Site Loader

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов. Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение проводника, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.

Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Сила тока — физическая величина, определяющая величину электрического заряда, перемещаемого в единицу времени через поперечное сечение повода  Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным.                                                                                                          Сила тока, подобно заряду,— величина скалярная. Она может быть как

положительной, так и отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принять за положительное. Cила тока I>0, если направление тока совпадает с условно выбранным, положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I<0. Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, концентрации частиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника. Измеряется в (А).

Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо, во-первых, наличие свободных заряженыхчастиц. Если положительные и отрицательные заряды связаны друг с другом в атомах или молекулах, то их перемещение не приведет к появлению электрического тока.                                                                                                                   Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима, во-вторых, сила, действующая на них в определенном направлении.

Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за сопротивления, оказываемого их движению ионами кристаллической решетки металлов или нейтральными молекулами электролитов.                                                                                                                                                На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой F=qE. Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.

Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника существует разность потенциалов.

Когда разность потенциалов не меняется во времени, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.                                                                             

Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца.

Работа токаравна: A=IU∆t или A=qU, если ток постоянный, то из закона Ома:

q = It → Iut

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.Нагревание происходит, если сопротивление провода высокое                                                                                Мощность тока.Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени.                                                                              

Мощность тока равна отношению работы тока за время ∆t к этому интервалу времени . Согласно этому определению:

Количество теплоты определяется по закону Джоуля – Ленца:

Если электроток протекает в цепи, где не происходят хим. Реакции и не совершается механическая работа, то энергия электрополя превращается во внутреннюю энергию проводника и его температура возрастает. Путем теплообмена эта энергия передается окружающим, более холодным телам. Из закона сохранения энергии следует, что количество теплоты равно работе электрического тока:

(формула)

Этот закон называется законом Джоуля- Ленца.

Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Закон Ампера.Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют

магнитными. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.                                                                                        Магнитное поле.Согласно теории близкодействия ток в одном из проводников не может непосредственно действовать на ток в другом проводнике. В пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным. Электрический ток в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток во втором проводнике. А поле, созданное электрическим током второго проводника, действует на первый.

В ускорителе заряженных частиц 1) и электрическое, и магнитное поле изменяет направление движения заряженной частицы 2) электрическое поле изменяет направление движения заряженной частицы 3) постоянно

Задание № 15069

В ускорителе заряженных частиц

1) и электрическое, и магнитное поле изменяет направление движения заряженной частицы

2) электрическое поле изменяет направление движения заряженной частицы

3) постоянное магнитное поле ускоряет заряженные частицы

4) электрическое поле ускоряет заряженные частицы

Коллайдер

Для получения заряженных частиц высоких энергий используются ускорители заряженных частиц. В основе работы ускорителя лежит взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Ускорение создается электрическим полем, способным изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Постоянное магнитное поле изменяет направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории).

По назначению ускорители классифицируются на коллайдеры, источники нейтронов, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители и др. Коллайдер — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для изучения продуктов их соударений. Благодаря коллайдерам учёным удаётся сообщить частицам высокую кинетическую энергию, а после их столкновений — наблюдать образование других частиц.

Самым крупным кольцевым ускорителем в мире является Большой адронный коллайдер (БАК), построенный в научно-исследовательском центре Европейского совета ядерных исследований, на границе Швейцарии и Франции. В создании БАК принимали участие ученые всего мира, в том числе и из России. Большим коллайдер назван из-за своих размеров: длина основного кольца ускорителя составляет почти 27 км; адронным — из-за того, что он ускоряет адроны (к адронам относятся, например, протоны). Коллайдер размещён в тоннеле на глубине от 50 до 175 метров. Два пучка частиц могут двигаться в противоположном направлении на огромной скорости (коллайдер разгонит протоны до скорости 0,999999998 от скорости света). Однако в ряде мест их маршруты пересекутся, что позволит им сталкиваться, создавая при каждом соударении тысячи новых частиц. Последствия столкновения частиц и станут главным предметом изучения. Ученые надеются, что БАК позволит узнать, как происходило зарождение Вселенной.


Показать ответ

Комментарий:

Для получения заряженных частиц высоких энергий используются ускорители заряженных частиц. В основе работы ускорителя лежит взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Ускорение создается электрическим полем, способным изменять энергию частиц, обладающих электрическим зарядом. Постоянное магнитное поле изменяет направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Вывод: ускорение создается электрическим полем, изменение направления движения создается магнитным полем.

