История развития пистолетов-пулеметов: Предпосылкой для возникновения пистолетов-пулеметов послужила давняя тенденция тяготения винтовок...
Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...
Топ:
Процедура выполнения команд. Рабочий цикл процессора: Функционирование процессора в основном состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует...
Выпускная квалификационная работа: Основная часть ВКР, как правило, состоит из двух-трех глав, каждая из которых, в свою очередь...
Устройство и оснащение процедурного кабинета: Решающая роль в обеспечении правильного лечения пациентов отводится процедурной медсестре...
Интересное:
Средства для ингаляционного наркоза: Наркоз наступает в результате вдыхания (ингаляции) средств, которое осуществляют или с помощью маски...
Подходы к решению темы фильма: Существует три основных типа исторического фильма, имеющих между собой много общего...
Как мы говорим и как мы слушаем: общение можно сравнить с огромным зонтиком, под которым скрыто все...
Дисциплины:
2019-09-04 | 968 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Магнитное поле
3.1 (2часа) Магнитное поле тока. Законы Био-Савара-Лапласа и Ампера. Сила Лоренца. Вектор магнитной индукции. Поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции.
В пространстве, где протекает электрический ток и находятся постоянные магниты образуется силовое поле, называемое магнитным полем. Название «магнитное поле» возникло при наблюдении ориентации магнитной стрелки под действием этого поля.
Свойства магнитного поля: 1) Магнитное поле создается током (движущимися зарядами); 2) Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток.
Рис.23
Изучение магнитных полей проводят с помощью 1)рамки стоком, 2)магнитной стрелки. Используют правило буравчика.
За направление магнитного поля принимают направление, в котором устанавливается 1) ось магнитной стрелки от S к N или 2) нормаль к плоскости рамки, определяемая по правилу буравчика (правого винта).
Правило: за положительное направление нормали принимают направление поступательного движения винта, рукоятка которого вращается в направлении тока, протекающего в рамке. Вращающий момент, действующий на рамку: , где - вектор магнитного момента рамки с током, - вектор магнитной индукции. Для плоского контура с током: , где S – площадь поверхности контура (рамки), - единичный вектор нормали. (Направления и совпадают).
Характеристикой поля может служить магнитная индукция:
(51)
Магнитной индукцией поля называется отношение максимального вращающего момента к магнитному моменту, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля. Вектор может быть получен по закону Ампера и из выражения для силы Лоренца.
|
Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Их направление определяется с помощью рамок с током и с помощью магнитных стрелок.
Линии магнитной индукции можно проявить с помощью магнитных стрелок. Свойства линий магнитной индукции: они всегда замкнуты, они нигде не пересекаются, они расположены там гуще, где магнитное поле сильнее, для постоянных магнитов они выходят с из северного полюса и входят в южный.
Магнитное поле – вихревое поле. Магнитных зарядов, подобных электрическим, нет.
Магнитные свойства вещества объясняются циркуляционными токами, протекающими в атомах веществ, они создают свое магнитное поле и могут поворачиваться по отношению к внешнему полю, полю макротоков. Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности магнитного поля .
, (52)
где - магнитная постоянная,
μ – магнитная проницаемость среды, ед, безразмерная величина, она показывает во сколько раз магнитное поле в среде больше чем вне среды,
- вектор напряженности магнитного поля, ,
- индукция магнитного поля, .
, (53)
- индукция магнитного поля вне среды (вакуум),
- связь и Н (индукции и напряженности).
Закон Био-Савара-Лапласа (французские ученые) получен (рис.22) для проводника с током I, элемент dl которого создает в некоторой точке А индукцию поля , записывается в виде:
, (54) где - вектор по модулю равный длине dl провода и совпадающий по направлению с током,
|
- радиус- вектор проведенный из элемента dl проводника в точку А поля,
r – модуль радиуса –вектора .
Направление перпендикулярно и , т.е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат.
Рис.24
Модуль вектора определяется выражением:
. (55)
Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции: вектор магнитной индукции результирующего поля, создаваемого несколькими токами (или их элементами, а также движущимися зарядами) равен векторной сумме магнитных индукций, создаваемых этими токами (или их элементами, а также движущимися зарядами):
. (56)
Расчет характеристик магнитного поля ( и по приведенным формулам в общем случае сложен.. Однако, если распределение тока имеет определенную симметрию, то применение закона Био-Савара-Лапласа и принципа суперпозиции позволяет просто рассчитать конкретные поля.
Рассмотрим два примера:
1. Магнитное поле прямого тока – тока, текущего по тонкому прямому проводу бесконечной длины.
Рис.25
В произвольной точке А, удаленной от оси проводника на расстояние R. Сложение векторов можно заменить сложением их модулей. В качестве постоянной интегрирования выбираем угол α (между и ), выразив через него все остальные величины.
Из рисунка:
, (57)
. (58)
Подставляя эти величины в (43) закон Био-Савара-Лапласа, получим:
. (59)
α меняется от 0 до π, поэтому:
. (60)
Взаимная индукция.
Рис.32
Если ток изменяется, то в контуре 2 индуцируется ЭДС за счет изменения магнитного потока , созданного током в первом контуре и пронизывающего второй: Аналогично, если ток протекает по контуру 2 и изменяется, то ЭДС будет: . Явление возникновения ЭДС в одном из контуров при изменении силы тока в другом называется взаимоиндукцией. Коэффициенты и называются взаимной индуктивностью контуров. Как показывают расчеты Коэффициент взаимной индуктивности (L) зависит от геометрической формы, размеров, взаимного расположения контуров и от магнитной проницаемости окружающей среды. Так, если контуры имеют число витков и и связаны замкнутым сердечником с магнитной проницаемостью μ, площадью S и длиной l, то коэффициент взаимоиндукции будет:
|
Трансформаторы – устройства предназначенные для повышения или понижения напряжения переменного тока. Работа основана на явлении взаимной индукции. Впервые трансформаторы были сконструированы русскими учеными П.Н.Яблочковым и И.Ф.Усагиным.
Рис.33
Простейший трансформатор устроен следующим образом: две обмотки (1 и 2) (первичная и вторичная) насажены на железный сердечник (3). Первичная обмотка подключена к источнику тока, а ко вторичной обмотке может быть подключена к нагрузке. Числа витков первичной и вторичной обмоток соответственно и , ЭДС - и , В результате действия взаимной индукции при подключении первичной обмотки к источнику переменного тока, будет выполняться соотношение: .
Если же подключить нагрузку, то , а мощности . Потери энергии составляют (2-4)%. Если >1, то трансформатор называется повышающим и наоборот при <1 – понижающим.
Энергия магнитного поля. Магнитное поле, образуемое электрическим током, обладает энергией. Энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля:
или (83)
здесь (84)
- объем соленоида.
Объемной плотностью энергии называется , тогда .
Таблица. Сравнение величин электрического и магнитного полей
Электрическое поле | Формулы и обозначения | Магнитное поле | Формулы и обозначения |
Точечный заряд | q, Q | Элемент проводника с током | Idl |
Взаимодействие точечных зарядов | Взаимодействие токов | ||
Электрическая постоянная | Магнитная постоянная | ||
Силовая характеристика электрического поля | Силовая характеристика магнитного поля | ||
Принцип суперпозиции | Принцип суперпозиции | ||
Поляризованность | Намагниченность | ||
Электроемкость | Индуктивность катушки | ||
Энергия заряженного конденсатора | Энергия катушки с током | ||
Объемная плотность энергии | Объемная плотность энергии | ||
Диэлектрическая проницаемость | Ε | Магнитная проницаемость | μ |
Поток вектора через поверхность S | Поток вектора через поверхность S |
|
Образование р- n переходов. Диоды. Транзисторы.
При контакте двух полупроводников р- и n- типов образуется запирающий слой. Такое устройство называется полупроводниковым диодом. Используется для выпрямления переменного электрического тока.
Рис.37
Односторонняя проводимость диодов
Рис.38
Вольтамперная характеристика диода
Рис.39
Транзистор предназначен для усиления электрического тока и для элементов памяти ЭВМ. Коэффициент усиления транзистора .
Рис.40
Интегральные схемы – сверхминиатюрные электронные устройства, состоящие из большого количества элементов. Взяв за основу элемент керамики или полупроводниковый кристалл, на него на молекулярном уровне производят напыление электронных устройств и связей между ними: транзисторов, их сочетаний (триггеров), сопротивлений, катушек и т.д. В результате такой обработки в объеме образуется сложная сеть микроячеек, обладающих определенным комплексом свойств. Такие схемы имеют твердую оболочку и они называются интегральными схемами или большими интегральными схемами (БИС). Такие схемы используются в современных компьютерах и другой вычислительной технике. Интегральные схемы отличаются высокой прочностью и надежностью, очень малым расходом энергии и исключительно малым объемом.
4.2. (0,5 часов) Токи в газах. Ионизация газов. Газоразрядная плазма. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Циклотрон. Масс – спекрометр. Электронный микроскоп.
Газы при не очень высоких температурах и при давлениях, близких к атмосферному, являются хорошими изоляторами. Это объясняется тем, что газы при обычных условиях состоят из нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных зарядов. Газ становится проводником, если часть его молекул ионизируется, т.е. произойдет расщепление нейтральных атомов и молекул на ионы и свободные электроны. Ионизация атомов газов происходит под действием ионизаторов (например, пламя свечи, свет и др.). Прохождение тока через газы называется газовым разрядом. Энергия, необходимая для того чтобы вызвать выбивание электрона из атома, т.е. чтобы превратить его в ион, называется энергией ионизации, значение которой для различных атомов лежат в пределах 4-25 эВ. Процесс, обратный ионизации, называется рекомбинацией. Разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным. Это происходит в результате процесса ударной ионизации.
|
Виды электрического разряда в газах: 1) тлеющий разряд (в трубке при пониженном давлении, ЛДС, неоновые лампы, рекламные трубки и др.); 2) искровой разряд (), распознается по искре и характерному треску (молния, искрение одежды и др.). Используется для воспламенения горючего в ДВС, предохранения ЛЭП от молний (искровые разрядники), искровая обработка металлов (резание, сверление); 3) дуговой разряд (дуга открыта В.В.Петровым). Применяется: для сварки и резки металлов, освещения в мощных прожекторах, в дуговых лампах с ртутными электродами и кварцевым стеклом, как источник мощного ультрафиолетового излучения; 4) коронный разряд – образование искрения и потрескивания на проводах, имеющих высокое напряжение и малый диаметр. Используется в электрофильтрах для очистки газов. Применяется при нанесении красочных и порошковых покрытий.
Плазма – четвертое состояние вещества, состоящее из ионов и электронов. Различают высокотемпературную (электрический разряд в газах) и низкотемпературную (металлы и др.).
Электрический ток в вакууме – движение заряженных частиц в электрическом поле. Для создания тока необходимо впрыснуть в вакуум заряженные частицы. Эти частицы – электроны. В зависимости от способа освобождения электронов различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектронную эмиссию.
Схема масс – спектрометра
Рис.42
По радиусу движения частицы определяют отношение заряда частицы к массе: .
В электронном микроскопе в качестве частиц используют электроны (вместо света). Их фокусировку обеспечивают с помощью магнитных полей, которые создают специальные катушки.
Циклотрон – ускоритель элементарных частиц в магнитном поле под действием переменного электрического тока.
Рис.43
4.3. (0,5 часа) Токи в электролитах, Закон Фарадея. Электролитическая диссоциация. Химические источники тока.
Явление разделения нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы при растворении веществ в жидкостях называется электролитической диссоциацией. При подаче напряжения на электроды в электролите возникает электрический ток.
В химических источниках тока, как было рассмотрено в п.2.1 (закон Ома для участка цепи), происходит взаимодействие химических веществ с одним из электродов, который заряжается отрицательно, а раствор заряжается положительно. Такие источники дают ЭДС от 1,2 до 1,6 В.
Электролиз – явление выделения вещества на электродах, связанное с окислительно – восстановительными реакциями.
Применение электролиза: 1. Гальваностегия – покрытие изделий из металла другими металлами гальваническим методом. 2. Гальванопластика - получение рельефных копий. 3. Получение чистых металлов (алюминия, меди0 и др.
Законы электролиза Фарадея.
отсюда закон Фарадея
(86)
(87)
- электрохимический эквивалент; (88)
- химический эквивалент.
Формулировка (76) – электрохимические эквиваленты веществ пропорциональны их химическим эквивалентам.
Второй вид закона Фарадея: (89)
Обобщения теории Максвелла.
В 60-х годах 19-века Д.К.Максвелл, основываясь на идеях Фарадея об электрическом и магнитном полях, обобщил законы, установленные экспериментальным путем, и разработал теорию единого электромагнитного поля.
Математическим выражением теории Максвелла служат четыре уравнения Максвелла, которые принято записывать в двух формах: интегральной и дифференциальной. Уравнения Максвелла в интегральной форме выражают соотношения, справедливые для мысленно проведенных в электромагнитном поле неподвижных замкнутых контуров и поверхностей. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме показывают как связаны между собой характеристики электромагнитного поля и плотности электрических зарядов и токов в каждой точке этого поля. Дифференциальные уравнения получают из интегральных с помощью теоремы Гаусса и теоремы Стокса.
6.1. Система уравнений Максвелла в дифференциальной форме:
6.2. Уравнения Максвелла в интегральной форме.
Связь величин:
Если поля стационарны, то Е = const и В = const.
Уравнения Максвелла примут вид:
6.3. Уравнение волны:
Резерв времени – 4 часа.
Формулы
; | . | |
. | . | |
; | . | |
. | ||
v | ||
. | . | |
. | ||
; | . | |
; | ||
. | ||
Параллельное соединение конденсаторов: | Законы последовательного соединения проводников: 1) 2) 3) 4) | . |
Последовательное соединение конденсаторов: | Законы параллельного соединения проводников: 1) 2) 3) 4) | |
. | ||
; . | ; . | . |
. | . | Уравнения Максвелла в дифференциальной форме:
|
Основная литература:
1. Савельев И.В. Курс общей физики т. 2, М.:Наука,1999,340с.
2.Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов – М.: «Академия»,2007,560с.
3. Детлаф А.А.,Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие для вузов – М.: «Высшая школа»,2001,718с.
Магнитное поле
3.1 (2часа) Магнитное поле тока. Законы Био-Савара-Лапласа и Ампера. Сила Лоренца. Вектор магнитной индукции. Поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции.
В пространстве, где протекает электрический ток и находятся постоянные магниты образуется силовое поле, называемое магнитным полем. Название «магнитное поле» возникло при наблюдении ориентации магнитной стрелки под действием этого поля.
Свойства магнитного поля: 1) Магнитное поле создается током (движущимися зарядами); 2) Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток.
Рис.23
Изучение магнитных полей проводят с помощью 1)рамки стоком, 2)магнитной стрелки. Используют правило буравчика.
За направление магнитного поля принимают направление, в котором устанавливается 1) ось магнитной стрелки от S к N или 2) нормаль к плоскости рамки, определяемая по правилу буравчика (правого винта).
Правило: за положительное направление нормали принимают направление поступательного движения винта, рукоятка которого вращается в направлении тока, протекающего в рамке. Вращающий момент, действующий на рамку: , где - вектор магнитного момента рамки с током, - вектор магнитной индукции. Для плоского контура с током: , где S – площадь поверхности контура (рамки), - единичный вектор нормали. (Направления и совпадают).
Характеристикой поля может служить магнитная индукция:
(51)
Магнитной индукцией поля называется отношение максимального вращающего момента к магнитному моменту, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля. Вектор может быть получен по закону Ампера и из выражения для силы Лоренца.
Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Их направление определяется с помощью рамок с током и с помощью магнитных стрелок.
Линии магнитной индукции можно проявить с помощью магнитных стрелок. Свойства линий магнитной индукции: они всегда замкнуты, они нигде не пересекаются, они расположены там гуще, где магнитное поле сильнее, для постоянных магнитов они выходят с из северного полюса и входят в южный.
Магнитное поле – вихревое поле. Магнитных зарядов, подобных электрическим, нет.
Магнитные свойства вещества объясняются циркуляционными токами, протекающими в атомах веществ, они создают свое магнитное поле и могут поворачиваться по отношению к внешнему полю, полю макротоков. Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности магнитного поля .
, (52)
где - магнитная постоянная,
μ – магнитная проницаемость среды, ед, безразмерная величина, она показывает во сколько раз магнитное поле в среде больше чем вне среды,
- вектор напряженности магнитного поля, ,
- индукция магнитного поля, .
, (53)
- индукция магнитного поля вне среды (вакуум),
- связь и Н (индукции и напряженности).
Закон Био-Савара-Лапласа (французские ученые) получен (рис.22) для проводника с током I, элемент dl которого создает в некоторой точке А индукцию поля , записывается в виде:
, (54) где - вектор по модулю равный длине dl провода и совпадающий по направлению с током,
- радиус- вектор проведенный из элемента dl проводника в точку А поля,
r – модуль радиуса –вектора .
Направление перпендикулярно и , т.е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат.
Рис.24
Модуль вектора определяется выражением:
. (55)
Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции: вектор магнитной индукции результирующего поля, создаваемого несколькими токами (или их элементами, а также движущимися зарядами) равен векторной сумме магнитных индукций, создаваемых этими токами (или их элементами, а также движущимися зарядами):
. (56)
Расчет характеристик магнитного поля ( и по приведенным формулам в общем случае сложен.. Однако, если распределение тока имеет определенную симметрию, то применение закона Био-Савара-Лапласа и принципа суперпозиции позволяет просто рассчитать конкретные поля.
Рассмотрим два примера:
1. Магнитное поле прямого тока – тока, текущего по тонкому прямому проводу бесконечной длины.
Рис.25
В произвольной точке А, удаленной от оси проводника на расстояние R. Сложение векторов можно заменить сложением их модулей. В качестве постоянной интегрирования выбираем угол α (между и ), выразив через него все остальные величины.
Из рисунка:
, (57)
. (58)
Подставляя эти величины в (43) закон Био-Савара-Лапласа, получим:
. (59)
α меняется от 0 до π, поэтому:
. (60)
Магнитное поле в центре кругового проводника с током.
Рис.26
Все элементы (dl) кругового тока создают в центре круга инд
|
|
Индивидуальные и групповые автопоилки: для животных. Схемы и конструкции...
Наброски и зарисовки растений, плодов, цветов: Освоить конструктивное построение структуры дерева через зарисовки отдельных деревьев, группы деревьев...
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций...
Особенности сооружения опор в сложных условиях: Сооружение ВЛ в районах с суровыми климатическими и тяжелыми геологическими условиями...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!