momento em que é a carga do elemento -th, é seu vetor de raio. Neste caso, a aproximação do dipolo estará correta se a distância na qual o campo elétrico do sistema é estudado for grande em relação às suas dimensões características.

substâncias polares dentro química - substâncias, moléculas possuído momento de dipolo elétrico. As substâncias polares, em comparação com as não polares, são caracterizadas por uma alta a constante dielétrica(mais de 10 na fase líquida), aumentou temperatura de ebulição e temperatura de fusão.

O momento de dipolo geralmente surge devido a diferentes eletro-negatividade constituindo uma molécula átomos, por isso conexões na molécula adquirir polaridade. No entanto, a aquisição de um momento de dipolo requer não apenas a polaridade das ligações, mas também sua correspondente localização no espaço. Moléculas em forma de moléculas metano ou dióxido de carbono, são apolares.

Polar solventes de boa vontade dissolver substâncias polares, e também têm a capacidade solvataríons. Exemplos de solventes polares são agua, álcoois e outras substâncias.

13. Intensidade do campo elétrico em dielétricos. deslocamento elétrico. Teorema de Gauss para o campo em dielétricos.

A intensidade do campo eletrostático, de acordo com (88.5), depende das propriedades do meio: em um meio isotrópico homogêneo, a intensidade do campo Eé inversamente proporcional a . Vetor de tensão E, passando pela fronteira dos dielétricos, sofre uma mudança abrupta, criando assim inconveniência no cálculo dos campos eletrostáticos. Portanto, tornou-se necessário, além do vetor de intensidade, caracterizar o campo também vetor de deslocamento elétrico, que para um meio eletricamente isotrópico, por definição, é igual a

Usando as fórmulas (88.6) e (88.2), o vetor de deslocamento elétrico pode ser expresso como

A unidade de deslocamento elétrico é um pendente por metro quadrado (C/m2).

Considere o que pode ser associado ao vetor deslocamento elétrico. Cargas ligadas aparecem em um dielétrico na presença de um campo eletrostático externo criado por um sistema de cargas elétricas livres, ou seja, em um dielétrico, um campo adicional de cargas ligadas é sobreposto ao campo eletrostático de cargas livres. Campo de resultado em um dielétrico é descrito pelo vetor de intensidade de campo E, e, portanto, depende das propriedades do dielétrico. Vetor D descreve o campo eletrostático gerado cobranças gratuitas. Cargas ligadas que surgem no dielétrico, no entanto, podem causar uma redistribuição de cargas livres que criam um campo. Portanto, o vetor D caracteriza o campo eletrostático criado cobranças gratuitas(ou seja, no vácuo), mas com sua distribuição no espaço, que é na presença de um dielétrico.

Igual ao campo E, campo D retratado com linhas de deslocamento elétrico, cuja direção e densidade são determinadas exatamente da mesma maneira que para as linhas de tensão (ver § 79).

Linhas vetoriais E pode começar e terminar em qualquer carga - livre e limitada, enquanto as linhas do vetor D - apenas com taxas gratuitas. Através das áreas do campo onde as cargas ligadas estão localizadas, as linhas do vetor D passar sem interrupção.

Para arbitrário fechado superfícies S vetor de fluxo D por esta superfície

Onde D n- projeção vetorial D ao normal n para o site d S.

Teorema de Gauss por campo eletrostático em um dielétrico:

(89.3)

isto é, o fluxo do vetor de deslocamento do campo eletrostático no dielétrico através de uma superfície fechada arbitrária é igual à soma algébrica do campo fechado dentro dessa superfície gratuitamente cargas eletricas. Nesta forma, o teorema de Gauss é válido para um campo eletrostático tanto para meios homogêneos e isotrópicos, quanto para meios não homogêneos e anisotrópicos.

Para vácuo D n =  0 E n ( =1), então o fluxo vetorial de intensidade E através de uma superfície fechada arbitrária (cf. (81.2)) é

Uma vez que as fontes do campo E no meio são cargas livres e ligadas, então o teorema de Gauss (81.2) para o campo E na forma mais geral pode ser escrita como

onde são, respectivamente, as somas algébricas de cargas livres e ligadas cobertas por uma superfície fechada S. No entanto, esta fórmula é inaceitável para descrever o campo E em um dielétrico, uma vez que expressa as propriedades de um campo desconhecido E através de cargas vinculadas, que, por sua vez, são determinadas por ela. Isso prova mais uma vez a conveniência de introduzir o vetor deslocamento elétrico.

. Intensidade do campo elétrico em um dielétrico.

Em concordância com princípio de superposição o campo elétrico no dielétrico é composto vetorialmente pelo campo externo e pelo campo de cargas de polarização (Fig. 3.11).

ou em termos absolutos

Vemos que a magnitude da intensidade do campo em um dielétrico é menor do que no vácuo. Em outras palavras, qualquer dielétrico enfraquece campo elétrico externo.

Fig.3.11. Campo elétrico em um dielétrico.

Indução de campo elétrico , onde , , isto é . Por outro lado, de onde encontramos que ε 0 E 0 = ε 0 εE e, consequentemente, a intensidade do campo elétrico em isotrópico dielétrico é:

Esta fórmula revela significado físico permissividade e mostra que a intensidade do campo elétrico no dielétrico é vezes menor do que no vácuo. A partir daqui segue uma regra simples: para escrever as fórmulas da eletrostática em um dielétrico, é necessário nas fórmulas correspondentes da eletrostática a vácuo ao lado atribuir .

Em particular, lei de Coulomb na forma escalar é escrito como:

14. Capacidade elétrica. Capacitores (planos, esféricos, cilíndricos), suas capacidades.

O capacitor consiste em dois condutores (placas), que são separados por um dielétrico. A capacitância do capacitor não deve ser afetada pelos corpos circundantes, de modo que os condutores são moldados de forma que o campo criado pelas cargas acumuladas seja concentrado em um espaço estreito entre as placas do capacitor. Esta condição é satisfeita por: 1) duas placas planas; 2) duas esferas concêntricas; 3) dois cilindros coaxiais. Portanto, dependendo da forma das placas, os capacitores são divididos em plana, esférica e cilíndrica.

Como o campo está concentrado dentro do capacitor, as linhas de tensão começam em uma placa e terminam na outra, de modo que as cargas livres que surgem em placas diferentes são iguais em magnitude e de sinais opostos. Debaixo capacidade capacitor é entendido como uma quantidade física igual à razão entre a carga Q acumulada no capacitor e a diferença de potencial (φ 1 - φ 2) entre suas placas: (1) Encontre a capacitância de um capacitor plano, que consiste em dois placas de metal com área S cada, localizadas a uma distância d e com cargas +Q e –Q. Se assumirmos que a distância entre as placas é pequena em comparação com suas dimensões lineares, então os efeitos de borda nas placas podem ser desprezados e o campo entre as placas pode ser considerado uniforme. Ele pode ser encontrado usando a fórmula do potencial de campo de dois planos infinitos paralelos de cargas opostas φ 1 -φ 2 =σd/ε 0 . Dada a presença de um dielétrico entre as placas: (2) onde ε é a permissividade. Então, da fórmula (1), substituindo Q=σS, levando em consideração (2), encontramos uma expressão para a capacitância de um capacitor plano: (3) Para determinar a capacitância de um capacitor cilíndrico, que consiste em dois cilindros coaxiais ocos com raios r 1 e r 2 (r 2 > r 1), um é inserido no outro, novamente desprezando os efeitos de borda, consideramos o campo radialmente simétrico e atuando apenas entre placas cilíndricas. A diferença de potencial entre as placas é calculada pela fórmula da diferença de potencial do campo de um cilindro infinito uniformemente carregado com uma densidade linear τ = Q/ eu (eu- o comprimento das placas). Na presença de um dielétrico entre as placas, a diferença de potencial (4) Substituindo (4) em (1), encontramos a expressão para a capacitância de um capacitor cilíndrico: (5) Para encontrar a capacitância de um capacitor esférico, que consiste em duas placas concêntricas separadas por uma camada dielétrica esférica, usamos a fórmula para a diferença de potencial entre dois pontos situados a distâncias r 1 e r 2 (r 2 > r 1) do centro de uma superfície esférica carregada. Na presença de um dielétrico entre as placas, a diferença de potencial (6) Substituindo (6) em (1), obtemos

Capacidade elétrica- uma característica de um condutor, uma medida de sua capacidade de acumular carga elétrica. Na teoria dos circuitos elétricos, a capacitância é a capacitância mútua entre dois condutores; parâmetro do elemento capacitivo do circuito elétrico, apresentado na forma de uma rede de dois terminais. Essa capacitância é definida como a razão entre a magnitude da carga elétrica e a diferença potencial entre esses condutores.

No sistema SI capacitância é medida em farad. No sistema GHS dentro centímetros.

Para um único condutor, a capacitância é igual à razão entre a carga do condutor e seu potencial, assumindo que todos os outros condutores infinitamente removido e que o potencial de um ponto no infinito é tomado igual a zero. Na forma matemática, esta definição tem a forma

Onde - carregar, é o potencial do condutor.

A capacitância é determinada pelas dimensões geométricas e forma do condutor e pelas propriedades elétricas do ambiente (sua constante dielétrica) e não depende do material do condutor. Por exemplo, a capacitância de uma esfera condutora de raio Ré igual a (no sistema SI):

Onde ε 0 - constante elétrica, ε - .

O conceito de capacitância também se aplica a um sistema de condutores, em particular, a um sistema de dois condutores separados por dielétrico ou vácuo, - para capacitor. Nesse caso capacitância mútua esses condutores (placas do capacitor) serão iguais à razão entre a carga acumulada pelo capacitor e a diferença de potencial entre as placas. Para um capacitor plano, a capacitância é:

Onde S- a área de um forro (supõe-se que sejam iguais), d- a distância entre as placas, ε - permissividade relativa ambientes entre as placas, ε 0 = 8,854 10 −12 f/m - constante elétrica.

Capacitor(a partir de lat. condensado- “compacto”, “engrossar”) - bipolar com um significado específico containers e pequeno ôhmico condutividade; dispositivo de armazenamento carregar e energia do campo elétrico. O capacitor é um componente eletrônico passivo. Geralmente consiste em dois eletrodos em forma de placa (chamados de fachadas), separados dielétrico, cuja espessura é pequena em comparação com as dimensões das placas.

15. Conexão de capacitores (paralelo e série)

Além do que é mostrado na Fig. 60 e 61, bem como na fig. 62, e a conexão paralela de capacitores, em que todas as placas positivas e negativas são conectadas umas às outras, às vezes os capacitores são conectados em série, ou seja, de modo que a placa negativa Arroz. 62. Conexão de capacitores: a) paralelo; b) sequencial o primeiro capacitor foi conectado à placa positiva do segundo, a placa negativa do segundo - à placa positiva do terceiro, etc. (Fig. 62, b). No caso de uma conexão paralela, todos os capacitores são carregados com a mesma diferença de potencial U, mas as cargas sobre eles podem ser diferentes. Se suas capacitâncias forem iguais a C1, C2, ..., Cn, as cargas correspondentes serão A carga total em todos os capacitores e, portanto, a capacitância de todo o sistema de capacitores (35.1) Portanto, a capacitância de um grupo de capacitores conectados em paralelo é igual à soma das capacitâncias de capacitores individuais. No caso de capacitores conectados em série (Fig. 62, b), as cargas em todos os capacitores são as mesmas. De fato, se colocarmos, por exemplo, uma carga +q na placa esquerda do primeiro capacitor, devido à indução, uma carga -q aparecerá em sua placa direita e uma carga +q aparecerá na placa esquerda de o segundo capacitor. A presença desta carga na placa esquerda do segundo capacitor, novamente devido à indução, cria uma carga -q na placa direita e uma carga +q na placa esquerda do terceiro capacitor etc. cada um dos capacitores conectados em série é igual a q. A tensão em cada um desses capacitores é determinada pela capacitância do capacitor correspondente: onde Ci é a capacitância de um capacitor. A tensão total entre as placas extremas (livres) de todo o grupo de capacitores Portanto, a capacitância de todo o sistema de capacitores é determinada pela expressão (35.2) A partir desta fórmula pode-se ver que a capacitância de um grupo de capacitores conectados em série é sempre menor que a capacitância de cada um desses capacitores individualmente.