Ответ: 4

Предложи свой вариант решения в комментах 👇🏻

объясните процесс возникновения электрического тока в газах

Про плазму — мимо цели. Не каждый ионизованный газ является плазмой. Для возникновения тока нужны два условия 1. Наличие свободных зарядов, способных двигаться 2. Разность потенциалов (тоже самое — электрическое поле, т. к. одно связано с другим) Тогда возникает направленное движение заряженных частиц — ток. В газе (в том числе в воздухе) всегда имеется какое-то количество ионов и электронов. Их концентрация зависит от температуры и сорта газа. Всегда найдутся молекулы (атомы) у которых достаточно большая кин. энергия (больше потенциала ионизации нейтральной молекулы) , чтобы при столкновении произошла ионизация. Чем больше температура, тем больше средняя кин. энергия молекул, тем больше частиц с большой энергией. Но эти токи оч. малы — концентрации электронов (ионов) в газе малы. Пробой газа возникает так. Повышаем электрическое поле. Ток оч мал (почти ноль) и растет линейно с напряжением (концентрация электронов не меняется, а вот скорость их растет) . Как движется электрон? Он периодически сталкивается с молекулами газа. В промежутке между столкновений ускоряется, при столкновении теряет скорость. С ростом поля средняя скорость растет. Наконец, поле стало столь большим, что между столкновениями электрон набрал кин. энергию больше потенциала ионизации молекулы — теперь при столкновении он не просто теряет скорость, он еще рождает другой электрон. Уже два электрона ускоряются в поле, сталкиваются с молекулами и каждый рождает по электрону — пошла лавина — начался пробой в газе Ток увеличивается с ростом напряжения нелинейно, т. к. растет и средняя скорость и концентрация зарядов

Да все то же напряжение — только возникает ионизация и газ превращается в плазму.

3.2. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях

Электромагнитная сила, действующая на заряженную частицу, складывается из сил, действующих со стороны электрического и магнитного полей:

. (3.2)

Силу, определяемую формулой (3.2), называют обобщенной силой Лоренца. Учитывая действие двух полей, электрического и магнитного, говорят, что на заряженную частицу действует электромагнитное поле.

Рассмотрим движение заряженной частицы в одном только электрическом поле. При этом здесь и далее предполагается, что частица нерелятивистская, т.е. ее скорость существенно меньше скорости света. На частицу действует только электрическая составляющая обобщенной силы Лоренца . Согласно второму закону Ньютона частица движется с ускорением:

, (3.3)

которое направленно вдоль вектора в случае положительного заряда и против векторав случае отрицательного заряда.

Разберем важный случай движения заряженной частицы в однородном электрическом поле. В этом случае частица движется равноускоренно (). Траектория движения частицы зависит от направления ее начальной скорости. Если начальная скорость равна нулю или направлена вдоль вектора, движение частицы прямолинейное и равноускоренное. Если же начальная скорость частицы направлена под углом к вектору, то траекторией движения частицы будет парабола. Траектории движения заряженной частицы в однородном электрическом поле такие же, как и траектории свободно (без сопротивления воздуха) падающих тел в гравитационном поле Земли, которое вблизи поверхности Земли можно считать однородным.

Пример 3.1. Определить конечную скорость частицы массой и зарядом, пролетевшей в однородном электрическом полерасстояние . Начальная скорость частицы равна нулю.

Решение. Так как поле однородно, а начальная скорость частицы равна нулю, движение частицы будет прямолинейным равноускоренным. Запишем уравнения прямолинейного равноускоренного движения с нулевой начальной скоростью:

.

Подставим величину ускорения из уравнения (3.3) и получим:

.

В однородном поле (см. 1.21). Величинуназывают ускоряющей разностью потенциалов. Таким образом, скорость, которую набирает частица, проходя ускоряющую разность потенциалов:

. (3.4)

При движении в неоднородных электрических полях ускорение заряженных частиц переменное, и траектории будут более сложными. Однако, задачу о нахождении скорости частицы, прошедшей ускоряющую разность потенциалов , можно решить исходя из закона сохранения энергии. Энергия движения заряженной частицы (кинетическая энергия) изменяется за счет работы электрического поля:

.

