Напряженность электрического поля. Электрическое поле обнаруживается по силам, действующим на заряд.
Если поочередно помещать в одну и ту же точку поля небольшие заряженные тела и измерять силы, то обнаружится, что сила, действующая на заряд со стороны поля, прямо пропорциональная этому заряду. Действительно, пусть поле создается точечным зарядом q1. Согласно закону Кулона на заряд q2 действует сила, пропорциональная заряду q2. Поэтому отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля не зависит от заряда и может рассматриваться как характеристика поля. Эту характеристику называют напряженностью электрического поля. Подобно силе, напряженность поля—векторная величина; ее обозначают буквой Е. Если помещенный в поле заряд обозначить через q
вместо q2 то напряженность будет равна:
Напряженность поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду.
Отсюда сила, действующая на заряд q со стороны электрического поля, равна:
Напряженность поля в единицах СИ можно выразить, в ньютонах на кулон (Н/Кл).
Принцип суперпозиции полей.
Если на тело действует несколько сил, то согласно законам механики результирующая сила равна геометрической сумме сил:
На электрические заряды действуют силы со стороны электрического поля. Если при наложении полей от нескольких зарядов эти поля не оказывают никакого влияния друг на друга, то результирующая сила со стороны всех полей должна быть равна геометрической сумме сил со стороны каждого поля. Опыт показывает, что именно так и происходит на самом деле. Это означает, что напряженности полей складываются геометрически.
В этом состоит принцип суперпозиции полей который формулируется так: если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают
электрические поля, напряженности которых
и т. д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна:
24. Проводники и диэлектрики в электрическом поле.
Проводники – тела, в которых существуют свободные заряды, не связанные с атомами. Под воздействием эл. поля заряды могут двигаться, порождая электроток. Если проводник внести в электрическое поле, то положительно заряды движутся по направлению вектора напряженности, а отрицательно заряженные в противоположном направлении. В результате на поверхности тела появляются индуктивные заряды:
Напряженность поля внутри проводника = 0. Проводник как бы разрывает силовые линии напряженности электрического поля.
Диэлектрики- вещества, в которых положительные и отрицательные заряды связаны между собой и нет свободных зарядов. В электрическом поле диэлектрик поляризуется.
Внутри диэлектрика существует электрическое поле, но оно меньше электрического поля вакуума E в ε раз. Диэлектрическая проницаемость среды ε равна отношению напряженности электрического поля в вакууме к направлению электрического поля в диэлектрике ε=E0/E
25. Потенциал. Потенциал поля точечного заряда.
Работа при перемещении заряда в однородном электростатическом поле. Однородное поле создают, например, большие металлические пластины, имеющие заряды противоположного знака. Это поле действует на заряд с постоянной силой F=qE.
Пусть пластины расположены вертикально левая пластина В заряжена отрицательно, а правая D — положительно. Вычислим работу, совершаемую полем при перемещении положительного заряда q из точки 1, находящейся на расстоянии d1 от пластины В, в точку 2, расположенную на расстоянии d2<d1 от той же пластины.
Точки 1 и 2 лежат на одной силовой линии. На участке пути ∆d=d1—d2 электрическое поле совершит положительную работу: A=qE(d1—d2). Эта работа не зависит от формы траектории.
Потенциалом электростатического поля называют отношение
потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду.
Согласно данному определению потенциал равен:
(Разность потенциалов. Подобно потенциальной энергии, значение потенциала в данной точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчета потенциала. Практическое значение
имеет не сам потенциал в точке, а изменение потенциала, которое не зависит от выбора нулевого уровня отсчета потенциала.Так как потенциальная энергия
Wp=qφ то работа равна:
Разность потенциалов равен:
Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля при перемещении заряда из начальной точки в конечную к этому заряду. Pазность потенциалов между двумя точками равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту единицу называют вольтом (В).
26. Электроемкость. Конденсаторы. Емкость плоского конденсатора.
Напряжение между двумя проводниками пропорционально электрическим зарядам, которые находятся на проводниках. Если заряды удвоить, то напряженность электрического поля станет в 2 раза больше, следовательно, в 2 раза увеличится и работа, совершаемая полем при перемещении заряда, т. е. в 2 раза увеличится напряжение. Поэтому отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним не зависит от заряда. Оно определяется геометрическими размерами проводников, их формой и взаимным расположением, а также электрическими свойствами окружающей среды (диэлектрической проницаемостью ε). Это позволяет ввести понятие электроемкости двух проводников.
Электроемкостью двух проводников называют отношение заряда одного из проводников к разности потенциалов между этим проводником и соседним:
Иногда говорят об электроемкости одного проводника. Это имеет смысл, если проводник является уединенным, т. е. расположен на большом по сравнению с его размерами расстоянии от других проводников. Так говорят, например, о емкости проводящего шара. При этом подразумевается, что роль другого проводника играют удаленные предметы, расположенные вокруг шара.
Электроемкость двух проводников равна единице, если при сообщении им зарядов ±1 Кл между ними возникает разность потенциалов 1 В. Эту единицу называют фарад (Ф);
1 Ф=1 Кл/В.
Конденсатор. Большой электроемкостью обладают системы из двух проводников, называемые конденсаторами. Конденсатор представляет собой два проводника, разделенные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.
2.Емкость плоского конденсатора. Рассмотрим плоский конденсатор, заполненный однородным изотропным диэлектриком с диэлектрической проницаемостью e, у которого площадь каждой обкладки S и расстояние между ними d. Емкость такого конденсатора находится по формуле:
где ε –диэлектрическая проницаемость среды, S – площадь обкладок, d – расстояние между обкладками.
Из этого следует, что для изготовления конденсаторов большой ёмкости надо увеличить площадь обкладок и уменьшать расстояние между ними.
Энергия W заряженного конденсатор: или
Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования её при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного токов, в выпрямителях, колебательных контурах и других радио-электронных устройствах. В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.
Применение конденсаторов. Энергия конденсатора обычно не очень велика — не более сотен джоулей. К тому же она не сохраняется долго из-за неизбежной утечки заряда. Поэтому заряженные конденсаторы не могут заменить, например, аккумуляторы в качестве источников электрической энергии.
Они имеют одно и свойство: конденсаторы могут накапливать энергию более или менее длительное время, а при pазрядке через цепь малого coпpoтивления они отдают энергию почти мгновенно. Именно это свойство используются широко на практике.
Лампа-вспышка, применяемая в фотографии, питается электрическим током разряда конденсатор.
27. Электрический ток. Сила тока. Закон Ома для участка цепи.
При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда с одного места в другое. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит. Электрический заряд перемещается через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в упорядоченном движении.
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 заряженых частиц. 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.
Закон Ома. Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые (для металлов) ее установил немецкий ученый Георг Ом, поэтому зависимость силы тока от напряжения носит название закона Ома.
напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:
Доказать экспериментально справедливость закона Ома трудно.
28. Сопротивление проводников. Последовательное и параллельное соединение проводников.
Сопротивление. Основная электрическая характеристика проводника — сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении. Сопротивление проводника представляет собой как бы меру противодействия проводника установлению в нем электрического тока.
С помощью закона Ома можно определить сопротивление проводника: ,
для этого нужно измерить напряжение и силу тока.
сечения S Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров. Сопротивление проводника длиной l с постоянной площадью поперечного равно:
где р — величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь). Величину р называют удельным сопротивлением проводника. Удельное сопротивление численно равно сопротивлению проводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток направлен вдоль нормали к двум противоположным граням куба.
Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока в нем 1 А.
Единицей удельного сопротивления является 1 Ом-м.
Последовательное соединение проводников. При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений. Все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.
Сила тока в обоих проводниках одинакова, т.е. I1=I2=I так как в проводниках электрический заряд в случае постоянного тока не накапливается и через любое поперечное сечение проводника за определенное время проходит один итот же заряд.
Напряжение на концах рассматриваемого участка цепи складывается из напряжений на первом и втором проводниках: U=U1+U2
Полное сопротивление всего участка цепи при последовательном соединении равно: R=R1+ R1
Параллельное соединение проводников.
29. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.
Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду:
Электродвижущую силу выражают в вольтах.
Электродвижущая сила гальванического элемента есть работа сторонних
сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому.
Сопротивление источника часто называют внутренним сопротивлением в отличие от внешнего сопротивления R цепи. В генераторе r — это сопротивление обмоток, а в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов. Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление R+r цепи.
Произведение силы тока и сопротивления участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно закон Ома для замкнутой цепи записывают в форме:
где R – сопротивление нагрузки, ε –эдс , r- внутреннее сопротивление.
Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.
Сила тока зависит от трех величин: ЭДС ε, сопротивлений R и r внешнего и внутреннего участков цепи. Внутреннее сопротивление источника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи (R>>r). При этом напряжение на зажимах источника приблизительно равно ЭДС:
U=IR≈ε.
При коротком замыкании, когда R→0, сила тока в цепи определяется именно внутренним сопротивлением источника и при электродвижущей силе в несколько вольт может оказаться очень большой, если r мало (например, у аккумулятора r≈0,1—0,001 Ом). Провода могут расплавиться, а сам источник выйти из строя.
Если цепь содержит несколько
последовательно соединенных элементов с ЭДС ε1 , ε2, ε3 и т.д., то полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных элементов.
Если при обходе цепи переходят от отрицательного полюса источника к положительному, то ЭДС >0.
30. Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца.
Работа тока равна: 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:
(формула)
Этот закон называется законом Джоуля- Ленца.
31. 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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
