Электрическое поле. Напряжённость – силовая характеристика электрического поля. Графическое изображение электрических полей. Принцип суперпозиции.

Электрическим полем называется вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов.

Свойства электрического поля:

1) оно материально (обладает энергией);

2) порождается электрическим зарядом;

3) обнаруживается по действию на заряд.

Исследуется электростатическое поле с помощью пробного положительного заряда. Под пробным зарядом понимается заряд, собственное поле которого не изменяет исследуемое поле.

Напряжённость электростатического поля в данной точке поля – это векторная физическая величина, равная отношению силы, действующей со стороны поля на внесённый в данную точку пробный заряд, к величине этого заряда.

Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.

Зная напряжённость в какой-либо точке пространства, можно определить силу, которая будет действовать на заряд, помещённый в данную точку. Поэтому напряжённость называется силовой характеристикой электрического поля.

Единица измерения напряжённости [Ē]=1Н/Кл=1 В/м.

Графически электрические поля изображаются с помощью силовых линий или линий напряжённости, которые проводятся в соответствии со следующими правилами:

1) касательная к линии напряжённости в каждой точке совпадает с направлением вектора напряжённости;

2) линии напряжённости всегда незамкнуты: они начинаются на поверхности положительно заряженных тел (или в бесконечности) и заканчиваются на поверхности отрицательно заряженных тел (или уходят в бесконечность);

3) линии напряжённости не пересекаются;

4) по густоте силовых линий судят о величине напряжённости.

Примеры изображения электростатических полей различных заряженных тел.

 

 

Если поле создано точечным зарядом Q, то его напряжённость

Если электрическое поле создано несколькими источниками, то напряжённость такого поля рассчитывается на основании принципа суперпозиции.

Принцип суперпозиции.

Напряжённость поля, созданного системой точечных зарядов q₁, q₂, …q_n в некоторой точке пространства, равна векторной сумме напряжённостей полей, создаваемых каждым из этих зарядов в отдельности.

БИЛЕТ 6

Закон Ома для участка цепи без ЭДС. Сопротивление проводника. Падение напряжения. Потеря напряжения.

Закон Ома был установлен экспериментально.

Для участка, который не содержит источника тока, и, следовательно, сторонние силы отсутствуют, и перемещение носителей происходит только под действием кулоновских сил, закон формулируется следующим образом.

Сила тока на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Сила тока – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Dq, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Dt, к этому промежутку.

Единица измерения силы тока – 1 А. Это сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным прямолинейным параллельным проводникам очень малого сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2 10^-7 Н на каждый метр проводников.

Напряжением на участке цепи называется скалярная физическая величина, численно равная полной работе А, которая совершается кулоновскими и сторонними силами по перемещению вдоль участка цепи единичного положительного заряда.

Единица измерения напряжения – 1 В.

Электрическое сопротивление – физическая величина, характеризующая свойство проводника уменьшать скорость упорядоченного движения свободных носителей заряда в проводнике.

Сопротивление металла связано с рассеянием электронов проводимости на ионах кристаллической решётки и структурных неоднородностях (дефектах и примесях решётки).

Единица измерения сопротивления – 1 Ом. Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при напряжении 1 В сила тока в нём 1 А.

Сопротивление зависит от рода вещества проводника, его геометрических размеров и формы.

Где r - удельное сопротивление проводника, l – длина проводника, S – сечение проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от вещества и температуры

где r₀ – удельное сопротивление проводника при 0⁰С, r - удельное сопротивление проводника при t⁰C, a -температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов он равен 1/273.

Сопротивление проводника определяет вид зависимости тока от напряжения.

Зависимость силы тока от напряжения называется вольт-амперной характеристикой. Для металлов это линейная зависимость.

Падением напряжения на резисторе называется напряжение, которое должно быть приложено к проводнику сопротивлением R, чтобы по нему протекал ток I. Оно равно

U=IR

Для однородного участка цепи падение напряжения равно напряжению.

Потерями напряжения называется падение напряжения на подводящих проводах.

БИЛЕТ 8

Работа и мощность электрического тока. Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.

Электрическое поле, перемещающее заряды по проводнику, совершает работу. Эту работу называют работой тока. При напряжении U между точками цепи работа электрического поля определяется выражением

A=qU

где q – переносимый заряд.

При постоянном токе q=It, где I – сила тока в проводнике, t - время прохождения тока. Тогда А=IUt

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока на напряжение на этом участке и на время прохождения тока.

Единица измерения работы тока – 1 Дж= 1 В 1А 1 с

Если ток протекает по однородному участку цепи сопротивлением R, то на основании закона Ома для однородного участка цепи, можно получить следующие формулы для расчёта работы тока

Мощность электрического тока равна работе, которая совершается током за единицу времени

Единица измерения мощности – 1 Вт =1 Дж/1 с.

Внесистемная единица измерения работы тока – 1 киловатт-час. 1кВт ч=1000 Дж´3600 с=3,6 10⁶ Дж.

Под действием электрического поля электроны приобретают дополнительную кинетическую энергию. При соударении электрона с ионом решётки эта энергия полностью передаётся решётке и идёт на увеличение внутренней энергии проводника, т.е. проводник нагревается.

Количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Джоуля-Ленца.

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока.

Q=I²Rt

Если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химического действия, то вся работа тока затрачивается на нагревание проводника Q=А.

Если участок цепи однородный, то на основании закона Ома для однородного участка цепи можно записать

Если два проводника сопротивлениями R₁ и R₂ соединены последовательно, то

Количество теплоты, выделяемое током на последовательно соединённых проводниках, пропорционально сопротивлениям этих проводников.

Если два проводника сопротивлениями R₁ и R₂ соединены параллельно, то

Количество теплоты, выделяемое током на параллельно соединённых проводниках, обратно пропорционально сопротивлениям этих проводников.

На законе Джоуля-Ленца основано действие многих электронагревательных приборов.

 

 

БИЛЕТ 7

Внешний и внутренний участки цепи. Закон Ома для замкнутой цепи с одной ЭДС.

Для существования постоянного тока в цепи необходимо поддерживать неизменную разность потенциалов на её концах. Эту функцию выполняет устройство, которое называется источником тока. Внутри источника тока за счёт сил неэлектростатической природы, так называемых сторонних сил, происходит перенос положительного заряда от меньшего потенциала к большему, т.е. происходит разделение зарядов, в результате которого на одном из полюсов источника накапливается положительный заряд, а на другом – отрицательный, т.е. поддерживается разность потенциалов между полюсами источника тока.

Характеристикой действия сторонних сил является электродвижущая сила – ЭДС.

ЭДС численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи.

Единица измерения ЭДС – 1 В.

Замкнутая цепь состоит из внутренней и внешней частей. Внутренняя часть цепи представляет собой источник тока, обладающий внутренним сопротивлением r; внешняя – различные потребители, соединительные провода, приборы и т.д. с общим сопротивлением R.

Работа сторонних сил по перемещению по замкнутой цепи заряда q равна

А_ст=qe

Если в цепи не совершается механическая работа и ток не производит химического действия, то вся работа затрачивается на нагревание проводника.

По закону Джоуля-Ленца

Q=I²Rt+I²rt=I²(R+r)t

Так как А_ст= Q, то qe= Ite= I²(R+r)t и e= I(R+r). Отсюда получаем закон Ома для замкнутой цепи

Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Если сопротивление внешней цепи стремится к нулю, то в цепи возникает максимально возможный ток, который называется током короткого замыкания.

Закон Ома можно записать в следующем виде

e= IR+ I r=U+Ir

Это значит, что ЭДС источника равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках замкнутой цепи.

Полная мощность источника

Р= Ie= I²(R+r)

Мощность, выделяемая на внешнем участке цепи, называется полезной мощностью

Мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении в источнике тока, называется теряемой мощностью

Коэффициент полезного действия источника тока h равен отношению полезной мощности Р_пол к полной мощности Р

БИЛЕТ 9

Взаимодействие токов. Магнитное поле. Графическое изображение магнитных полей проводников с токов различной формы. Правило буравчика.

Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, установленная под проводником с током, стремится установиться перпендикулярно проводнику. Точно также ведёт себя стрелка, т.е. устанавливается определённым образом, в магнитном поле. Следовательно, проводник с током является источником магнитного поля.

Если проводник с током поместить между полюсами подковообразного магнита, то он будет отклоняться. Следовательно, магнитное поле действует на проводник с током.

Таким образом: 1) проводник с током является источником магнитного поля; 2) магнитное поле действует на проводник с током.

Эти два вывода подтверждаются следующим опытом Ампера.

Два проводника, по которым пропускали ток в одном направлении, отклонялись, а именно, притягивались друг к другу. Два проводника, по которым пропускали ток в противоположных направлениях, отталкивались друг от друга. Следовательно, каждый из проводников находится в магнитном поле, созданном другим проводником. Именно посредством магнитного поля происходит взаимодействие проводников с током.

Проводник с током – это движущиеся по проводнику заряду. Значит можно сказать, что магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами и действует на движущиеся магнитное заряды.

Обнаруживается магнитное поле по действию на постоянные магниты (магнитные стрелки), проводники с током, отдельные движущиеся электрические заряды и рамки с током.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции.

Магнитная индукция – это векторная величина, модуль которой равен отношению максимальной силы, действующей на проводник с током единичной длины, к силе тока

За направление вектора магнитной индукции в данной точке пространства принимается направление, указываемое северным полюсом магнитной стрелки.

Единица измерения магнитной индукции – 1 тесла.

Графически магнитное поле изображается с помощью линий магнитной индукции. Это линии, в каждой точке которых касательная совпадает по направлению с вектором магнитной индукции.

Свойства линий магнитной индукции:

1) линии не пересекаются;

2) густота линий там больше, где больше модуль магнитной индукции;

3) линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Примеры магнитных полей.

Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

Модуль индукции магнитного поля проводника с током I на расстоянии r

m₀ =4p 10^-7 Н/А² – магнитная постоянная, m - магнитная проницаемость седы

Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной к проводнику, с центром на оси проводника. Направление линий определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик так, чтобы его рукоятка двигалась по направлению тока, то направление вращения буравчика даёт направление магнитных линий.

Магнитное поле кругового тока.

В центре кругового проводника с радиусом R, по которому протекает ток I, модуль индукции магнитного поля

Если буравчик вращать по направлению тока в проводнике, то направление движения рукоятки даёт направление вектора магнитной индукции в центре кругового проводника.

Магнитное поле в соленоиде.

Внутри соленоида длиной l и с количеством витков N, по которому протекает ток I, поле однородно, линии магнитной индукции параллельны друг другу, и модуль магнитной индукции равен

Если буравчик вращать по направлению тока в соленоиде, то направление движения рукоятки даёт направление вектора магнитной индукции внутри соленоида.

 

 

БИЛЕТ 11