Здесь использована формула (1.5) для работы электрического поля по перемещению заряда . Если начальная скорость частицы равна нулю () или мала по сравнению с конечной скоростью, получим:, откуда следует формула (3.4). Таким образом, эта формула остается справедливой и в случае движения заряженной частицы в неоднородном поле. В этом примере показаны два способа решения физических задач. Первый способ основан на непосредственном применении законов Ньютона. Если же действующие на тело силы переменны, бывает более целесообразным использование второго способа, основанного на законе сохранения энергии.

Теперь рассмотрим движение заряженных частиц в магнитных полях. Изменение кинетической энергии частицы в магнитном поле могло бы произойти только за счет работы силы Лоренца: . Но работа силы Лоренца всегда равна нулю, значит кинетическая энергия частицы, а вместе с тем и модуль ее скорости не изменяются. Заряженные частицы движутся в магнитных полях с постоянными по модулю скоростями. Если электрическое поле может быть ускоряющим по отношению к заряженной частице, то магнитное поля может быть только отклоняющим, т. е. изменять лишь направление ее движения.

Рассмотрим варианты траекторий движения заряда в однородном поле.

1. Вектор магнитной индукции параллелен или антипараллелен начальной скорости заряженной частицы. Тогда из формулы (3.1) следует . Следовательно, частица будет двигаться прямолинейно и равномерно вдоль линий магнитного поля.

2. Вектор магнитной индукции перпендикулярен начальной скорости частицы (на рис. 3.2 вектор магнитной индукции направлен за плоскость чертежа). Второй закон Ньютона для частицы имеет вид:

или.

Сила Лоренца постоянна по величине и направлена перпендикулярно скорости и вектору магнитной индукции. Значит, частица будет двигаться все время в одной плоскости. Кроме того, из второго закона Ньютона следует, что и ускорение частицы будет постоянно по величине и перпендикулярно скорости. Это возможно только тогда, когда траектория частицы – окружность, а ускорение частицы  центростремительное. Подставляя во второй закон Ньютона величину центростремительного ускорения и величину силы Лоренца, находим радиус окружности:

. (3.5)

Отметим, что период вращения частицы не зависит от ее скорости:

.

3. В общем случае вектор магнитной индукции может быть направлен под некоторым углом к начальной скорости частицы (рис. 3.3). Прежде всего, отметим еще раз, что скорость частицы по модулю остается постоянной и равной величине начальной скорости. Скоростьможно разложить на две составляющие: параллельную вектору магнитной индукциии перпендикулярную вектору магнитной индукции.

Ясно, что если бы частица влетела в магнитное поле, имея только составляющую , то она в точности как в случае 1 двигалась бы равномерно по направлению вектора индукции.

Если бы частица влетела в магнитное поле, имея одну только составляющую скорости , то она оказалась бы в тех же условиях, что и в случае 2. И, следовательно, двигалась бы по окружности, радиус которой определяется опять-таки из второго закона Ньютона:

.

Таким образом, результирующее движение частицы представляет собой одновременно равномерное движение вдоль вектора магнитной индукции со скоростью и равномерное вращение в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции со скоростью. Траектория такого движения представляет собой винтовую линию или спираль (см. рис. 3.3). Шаг спирали– расстояние, пролетаемое частицей вдоль вектора индукции за время одного оборота:

.

Откуда известны массы мельчайших заряженных частиц (электрона, протона, ионов)? Каким образом удается их «взвесить» (ведь, на весы их не положишь!)? Уравнение (3.5) показывает, что для определения массы заряженной частицы нужно знать радиус ее трека при движении в магнитном поле. Радиусы треков мельчайших заряженных частиц определяют с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, или с помощью более совершенной пузырьковой камеры. Принцип их работы прост. В камере Вильсона частица движется в пересыщенном водяном паре и является ядром конденсации пара. Микрокапельки, конденсирующиеся при пролете заряженной частицы, отмечают ее траекторию. В пузырьковой камере (изобретенной лишь полвека назад американским физиком Д. Глейзером) частица движется в перегретой жидкости, т.е. нагретой выше точки ее кипения. Это состояние неустойчиво и при пролете частицы происходит вскипание, вдоль ее следа образуется цепочка пузырьков. Подобную картину можно наблюдать, бросив в стакан с пивом крупинку поваренной соли: падая, она оставляет след из пузырьков газа. Пузырьковые камеры являются важнейшим инструментом для регистрации мельчайших заряженных частиц, являясь по сути, основными информативными приборами экспериментальной ядерной физики.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *