Электричество как раздел физики

Раздел физики электричество и магнетизм (электродинамика) изучают электромагнитные взаимодействия. Носителем данных взаимодействий является электромагнитное поле, оно представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей: магнитного и электрического.

Учения про электричество, в наши дни основано на уравнениях Максвелла, они определяют поля через их вихри и источник.

Электрические факты в истории

Электрические явления были известны еще в глубокой древности, среди них можно выделить следующие факты:

1. Около 500 лет до н. э. Фалес Милетский обнаружил, что янтарь потертый шерстью легко притягивает легкие пушинки. Даже его дочь, когда чистила шерстью янтарное веретено увидела данный эффект. Слово «электрон», переводится с греческого как «янтарь», отсюда произошел термин «электричество». Данное понятие ввел в. XVI веке английский врач Гильберт. После ряда опытов он обнаружил, что ряд веществ электризуется.
2. В Вавилоне (4000 лет назад) были обнаружены сосуды из глины, они содержат медный и железный стержни. На дне был битум, который изолирует материал. Стержни разъединялись уксусной или лимонной кислотой, то есть эта находка напоминает про гальванический элемент. Золото на вавилонских украшениях наносилось гальваническим способом.

Электромагнитном поле

Определение 1

Электромагнитное поле – это вид материи, посредством которого производится электромагнитное взаимодействие между частицами, обладающими электрическим зарядом. Это вид материи, который передает действия электромагнитных сил.

В электричестве находится представление об электромагнитном поле. Стоит вспомнить, что термин «поле» в физике используется для обозначения ряда различных по своему содержанию понятий, которые включают в себя следующее:

1. Слово «поле» полностью характеризуют распределение любой физической величины, скалярной или векторной. При изучении, к примеру, теплового состояния в разных точках среды, сообщают про скалярное поле температуры. При рассмотрении процесса механических колебаний в упругой среде, здесь говорится про механическое волновое поле. В данных примерах понятие «поле» описывает физическое состояние изучаемой материальной среды.
2. Полем называют и особый вид материи. Термин поле (как вид материи), появился из-за общей проблемы взаимодействия. Теория, где действие сил передается через общую пустоту мгновенно, называется теория дальнодействия. Теория, которая утверждает, что действие сил передается с конечной скоростью через промежуточную материальную среду, носит название теория близкодействия.

Электрические и магнитные поля рассматриваются обычно раздельно, хотя в действительности «чисто» магнитных или «чисто» электрических явлений не существует. Существует лишь один единый электромагнитный процесс. Разделение электромагнитного взаимодействия на магнитное и электрическое, а также разделение единых электромагнитных сил на магнитные и электрические носит условный характер, и подобная условность может легко быть доказана. Настолько же условна и терминология – «магнитные», «электрические» силы.

Электрический заряд

Определение 2

Электрический заряд – это неотъемлемое свойство, которое присуще некоторым «простейшим» частицам материи – «элементарным» частицам. Электрический заряд с энергией, массой и т.д. создает «комплекс» фундаментальных свойств частиц.

Из известных элементарных частиц обладают электрическим зарядом только позитроны, электроны, антипротоны, протоны, некоторые гипероны и мезоны и их античастицы. При этом, не обладают электрическим зарядом нейтрино, нейтроны, нейтральные гипероны и мезоны и их античастицы, а также фотоны.

Известны лишь два рода электрических зарядов, называемые условно отрицательными и положительными (понятия «отрицательное» и «положительное» электричество были введены впервые В. Франклином (США) в XVIII в.).

Прямое определение величины элементарного заряда было осуществлено в 1909 – 1904 гг. А.Ф. Иоффе (Россия), а также Р.Э. Милликеном (США). После проведения опытов Иоффе и Милликена была отвергнута гипотеза о существовании суб электронов, т.е. зарядов, которые меньше заряда электрона.

Такой заряд нельзя отделить от частиц, которым он принадлежит. Общая неуничтожимость материи влечёт за собой неуничтожимость электрического заряда. К популярным в теоретической механике законам импульса, сохранения массы, энергии, момента импульса нужно добавить закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе частиц или тел алгебраическая сумма зарядов величины постоянная, какие бы не происходили процессы в данной системе. Общий закон сохранения заряда устанавливался экспериментально М. Фарадеем (Англия) и Ф. Эпинусом (Россия).

С движением каждого элементарного заряда взаимосвязано наличие электромагнитного микрополя. Стоит отметить, что электрическое и магнитное поля, изучаемые макроскопической и электростатикой электродинамикой, стали усредненными: все они представляют из себя суперпозицию или наложение микрополей, которая создает большую совокупностью движущихся элементарных зарядов. Как показывает опыт усредненное электрическое поле также может быть полностью отлично от нуля лишь тогда, когда его «источник» – макрозаряд полностью неподвижен, а также тогда, когда он в движении.

spravochnick.ru

Физика: уроки, тесты, задания.

Физика: уроки, тесты, задания.

1. 1. Введение. Макро- и микромир. Числа со степенью 10

   2. Наблюдения, опыты, измерения, гипотеза, эксперимент

   3. Физические величины. Международная система единиц

2. 1. Механическое движение. Траектория и путь

   2. Скорость. Неравномерное движение. Средняя скорость

   3. Инерция

   4. Взаимодействие тел. Масса тела. Единицы массы. Измерение массы тела на весах

   5. Плотность вещества. Расчёт массы и объёма тела по его плотности

   6. Сила. Сила тяжести

   7. Свободное падение. Вес тела

   8. Измерение силы с помощью динамометра

   9. Деформации тел. Сила упругости. Закон Гука

   10. Взаимодействие тел. Сила трения

3. 1. Механическая работа

   2. Мощность

   3. Рычаг. Простые механизмы

   4. Блок

   5. Коэффициент полезного действия

   6. Энергия

4. 1. Строение вещества. Молекулы и атомы

   2. Диффузия

   3. Притяжение и отталкивание молекул. Смачивание и капиллярность

   4. Агрегатные состояния вещества

5. 1. Давление и сила давления. Единицы измерения

   2. Давление твёрдых тел. Способы уменьшения и увеличения давления

   3. Давление газа. Применение сжатого воздуха

   4. Атмосферное давление и его измерение. Опыт Торричелли

   5. Давление в жидкости. Закон Паскаля

   6. Гидростатическое давление. Давление на дне морей и океанов

   7. Сообщающиеся сосуды. Водопровод. Шлюзы

   8. Гидравлический пресс. Насосы

   9. Закон Архимеда

   10. Действие жидкости на погружённое в неё тело. Плавание тел

   11. Выталкивающая сила в газах. Воздухоплавание

6. Класс заполнен на 100 %

1. 1. Тепловое движение. Термометр. Связь температуры тела со скоростью движения молекул

   2. Внутренняя энергия. Два способа изменения внутренней энергии: работа и теплопередача

   3. Виды теплопередачи

   4. Количество теплоты

   5. Удельная теплоёмкость вещества

   6. Удельная теплота сгорания топлива

   7. Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах

2. 1. Плавление и отвердевание тел. Температура плавления

   2. Удельная теплота плавления

   3. Испарение и конденсация

   4. Относительная влажность воздуха и её измерение

   5. Кипение. Температура кипения. Удельная теплота парообразования

   6. Объяснение изменений агрегатных состояний вещества

   7. Преобразования энергии в тепловых машинах

   8. Экологические проблемы использования тепловых машин

3. 1. Электризация тел. Два рода электрических зарядов

   2. Проводники, диэлектрики и полупроводники

   3. Взаимодействие заряженных тел. Электрическое поле

   4. Закон сохранения электрического заряда

   5. Дискретность электрического заряда. Электрон. Строение атомов

   6. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы

   7. Электрический ток в металлах. Полупроводниковые приборы

   8. Сила тока. Амперметр

   9. Электрическое напряжение. Вольтметр

   10. Электрическое сопротивление. Закон Ома для участка электрической цепи

   11. Удельное сопротивление. Реостаты

   12. Последовательное и параллельное соединение проводников

   13. Работа и мощность тока

   14. Количество теплоты, выделяемое проводником с током

   15. Счётчик электрической энергии

   16. Лампа накаливания. Электронагревательные приборы

   17. Расчёт электроэнергии, потребляемой бытовыми электроприборами

   18. Короткое замыкание. Плавкие предохранители

4. 1. Магнитное поле тока

   2. Электромагниты и их применение

   3. Постоянные магниты. Магнитное поле Земли

   4. Действие магнитного поля на проводник с током. (Электродвигатель. Динамик и микрофон)

5. 1. Источники света. Прямолинейность распространения света

   2. Отражение света. Закон отражения. Плоское зеркало

   3. Преломление света

   4. Линза. Фокусное расстояние линзы. Построение изображений, даваемых тонкой линзой

   5. Оптическая сила линзы. Глаз как оптическая система. Оптические приборы

6. Класс заполнен на 100 %

1. 1. Материальная точка (Система отсчёта)

   2. Перемещение. Скорость прямолинейного равномерного движения

   3. Прямолинейное равноускоренное движение: мгновенная скорость, ускорение, перемещение

   4. Скорость прямолинейного равноускоренного движения. График скорости

   5. Графики зависимости кинематических величин от времени при равноускоренном движении

2. 1. Относительность механического движения

   2. Первый закон Ньютона

   3. Второй закон Ньютона

   4. Третий закон Ньютона

   5. Свободное падение

   6. Невесомость

   7. Закон всемирного тяготения

3. 1. Импульс тела

   2. Закон сохранения импульса

   3. Реактивное движение. Ракеты

4. 1. Колебательное движение. Свободные колебания. Амплитуда, частота, период колебаний

   2. Колебательная система. Колебания груза на пружине. Математический маятник

   3. Превращение энергии при колебательном движении

   4. Затухающие колебания. Вынужденные колебания. Резонанс

   5. Поперечные и продольные волны. Длина волны

   6. Звуковые волны. Скорость звука

   7. Высота, тембр и громкость звука. Звуковой резонанс

5. 1. Электромагнитная индукция

   2. Направление индукционного тока. Правило Ленца. Самоиндукция

   3. Трансформатор. Передача электрической энергии на расстояние

   4. Конденсатор. Колебательный контур. Получение электромагнитных колебаний

   5. Электромагнитная природа света

6. 1. Радиоактивность как доказательство сложного строения атома. Опыты Резерфорда. Ядерная модель

   2. Протонно-нейтронная модель ядра. Физический смысл зарядового и массового чисел

   3. Радиоактивные превращения атомных ядер

   4. Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике

   5. Деление ядер урана. Цепная реакция

7. В дальнейшем в этом классе появятся…

www.yaklass.ru

Магнетизм — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Сила Ампера

К оглавлению…

Заряженные тела способны создавать кроме электрического еще один вид поля. Если заряды движутся, то в пространстве вокруг них создается особый вид материи, называемый магнитным полем. Следовательно, электрический ток, представляющий собой упорядоченное движение зарядов, тоже создает магнитное поле. Как и электрическое поле, магнитное поле не ограничено в пространстве, распространяется очень быстро, но все же с конечной скоростью. Его можно обнаружить только по действию на движущиеся заряженные тела (и, как следствие, токи).

Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности E электрического поля. Такой характеристикой является вектор B магнитной индукции. В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принят 1 Тесла (Тл). Если в магнитное поле с индукцией B поместить проводник длиной l с током I, то на него будет действовать сила, называемая силой Ампера, которая вычисляется по формуле:

где: В – индукция магнитного поля, I – сила тока в проводнике, l – его длина. Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. 

Для определения направления силы Ампера обычно используют правило «Левой руки»: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы Ампера, действующей на проводник (см. рисунок).

Если угол α между направлениями вектора магнитной индукции и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы Ампера надо взять составляющую магнитного поля, которая перпендикулярна направлению тока. Решать задачи этой темы нужно так же как и в динамике или статике, т.е. расписав силы по осям координат или складывая силы по правилам сложения векторов.

Момент сил, действующих на рамку с током

Пусть рамка с током находится в магнитном поле, причём плоскость рамки перпендикулярна полю. Силы Ампера будут сжимать рамку, а их равнодействующая будет равна нулю. Если поменять направление тока, то силы Ампера поменяют своё направление, и рамка будет не сжиматься, а растягиваться. Если линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, то возникает вращательный момент сил Ампера. Вращательный момент сил Ампера равен:

где: S — площадь рамки, α — угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции (нормаль — вектор, перпендикулярный плоскости рамки), N – количество витков, B – индукция магнитного поля, I – сила тока в рамке.

 

Сила Лоренца

К оглавлению…

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда. Эти силы называют силами Лоренца. Сила Лоренца, действующая на частицу с зарядом q в магнитном поле B, двигающуюся со скоростью v, вычисляется по следующей формуле:

Угол α в этом выражении равен углу между скоростью и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки или по правилу буравчика (как и сила Ампера). Вектор магнитной индукции нужно мысленно воткнуть в ладонь левой руки, четыре сомкнутых пальца направить по скорости движения заряженной частицы, а отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Если частица имеет отрицательный заряд, то направление силы Лоренца, найденное по правилу левой руки, надо будет заменить на противоположное.

Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам скорости и индукции магнитного поля. При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по окружности, радиус которой можно вычислить по следующей формуле:

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы. Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:

Последнее выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения (а значит и частота, и угловая скорость) не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) и радиуса траектории R.

 

Теория о магнитном поле

К оглавлению…

Магнитное взаимодействие токов

Если по двум параллельным проводам идёт ток в одном направлении, то они притягиваются; если в противоположных направлениях, то отталкиваются. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Ампером. Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот. Опыты показали, что модуль силы, действующей на отрезок длиной Δl каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока I₁ и I₂ в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними:

где: μ₀ – постоянная величина, которую называют магнитной постоянной. Введение магнитной постоянной в СИ упрощает запись ряда формул. Ее численное значение равно:

μ₀ = 4π·10^–7 H/A² ≈ 1,26·10^–6 H/A².

Сравнивая приведенное только что выражение для силы взаимодействия двух проводников с током и выражение для силы Ампера нетрудно получить выражение для индукции магнитного поля создаваемого каждым из прямолинейных проводников с током на расстоянии R от него:

где: μ – магнитная проницаемость вещества (об этом чуть ниже). Если ток протекает по круговому витку, то в центре витка индукция магнитного поля определяется по формуле:

Силовыми линиями магнитного поля называют линии, по касательным к которым располагаются магнитные стрелки. Магнитной стрелкой называют длинный и тонкий магнит, его полюса точечны. Подвешенная на нити магнитная стрелка всегда поворачивается в одну сторону. При этом один её конец направлен в сторону севера, второй — на юг. Отсюда название полюсов: северный (N) и южный (S). Магниты всегда имеют два полюса: северный (обозначается синим цветом или буквой N) и южный (красным цветом или буквой S). Магниты взаимодействуют так же, как и заряды: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Невозможно получить магнит с одним полюсом. Даже если магнит разломать, то у каждой части будет по два разных полюса.

Вектор магнитной индукции

Вектор магнитной индукции — векторная физическая величина, являющаяся характеристикой магнитного поля, численно равная силе, действующей на элемент тока в 1 А и длиной 1 м, если направление силовой линии перпендикулярно проводнику. Обозначается В, единица измерения — 1 Тесла. 1 Тл — очень большая величина, поэтому в реальных магнитных полях магнитную индукцию измеряют в мТл.

Вектор магнитной индукции направлен по касательной к силовым линиям, т.е. совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещённой в данное магнитное поле. Направление вектора магнитной индукции не совпадает с направлением силы, действующей на проводник, поэтому силовые линии магнитного поля, строго говоря, силовыми не являются.

Силовая линия магнитного поля постоянных магнитов направлена по отношению к самим магнитам так, как показано на рисунке:

В случае магнитного поля электрического тока для определения направления силовых линий используют правило «Правой руки»: если взять проводник в правую руку так, чтобы большой палец был направлен по току, то четыре пальца, обхватывающие проводник, показывают направление силовых линий вокруг проводника:

В случае прямого тока линии магнитной индукции — окружности, плоскости которых перпендикулярны току. Вектора магнитной индукции направлены по касательной к окружности.

Соленоид — намотанный на цилиндрическую поверхность проводник, по которому течёт электрический ток I. Магнитное поле соленоида подобно полю прямого постоянного магнита. Внутри соленоида длиной l и количеством витков N создается однородное магнитное поле с индукцией (его направление также определяется правилом правой руки):

Линии магнитного поля имеют вид замкнутых линий — это общее свойство всех магнитных линий. Такое поле называют вихревым. В случае постоянных магнитов линии не оканчиваются на поверхности, а проникают внутрь магнита и замыкаются внутри. Это различие электрического и магнитного полей объясняется тем, что, в отличие от электрических, магнитных зарядов не существует.

Магнитные свойства вещества

Все вещества обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства вещества характеризуются относительной магнитной проницаемостью μ, для которой верно следующее:

Данная формула выражает соответствие вектора магнитной индукции поля в вакууме и в данной среде. В отличие от электрического, при магнитном взаимодействии в среде можно наблюдать и усиление, и ослабление взаимодействия по сравнению с вакуумом, у которого магнитная проницаемость μ = 1. У диамагнетиков магнитная проницаемость μ немного меньше единицы. Примеры: вода, азот, серебро, медь, золото. Эти вещества несколько ослабляют магнитное поле. Парамагнетики — кислород, платина, магний — несколько усиливают поле, имея μ немного больше единицы. У ферромагнетиков — железо, никель, кобальт — μ >> 1. Например, у железа μ ≈ 25000.

 

Магнитный поток. Электромагнитная индукция

К оглавлению…

Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М.Фарадеем в 1831 году. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур. Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину:

где: B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором магнитной индукции B и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура, S – площадь контура, N – количество витком в контуре. Единица магнитного потока в системе СИ называется Вебером (Вб).

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции ε_инд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум возможным причинам.

1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре.

При решении задач важно сразу определить за счет чего меняется магнитный поток. Возможно три варианта:

1. Меняется магнитное поле.
2. Меняется площадь контура.
3. Меняется ориентация рамки относительно поля.

При этом при решении задач обычно считают ЭДС по модулю. Обратим внимание также внимание на один частный случай, в котором происходит явление электромагнитной индукции. Итак, максимальное значение ЭДС индукции в контуре состоящем из N витков, площадью S, вращающемся с угловой скоростью ω в магнитном поле с индукцией В:

 

Движение проводника в магнитном поле

К оглавлению…

При движении проводника длиной l в магнитном поле B со скоростью v на его концах возникает разность потенциалов, вызванная действием силы Лоренца на свободные электроны в проводнике. Эту разность потенциалов (строго говоря, ЭДС) находят по формуле:

где: α — угол, который измеряется между направлением скорости и вектора магнитной индукции. В неподвижных частях контура ЭДС не возникает.

Если стержень длиной L вращается в магнитном поле В вокруг одного из своих концов с угловой скоростью ω, то на его концах возникнет разность потенциалов (ЭДС), которую можно рассчитать по формуле:

 

Индуктивность. Самоиндукция. Энергия магнитного поля

К оглавлению…

Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре. Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I:

Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Единица индуктивности в СИ называется Генри (Гн).

Запомните: индуктивность контура не зависит ни от магнитного потока, ни от силы тока в нем, а определяется только формой и размерами контура, а также свойствами окружающей среды. Поэтому при изменении силы тока в контуре индуктивность остается неизменной. Индуктивность катушки можно рассчитать по формуле:

где: n — концентрация витков на единицу длины катушки:

ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, согласно формуле Фарадея равна:

Итак ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии. Энергия W_м магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, может быть рассчитана по одной из формул (они следуют друг из друга с учётом формулы Φ = LI):

Соотнеся формулу для энергии магнитного поля катушки с её геометрическими размерами можно получить формулу для объемной плотности энергии магнитного поля (или энергии единицы объёма):

 

Правило Ленца

К оглавлению…

Инерция – явление, происходящее и в механике (при разгоне автомобиля мы отклоняемся назад, противодействуя увеличению скорости, а при торможении отклоняемся вперёд, противодействуя уменьшению скорости), и в молекулярной физике (при нагревании жидкости увеличивается скорость испарения, самые быстрые молекулы покидают жидкость, уменьшая скорость нагревания) и так далее. В электромагнетизме инерция проявляется в противодействии изменению магнитного потока, пронизывающего контур. Если магнитный поток нарастает, то возникающий в контуре индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать нарастанию магнитного потока, а если магнитный поток убывает, то возникающий в контуре индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать убыванию магнитного потока.

Правило Ленца для определения направления индукционного тока: возникающий в контуре индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, которое вызывало этот ток.

educon.by

Конспект лекций по общей физике, раздел «Электричество и магнетизм» (2 курс, осенний семестр, 2010-2011 г)

10

§1. Электрические заряды и электрическое поле. Закон Кулона.

Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции

Электрический заряд и электрическое поле это фундаментальные понятия, которым невозможно дать строгие определения через какие-либо другие, более простые понятия. Можно только описывать их свойства.

Из опыта известно, что электрические заряды бывают двух типов, которые условно названы положительными и отрицательными. Тела, имеющие заряды одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноименно заряженные тела притягиваются. Заряд какого либо объекта определяется суммарным зарядом элементарных частиц, из которых этот объект состоит. Зарядить макроскопическое тело можно, только изменив число содержащихся в нем заряженных элементарных частиц. Электрический заряд дискретен. Абсолютная величина заряда всех заряженных элементарных частиц одинакова и равна элементарному зарядуе= 1,6010^19Кл. Элементарный заряд весьма мал, так что величину макроскопических зарядов, как правило, можно считать меняющейся непрерывно. Положительный заряд имеют протоны, отрицательный – электроны. Электрический заряд не зависит от состояния движения частицы, ее взаимодействия с другими объектами, и не меняется при переходе от одной системы отсчета к другой.

В результате обобщения опытных данных был установленфундаментальный закон природы – закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой изолированной системы сохраняется, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы. В системемогут образовываться или исчезать электрически заряженные частицы, однако при этом одновременно рождаются или исчезают частицы,заряды которых противоположны по знаку и в сумме равны нулю.

Во многих задачах электродинамики пользуются моделью точечного электрического заряда. Точечный электрический заряд– это заряженное тело, размерами и формой которого в рассматриваемой задаче можно пренебречь. Например, при рассмотрении электростатического взаимодействия двух заряженных тел, их можно считать точечными зарядами, если размеры этих тел много меньше расстояния между ними.

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов экспериментально установлен в 1785 г. французским физиком Ш. Кулоном. Поэтому силы электростатического взаимодействия часто называют кулоновскими силами.

Закон Кулонаформулируется следующим образом:сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна произведению модулей этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль соединяющей их прямой.

На основании закона Кулона модуль Fсилы взаимодействия точечных зарядовq₁иq₂, находящихся на расстоянииr₁₂друг от друга, записывается в виде

, (1.1)

где k-коэффициентпропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Вектор силы F₂, действующей на зарядq₂со стороны зарядаq₁, можно представить в виде:

, (1.2)

где вектор r₁₂направлен от зарядаq₁к зарядуq₂.

Соответственно, сила F₁, действующая на зарядq₁со стороны зарядаq₂, равна

(1.3)

где вектор r₂₁направлен от зарядаq₂к зарядуq₁.

Так как r₂₁=r₁₂, из формул (1.2) и (1.3) следуетF₁=F₂, т.е. кулоновские силы подчиняются третьему закону Ньютона.

В системе СИ коэффициент пропорциональности kв законе Кулона принято записывать в виде:Нм²/Кл², где₀= 8,85410^12Кл²/(Нм²)электрическая постоянная.

Единица заряда кулон (Кл) в системе СИ является производной. Она выражается через основную единицу – ампер (А). Один кулон равен заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за одну секунду при силе тока один ампер (1 Кл = 1 А 1 с).

Наряду с системой СИ в физике, особенно в теоретической физике, используется система СГС (гауссова система). Гауссова система с физической точки зрения является значительно более естественной, нежели СИ. В дальнейшем мы сможем в этом неоднократно убедиться. Преимущество СИ чисто инженерное, т.к. при расчетах численные результаты сразу получаются в привычных для электротехники единицах – амперах, вольтах, омах и т.д.

В системе СГС основными единицами являются сантиметр, грамм, секунда. Единица заряда в этой системе (обозначаемая СГСЭ_q) вводится так, чтобы коэффициент пропорциональностиkв законе Кулона (1.1) был равен единице. Два точечных заряда, каждый из которых равен 1 СГСЭ_q, находясь на расстоянии 1 см друг от друга, взаимодействуют с силой в 1 дину. Дина – это единица силы в системе СГС. Она равна силе, которая телу массой 1 г сообщает ускорение 1 см/с².

Электрические заряды создают в окружающем их пространстве электрическое поле, посредством которого и осуществляется взаимодействие зарядов. Основной характеристикой электрического поля в какой-либо точке пространства является напряженность.

Напряженность электрического поляE–это векторная величина, равная отношению силыF,действующей на электрический заряд q, помещенный в данную точку, к величине этого заряда

. (1.4)

Используя напряженность, соотношения (1.2) и (1.3) можно записать в виде

F₂=q₂E(q₁),F₁ = q₁E(q₂), (1.5)

где E(q₁)напряженность, создаваемая зарядомq₁в точке, где находится зарядq₂, аE(q₂)напряженность, создаваемая зарядомq₂в точке, где находится зарядq₁.

Сравнивая формулы (1.1-3) и (1.5), найдем выражения для напряженности поля, создаваемого точечным зарядом qв точке, находящейся на расстоянииrот заряда

в системе СИ (1.6)

в гауссовой системе . (1.7)

В системе СИ единица напряженности поля вольт на метр (В/м). Из (1.4) следует 1 В/м = (1 Н)/(1 Кл). Определение вольта будет дано позднее. Надо сказать, что логика наименований и связей между единицами в системе СИ весьма своеобразна, поэтому иногда придется употреблять обозначения, выраженные через единицы, которых мы еще не вводили.

Электрическое поле удобно графически изображать с помощью так называемых силовых линий, илилиний напряженности. Они представляют собой кривые, направление касательной к которым в любой точке совпадает с направлением вектораЕ в этой точке. Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Силовые линии уединенного точечного заряда представляют собой симметрично распределенные радиальные прямые, исходящие из точки, где расположен заряд. Проведем мысленно достаточно много таких линий и обозначим их полное число черезN. Так как линии напряженности в пространстве между зарядами непрерывны, то число линий, выходящих наружу из любой замкнутой поверхности, охватывающей заряд, равноN.

Тогда густота линий на расстоянии rот заряда, т.е. число линий, пересекающих единицу площади поверхности сферы радиусаr, равнаN/(4r²). Сравнивая это с выражением (1.6-7) для напряженности поля точечного заряда, можно убедиться, что густота линий и абсолютная величина напряженности пропорциональны друг другу.

Напряженность однородного поля(создаваемого, например, равномерно заряженной протяженной пластиной) во всех точках одинакова по величине и направлению, поэтому его силовыми линиями являются параллельные прямые.

Эксперименты показывают, что сила взаимодействия двух зарядов не изменяется при наличии третьего заряда. Сколько бы зарядов ни входило в систему, закон Кулона (уравнения (1.1-3)) можно использовать для вычисления сил взаимодействия каждой пары.

Отсюда следует принцип суперпозиции: напряженность поля Е, создаваемая несколькими зарядами q_i, равна векторной сумме напряженностей полей Е_i, создаваемых каждым i-тым зарядом в отдельности

. (1.7)

Принцип суперпозиции означает, что присутствие других зарядов не сказывается на электрическом поле, создаваемом данным зарядом.

Рис. 1.1 иллюстрирует применение принципа суперпозиции при нахождении напряженности поля Е, создаваемого положительным зарядомQ₁ и отрицательным зарядомQ₂ в точке, находящейся на расстоянииr₁ от первого заряда и наr₂ от второго:

Рис. 1.1 Е=Е₁+Е₂,

где Е₁иЕ₂– напряженности полей, создаваемых каждым из зарядов в отдельности.

Используя теорему косинусов, найдем модуль Е.

.

studfile.net

Основные разделы физики

Физика – наука об окружающем нас мире, которая изучает  наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.

Учёные разграничивают макроскопическую и микроскопическую физику, отдельно так же рассматривают физические разделы, которые находятся на стыке наук (астрофизика, геофизика и др.).

Микрофизика  включает разделы, которые изучают науку на микроуровне, т.е. то, что не способен уловить  человеческий глаз (атомы, кварки, глюоны).

Макрофизика,  наоборот, не рассматривает малые физические тела  и изучает макроскопические объекты (планеты, спутники и др.).

Макроскопическая физика включает следующие разделы:

Механика (кинематика, динамика, гидродинамика, акустика) – область физики, которая изучает движение тел и изучающая взаимодействие между ними.

Основные разделы  механики:

Классическая механика изучает движение тел во времени и пространстве, причины и законы движения; подразделяется на статику (равновесие тел), кинематику (движение тел без рассмотрения его причин, без учёта сил,  действующих на тела) и динамику (движение тел и его причины).

Релятивистская механика – раздел физики, который рассматривает движение тел и частиц при скоростях, сравнимых со скоростью света.  

Квантовая механика – теоретический раздел физики, который изучает квантовые системы и законы их движения.

Термодинамика – раздел физики, который исследует превращение теплоты в движение и движения в теплоту.  Термодинамика рассматривает  распространение теплоты в разных средах, физические и химические изменения с поглощением или выделением теплоты.

Оптика – раздел физики, в котором рассматривается свет и все явления, с ним связанные, включая инфракрасное и ультрафиолетовое излучение.

Электродинамика – раздел физики, который исследует электромагнитное поле и взаимодействие с ним тел, имеющих электрический заряд, а также связь электрических и магнитных явлений.

Микроскопическая физика включает следующие разделы:

Статистическая физика – это теоретический раздел физики, который рассматривает свойства макроскопических тел, как систем, состоящих из большого числа мелких частиц (атомов, молекул, протонов), основываясь на свойства этих частиц.

Физика конденсированных сред изучает поведение систем с сильной связью, которые нельзя разделить на более мелкие отдельные части. 

Квантовая физика – теоретический раздел физики, который рассматривает квантовые системы, и законы их движения.

Ядерная физика – раздел физики, изучающий структуру и свойство атомных ядер, атомные реакции (столкновения атомов)

Физика элементарных частиц изучает структуру и свойства элементарных частиц  (протонов, электронов, фотонов, кварков) пути и результаты их взаимодействия.

В данной статье рассматривались основные разделы физики. Хотелось бы отметить, что каждый раздел имеет свою структуру и требует глубоко изучения. Если Вы не нашли здесь необходимую информацию, можете обратиться за помощью к онлайн репетитору по физике. Наш сайт предлагает школьникам реальную помощь при решении задач по физике, математике, химии. Решение задач на сайте происходит в режиме онлайн. Чтобы получить помощь, Вам не придётся ждать, наши репетиторы всегда на связи.

Во время занятий онлайн преподаватель решит задачу вместе с Вами и подробно объяснит все произведённые вычисления. Решив одну задачу с нашим онлайн репетитором, Вы сможете самостоятельно решать аналогичные.

Онлайн репетиторы могут проверить Ваше решение задач. Для этого Вам необходимо поместить на интерактивную классную доску свой вариант решения, и наши профессиональные педагоги по математике, физике и химии в реальном времени ответят на все Ваши вопросы, укажут на допущенные ошибки и при необходимости расскажут, что нужно исправить.

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

blog.tutoronline.ru

Электричество — Основные формулы

1. Электростатика

1.1 Закон Кулона

q₁, q₂ — величины точечных зарядов,
r — расстояние между зарядами.

1.2 Напряженность поля уединенного точечного заряда

q — величина уединенного точечного заряда,
r — расстояние от заряда.

1.3 Потенциал точки в поле точечного заряда

q — величина уединенного точечного заряда,
r — расстояние от заряда.

1.4 Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле

φ — потенциал,
q₁ — величина заряда.

1.5 Потенциальная энергия заряда q₁ в поле точечного заряда

q — величина уединенного точечного заряда, который создает поле,
r — расстояние между зарядами.

1.6 Теорема Гаусса

N — поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность,
q — полный заряд, находящийся внутри замкнутой поверхности.

1.7 Напряженность электрического поля вблизи от поверхности проводника

σ — поверхностная плотность заряда.

1.8 Емкость плоского кондесатора

q — заряд конденсатора,
U — модуль разности потенциалов между обкладками.

1.9 Энергия плоского кондесатора

q — заряд конденсатора,
U — модуль разности потенциалов между обкладками.

2. Постоянный электрический ток

2.1 Закон Ома для участка однородной цепи

U — напряжение на концах участка,
R — сопротивление участка цепи.

2.2 Закон Ома для замкнутой цепи с источником тока

 — ЭДС (электродвижущая сила),
r — внутреннее сопротивление источника ЭДС.

2.3 Работа постоянного тока

U — напряжение на концах участка цепи,
t — время, за которое совершается работа.

