2020-06-29
412
Принцип суперпозиции полей - если в данной точке пространства различные заряды создают электрические поля напряженности, которых 
, 
, 
… и т.д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна векторной сумме напряжённостей отдельных полей.
Принцип суперпозиции полей
Рис. 6 Принцип суперпозиции полей:
а) двух положительных зарядов
б) двух отрицательных зарядов
в) положительного и отрицательного зарядов
Потенциал электрического поля
| Потенциал Единица потенциала в СИ — вольт (В). Потенциал поля точечного заряда в данной точке поля прямо пропорционален модулю этого заряда, обратно пропорционален расстоянию от этой точки до заряда и зависит от
среды, в которой находится заряд: | ||||
| Потенциал точечного заряда |
q - электрический заряд (Кл, Кулон)
r – расстояние между электрическими зарядами, (м) | ||
| Разность потенциалов | |||
| Важно помнить, что потенциал заряженного проводника — полого или сплошного, все равно — в любой точке внутри него такой же, как и в любой точке на его поверхности.
Рис. 7 Потенциал электрического поля проводящей сферы или шара Эквипотенциальные поверхности -поверхности, все точки которых имеют одинаковый потенциал. Они равноудалены от заряженных тел и обычно повторяют их форму. Эквипотенциальные поверхности перпендикулярны силовым линиям. | ||||
(В, Вольт)— скалярнаяалгебраическая величина, численно равная работе, которую совершают сторонние силы поля при перемещении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность. Он может быть положительным и отрицательным. Условились считать потенциал поля, созданного положительными зарядами-источниками, положительным, а потенциал поля, созданного отрицательными зарядами-источниками, отрицательным.
, U – потенциал, разность потенциалов (В, Вольт)
, работа сторонних сил по перемещению электрического заряда (Дж, Джоуль)
– напряженность (В/м)
– сила кулоновского взаимодействия (Н, Ньютон)
Проводники и диэлектрики в электрическом поле
| Проводниками называются тела, по которым электрические заряды перемещаются свободно. К ним в первую очередь относятся металлы. В металлах носителями зарядов являются свободные электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, в полупроводниках — электроны и дырки, в газах — положительные ионы и электроны, в вакууме – электроны. Внутри проводника, помещенного во внешнее электрическое поле, электростатическое поле отсутствует Диэлектрики – вещества. Относительно плохо проводящие ток (по сравнению с проводниками)
В диэлектриках все электроны связаны, т.е. принадлежат отдельным атомам, и электрическое поле не отрывает их, а лишь слегка смещает, т.е. поляризует. Поэтому внутри диэлектрика может существовать электрическое поле; диэлектрик оказывает на электрическое поле определенное влияние. Диэлектрики делятся на полярные (центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают) и неполярные (центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают). | |||||||||||||||||||
| Электрическая емкость конденсатора С (Ф, Фарад) – называют численную величину заряда, которую нужно сообщить проводнику, чтобы изменить его потенциал на единицу. | |||||||||||||||||||
|
| Электроемкость | q - электрический заряд (Кл, Кулон) С – Электроемкость (Ф, Фарад) d – расстояние (м, метр) | |||||||||||||||||
| Конденсатор – это два проводника, разделенных слоем диэлектрика, который служит для накопления заряда.
Рис. 8 Конденсатор Плоский конденсатор - система двух разноименно заряженных пластин. | |||||||||||||||||||
| Электроемкость плоского конденсатора | С – Электроемкость (Ф, Фарад) d – расстояние (м, метр) S – площадь обкладок конденсатора (м2) r – расстояние между электрическими зарядами, (м)
| |||||||||||||||||
| Потенциальная энергия плоского конденсатора | ||||||||||||||||||
| Соединение конденсаторов
| |||||||||||||||||||
-электрическая постоянная
– диэлектрическая проницаемость среды
Электрический ток
| Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие. · Электрический ток может возникать в самых различных средах: твёрдых телах, жидкостях, газах. Порой и среды никакой не нужно — ток может существовать даже в вакууме! · Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов. Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу»
Рис. 9 Направление тока в цепи. · По графику зависимости I(t) можно вычислить заряд, прошедший по цепи за интервал времени от t=t1 до t=t2. Он численно равен площади фигуры, ограниченной графиком функции I(t), осью t и вертикальными прямыми t=t1 и t=t2.