16. Energia do campo elétrico e sua densidade aparente.

Energia do campo elétrico. A energia de um capacitor carregado pode ser expressa em termos de grandezas que caracterizam o campo elétrico no espaço entre as placas. Vamos fazer isso usando o exemplo de um capacitor plano. Substituindo a expressão para capacitância na fórmula para a energia de um capacitor dá

Privado você / d igual à intensidade do campo no intervalo; trabalhar S· dé o volume V ocupado pelo campo. Conseqüentemente,

Se o campo for uniforme (que é o caso de um capacitor plano a uma distância d muito menor que as dimensões lineares das placas), então a energia contida nela é distribuída no espaço com densidade constante W. Então densidade de energia em massa campo elétrico é

Levando em conta a relação, podemos escrever

Em um dielétrico isotrópico, as direções dos vetores D e E combine e substitua a expressão, obtemos

O primeiro termo nesta expressão coincide com a densidade de energia do campo no vácuo. O segundo termo é a energia gasta na polarização do dielétrico. Vamos mostrar isso pelo exemplo de um dielétrico apolar. A polarização de um dielétrico apolar é que as cargas que compõem as moléculas são deslocadas de suas posições sob a influência de um campo elétrico E. Por unidade de volume do dielétrico, o trabalho gasto no deslocamento de cargas q eu por d r eu, é

A expressão entre parênteses é o momento dipolar por unidade de volume ou a polarização do dielétrico R. Conseqüentemente, . Vetor P vinculado ao vetor E Razão . Substituindo esta expressão na fórmula do trabalho, obtemos

Tendo realizado a integração, determinamos o trabalho gasto na polarização de uma unidade de volume do dielétrico

Conhecendo a densidade de energia do campo em cada ponto, você pode encontrar a energia do campo contido em qualquer volume V. Para fazer isso, você precisa calcular a integral:

17. Corrente elétrica contínua, suas características e condições de existência. Lei de Ohm para uma seção homogênea de um circuito (formas integral e diferencial)

Para a existência de uma corrente elétrica direta, é necessária a presença de partículas carregadas livres e a presença de uma fonte de corrente. em que se realiza a conversão de qualquer tipo de energia em energia de um campo elétrico.

Fonte atual - um dispositivo no qual qualquer tipo de energia é convertida em energia de um campo elétrico. Em uma fonte de corrente, forças externas atuam sobre partículas carregadas em um circuito fechado. As razões para o aparecimento de forças externas em várias fontes atuais são diferentes. Por exemplo, em baterias e células galvânicas, forças externas surgem devido ao fluxo de reações químicas, em geradores de usinas surgem quando um condutor se move em um campo magnético, em fotocélulas - quando a luz age sobre elétrons em metais e semicondutores.

A força eletromotriz da fonte de corrente chamado de razão entre o trabalho das forças externas e o valor da carga positiva transferida do pólo negativo da fonte de corrente para o positivo.

As linhas de campo elétrico têm um começo e um fim. Eles começam nas cargas positivas e terminam nas negativas.

As linhas de força do campo elétrico são sempre perpendiculares à superfície do condutor.

· A distribuição das linhas de campo elétrico determina a natureza do campo. O campo pode ser radial(se as linhas de força saem de um ponto ou convergem em um ponto), homogêneo(se as linhas de força são paralelas) e heterogêneo(se as linhas de força não forem paralelas).

20) Lembro que essas são as características energéticas do campo elétrico.

O potencial do campo elétrico em qualquer ponto é definido como

.

e é igual à energia potencial de uma carga unitária introduzida em um dado ponto do campo.

Se a carga for movida no campo do ponto 1 para o ponto 2, surge uma diferença de potencial entre esses pontos

.

O significado da diferença de potencial: é o trabalho de um campo elétrico para mover uma carga de um ponto para outro.

O potencial de campo também pode ser interpretado em termos de trabalho. Se v.2 está no infinito, onde não há campo (), então é o trabalho do campo para mover a carga de um dado ponto ao infinito. O potencial do campo criado por uma única carga é calculado como .

Superfícies, em cada ponto em que os potenciais de campo são os mesmos, são chamadas de superfícies equipotenciais. No campo dipolar, as superfícies potenciais são distribuídas da seguinte forma:

O potencial do campo formado por várias cargas é calculado de acordo com o princípio da superposição: .

a) Cálculo do potencial no ponto A, localizado fora do eixo do dipolo:

Vamos encontrar a partir do triângulo ( ). Obviamente, . então e .

.

b) Entre os pontos A e B, equidistantes do dipolo a uma distância

() a diferença de potencial é definida como (aceitamos sem prova, que você encontrará no livro de Remizov)

.

c) Pode-se mostrar que se o dipolo está no centro de um triângulo equilátero, então a diferença de potencial entre os vértices do triângulo está relacionada com a projeção do vetor nos lados desse triângulo ( ).

21) - o trabalho do campo elétrico ao longo das linhas de força é calculado.

1. O trabalho em um campo elétrico não depende da forma do caminho.

2. Não é realizado trabalho perpendicular às linhas de força.

3. Em uma malha fechada, nenhum trabalho é realizado em um campo elétrico.

Energia característica do campo elétrico (dança).

1) Significado físico:

Se C, então (numericamente), desde que a carga colocada a um dado ponto do campo elétrico.

Unidade de medida:

2) Significado físico:

Se uma única carga pontual positiva é colocada em um determinado ponto, então (numericamente), ao se mover de um determinado ponto para o infinito.

Δφ - a diferença entre a dança de dois pontos do campo elétrico.

U - voltagem - "y" é a diferença entre as danças de dois pontos do campo elétrico.

[U]=V (Volt)

Significado físico:

Se , então (numericamente) ao passar de um ponto do campo para outro.

Relação entre estresse e tensão:

22) Em um campo eletrostático, todos os pontos do condutor têm o mesmo potencial, que é proporcional à carga do condutor, ou seja, a razão entre a carga q e o potencial φ não depende da carga q. (Um campo eletrostático é um campo que envolve cargas estacionárias). Portanto, acabou sendo possível introduzir o conceito de capacitância elétrica C de um condutor solitário:

A capacidade elétrica é um valor numericamente igual à carga que deve ser informada ao condutor para que seu potencial mude em um.

A capacitância é determinada pelas dimensões geométricas do condutor, sua forma e as propriedades do ambiente e não depende do material do condutor.

Unidades de medida para quantidades incluídas na definição de capacidade:

Capacidade - designação C, unidade de medida - Farad (Ф, F);

Carga elétrica - designação q, unidade de medida - pendente (C, C);

φ - potencial de campo - volt (V, V).

É possível criar um sistema de condutores, que terá uma capacidade muito maior do que um único condutor, independente dos corpos circundantes. Tal sistema é chamado de capacitor. O capacitor mais simples consiste em duas placas condutoras localizadas a uma pequena distância uma da outra (Fig. 1.9). O campo elétrico do capacitor está concentrado entre as placas do capacitor, ou seja, dentro dele. Capacidade do capacitor:

C \u003d q / (φ1 - φ2) \u003d q/U

(φ1 - φ2) - diferença de potencial entre as placas do capacitor, ou seja, Tensão.

A capacitância de um capacitor depende de seu tamanho, forma e constante dielétrica ε do dielétrico localizado entre as placas.

C = ε∙εo∙S / d, onde

S - área de revestimento;

d é a distância entre as placas;

ε é a permissividade do dielétrico entre as placas;

εo - constante elétrica 8,85∙10-12F/m.

Se for necessário aumentar a capacitância, os capacitores são conectados em paralelo.

Fig.1.10. Ligação paralela de condensadores.

Cto = C1 + C2 + C3

Quando conectados em paralelo, todos os capacitores estão sob a mesma tensão e sua carga total é Q. Neste caso, cada capacitor receberá uma carga Q1, Q2, Q3, ...

Q = Q1 + Q2 + Q3

Q1 = C1∙U; Q2 = C2∙U; Q3 = C3∙U. Substituindo na equação acima:

C∙U = C1∙U + C2∙U + C3∙U, de onde C = C1 + C2 + C3 (e assim por diante para qualquer número de capacitores).

Quando conectado em série:

Fig.1.11. Ligação em série de condensadores.

1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + ∙∙∙∙∙ + 1/ Cn

Saída da fórmula:

Tensão nos capacitores individuais U1, U2, U3,..., Un. Tensão total de todos os capacitores:

U = U1 + U2 + ∙∙∙∙∙ + Un,

dado que U1 = Q/C1; U2 = Q/C2; Un = Q / Cn, substituindo e dividindo por Q, obtemos a razão para calcular a capacitância de um circuito com uma conexão em série de capacitores

Unidades de capacitância:

F-farad. Este é um valor muito grande, então valores menores são usados:

1 µF = 1 µF = 10-6F (microfarad);

1 nF = 1 nF = 10-9 F (nano farad);

1pF = 1pF = 10-12F (picofarad).

23) Se um condutor é colocado em um campo elétrico então uma força atuará sobre as cargas livres q no condutor. Como resultado, ocorre um movimento de curto prazo de cargas livres no condutor. Este processo terminará quando o próprio campo elétrico das cargas que surgiram na superfície do condutor compensar completamente o campo externo. O campo eletrostático resultante dentro do condutor será zero (ver § 43). No entanto, em condutores, sob certas condições, pode ocorrer um movimento ordenado contínuo de portadores de carga elétrica livres. Esse movimento é chamado de corrente elétrica. A direção do movimento de cargas livres positivas é tomada como a direção da corrente elétrica. Para a existência de uma corrente elétrica em um condutor, duas condições devem ser atendidas:

1) a presença de cargas livres no condutor - portadores de corrente;

2) a presença de um campo elétrico no condutor.

A medida quantitativa da corrente elétrica é a intensidade da corrente EU- uma quantidade física escalar igual à razão da carga Δq transferida através da seção transversal do condutor (Fig. 11.1) ao longo do intervalo de tempo Δt para este intervalo de tempo:

O movimento ordenado dos portadores de corrente livre no condutor é caracterizado pela velocidade do movimento ordenado dos portadores. Essa velocidade é chamada velocidade de deriva operadoras atuais. Deixe um condutor cilíndrico (Fig. 11.1) ter uma seção transversal com uma área S. No volume do condutor, limitado pelas seções transversais 1 e 2 com distância ∆ X entre eles contém o número de portadores atuais ∆ N= nS∆X, Onde né a concentração de portadores atuais. Sua carga total ∆q = q 0 ∆ N= q0 nS∆X. Se, sob a ação de um campo elétrico, os portadores de corrente se movem da esquerda para a direita com uma velocidade de deriva v dr, então no tempo ∆ t=∆x/v dr todos os portadores contidos neste volume passarão pela seção transversal 2 e criarão uma corrente elétrica. A força atual é:

. (11.2)

densidade atual chamou a magnitude da corrente elétrica que flui através da área unitária da seção transversal do condutor:

. (11.3)

Em um condutor metálico, os portadores de corrente são os elétrons livres do metal. Vamos encontrar a velocidade de deriva dos elétrons livres. Com uma intensidade de corrente I \u003d 1A, a área da seção transversal do condutor S\u003d 1mm 2, a concentração de elétrons livres (por exemplo, em cobre) n\u003d 8,5 10 28 m -3 e q 0 \u003d e \u003d 1,6 10 -19 C temos:

v dr = .

Vemos que a velocidade do movimento direcionado dos elétrons é muito pequena, muito menor do que a velocidade do movimento térmico caótico dos elétrons livres.

Se a força da corrente e sua direção não mudam com o tempo, essa corrente é chamada de constante.

No Sistema Internacional de Unidades SI, a corrente é medida em amperes (MAS). A unidade de corrente 1 A é definida pela interação magnética de dois condutores paralelos com a corrente.

Uma corrente elétrica constante pode ser gerada em um circuito fechado no qual os portadores de carga livre circulam em caminhos fechados. Mas ao mover uma carga elétrica em um campo eletrostático ao longo de um caminho fechado, o trabalho das forças elétricas é zero. Portanto, para a existência de corrente contínua, é necessário ter um dispositivo no circuito elétrico que possa criar e manter diferenças de potencial em seções do circuito devido ao trabalho de forças de origem não eletrostática. Tais dispositivos são chamados de fontes de corrente contínua. As forças de origem não eletrostática que atuam em portadores de carga livre de fontes de corrente são chamadas de forças externas.

A natureza das forças externas pode ser diferente. Em células galvânicas ou baterias, elas surgem como resultado de processos eletroquímicos; em geradores DC, forças externas surgem quando os condutores se movem em um campo magnético. Sob a ação de forças externas, as cargas elétricas se movem dentro da fonte de corrente contra as forças do campo eletrostático, devido ao qual uma corrente elétrica constante pode ser mantida em um circuito fechado.

Quando as cargas elétricas se movem ao longo de um circuito CC, as forças externas que atuam dentro das fontes de corrente realizam trabalho.

Quantidade física igual à razão do trabalho A rua forças externas ao mover a carga q do pólo negativo da fonte de corrente para o positivo para o valor desta carga, é chamado de força eletromotriz da fonte (EMF):

ε . (11.2)

Assim, a EMF é determinada pelo trabalho realizado por forças externas ao mover uma única carga positiva. A força eletromotriz, como a diferença de potencial, é medida em volts (V).

Quando uma única carga positiva se move ao longo de um circuito CC fechado, o trabalho das forças externas é igual à soma da EMF agindo neste circuito e o trabalho do campo eletrostático é zero.