2.4 Закон Джоуля-Ленца

Q — теплота,
R — сопротивление проводника,
t — время, за которое выделяется теплота.

2.5 Полная мощность, развиваемая источником тока

 — ЭДС источника тока,
R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.

2.6 Полезная мощность

 — ЭДС источника тока,
R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.

2.7 Коэффициент полезного действия источника тока

R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.

2.8 Первое правило Кирхгофа

n — число проводников, сходящихся в узле;
I_k — сила тока в k-м проводнике.

2.9 Второе правило Кирхгофа

n — число неразветвленных участков в контуре;
m — число ЭДС в контуре.

fizikazadachi.ru

Основные электрические законы. Базовые формулы и расчеты

В предыдущей статье мы познакомились с основными электрическими понятиями, такими как электрический ток, напряжение, сопротивление и мощность. Настал черед основных электрических законов, так сказать, базиса, без знания и понимания которых невозможно изучение и понимание электронных схем и устройств.

Закон Ома

Электрический ток, напряжение, сопротивление и мощность, безусловно, между собой связаны. А взаимосвязь между ними описывается, без сомнения, самым главным электрическим законом – законом Ома. В упрощенном виде этот закон называется: закон Ома для участка цепи. И звучит этот закон следующем образом:

«Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи».

Для практического применения формулу закона Ома можно представить в виде вот такого треугольника, который помимо основного представления формулы, поможет определить и остальные величины.

Работает треугольник следующим образом. Чтобы вычислить одну из величин, достаточно закрыть ее пальцем. Например:

В предыдущей статье мы проводили аналогию между электричеством и водой, и выявили взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Также хорошей интерпретацией закона Ома может послужить следующий рисунок, наглядно отображающий сущность закона:

На нем мы видим, что человечек «Вольт» (напряжение) проталкивает человечка «Ампера» (ток) через проводник, который стягивает человечек «Ом» (сопротивление). Вот и получается, что чем сильнее сопротивление сжимает проводник, тем тяжелее току через него проходить («сила тока обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи» – или чем больше сопротивление, тем хуже приходится току и тем он меньше). Но напряжение не спит и толкает ток изо всех сил (чем выше напряжение, тем больше ток или – «сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению»).

Когда фонарик начинает слабо светить, мы говорим – «разрядилась батарейка». Что с ней произошло, что значит разрядилась? А значит это, что напряжение батарейки снизилось и оно больше не в состоянии «помогать» току преодолевать сопротивление цепей фонарика и лампочки. Вот и получается, что чем больше напряжение – тем больше ток.

Последовательное подключение – последовательная цепь

При последовательном подключении потребителей, например обычных лампочек, сила тока в каждом потребителе одинаковая, а вот напряжение будет отличаться. На каждом из потребителей напряжение будет падать (снижаться).

А закон Ома в последовательной цепи будет иметь вид:

При последовательном соединении сопротивления потребителей складываются. Формула для расчета общего сопротивления:

Параллельное подключение – параллельная цепь

При параллельном подключении, к каждому потребителю прикладывается одинаковое напряжение, а вот ток через каждый из потребителей, в случае, если их сопротивление отличается – будет отличаться.

Закон Ома для параллельной цепи, состоящей из трех потребителей, будет иметь вид:

При параллельном соединении общее сопротивление цепи всегда будет меньше значения самого маленького отдельного сопротивления. Или еще говорят, что «сопротивление будет меньше наименьшего».

Общее сопротивление цепи, состоящей из двух потребителей, при параллельном соединении:

Общее сопротивление цепи, состоящей из трех потребителей, при параллельном соединении:

Для большего числа потребителей расчет производится исходя из того, что при параллельном соединении проводимость (величина обратная сопротивлению) рассчитывается как сумма проводимостей каждого потребителя.

Электрическая мощность

Мощность – это физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Рассчитывается мощность по следующей формуле:

Таким образом зная, напряжение источника и измерив потребляемый ток, мы можем определить мощность потребляемую электроприбором. И наоборот, зная мощность электроприбора и напряжение сети, можем определить величину потребляемого тока. Такие вычисления порой необходимы. Например, для защиты электроприборов используются предохранители или автоматические выключатели. Чтобы правильно подобрать средство защиты нужно знать потребляемый ток. Предохранители, применяемые в бытовой технике, как правило подлежат ремонту и для их восстановления достаточно подобрать и заменить проволоку.

Применив закон Ома, можно рассчитать мощность и по другой формуле:

При расчетах надо учитывать, что часть потребляемой электроэнергии расходуется на нагрев и преобразуется в тепло. При работе греются не только электрообогреватели, но и телевизоры, и компьютеры и другая бытовая техника.

И в завершение, в качестве бонуса, вот такая шпаргалка, которая поможет определить любой из основных электрических параметров, по уже известным.

imolodec.com