Рис. 10 График зависимости I(t) · Если сила тока и его направленность не меняются со временем, то он называется постоянным током. Для постоянного тока:
| ||
| Сила тока | I – сила тока (А, Ампер) t – время (с, секунда) q – электрический заряд (Кл, Кулон) |
|
АМПЕРМЕТР – прибор для измерения силы электрического тока.
Рис. 11 Амперметры
Рис. 12 Схематическое изображение амперметра | ||
Напряжение. Закон Ома
| Напряжение – (U) равно отношению работы электрического поля по перемещению заряда к величине перемещаемого заряда на участке цепи.
Рис. 13 Напряжение | ||||
|
| Напряжение | q – электрический заряд (Кл, Кулон) U – напряжение (В, Вольт) А - работа (Дж, Джоуль) | ||
| · 1 Вольт равен электрическому напряжению на участке цепи, где при протекании заряда, 1 В = 1 Дж/1 Кл. · ВОЛЬТМЕТР - прибор для измерения электродвижущей силы и напряжения в электрической цепи.
Рис. 14 Вольтметры
Рис. 15 Схематическое изображение вольтметра | ||||
| Закон Ома для участка цепи -сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка. Закон Ома оказался справедливым не только для металлов, но и для растворов электролитов.
Рис. 16 Вольт-амперная характеристика металлического проводника
| ||||
| Закон Ома | I – сила тока (А, Ампер) U – напряжение (В, Вольт) R – сопротивление (Ом) | ||
Электрическое сопротивление. Закон Ома для полной цепи.
|
|
|
| Электрическое сопротивление R (Ом) – металлов характеризует тормозящее действие положительных ионов кристаллической решетки на движение свободных электронов: Проводник, обладающий сопротивлением R называется резистором и изображается следующим образом:
Рис.17 Резисторы
Рис.18 Схематическое изображение резистора Реоста́т (потенциометр) служащих для регулировки и получения требуемой величины сопротивления. Как правило, состоит из проводящего элемента с устройством регулирования электрического сопротивления. Изменение сопротивления может осуществляться как плавно, так и ступенчато.
Рис.19 Реостаты
Рис.20 Схематическое изображение реостата | ||||||
| Сопротивление | R – сопротивление (Ом)
l – длина проводника (м, метр) S – площадь поперечного сечения проводника (м2) | ||||
| Полная цепь содержит источник тока. Для его функционирования необходима сторонняя сила - сила любой природы (кроме электрической), которая разделяет заряды внутри источника тока. Сторонние силы бывают механические, магнитные, химические, световые, тепловые. Электродвижущая сила ξ (В) характеризует работу сторонних сил по перемещению зарядов внутри проводника:
Закон Ома для полной цепи:
| ||||||
|
| Закон Ома для полной цепи | I – сила тока (А, Ампер) U – напряжение (В, Вольт) R – сопротивление (Ом)
r – внутреннее сопротивление (Ом) | ||||
|
| ЭДС источника | |||||
|
| Напряжение на внешней цепи | |||||
|
| КПД источника тока | |||||
| Мы видим из формулы закона Ома, что в реальной цепи будет U < E — ведь E умножается на дробь, меньшую единицы. Но есть два случая, когда U = E. 1. Идеальный источник тока. Так называется источник с нулевым внутренним сопротивлением. При r = 0 формула даёт U = E. 2. Разомкнутая цепь. Рассмотрим источник тока сам по себе, вне электрической цепи. В этом случае можно считать, что внешнее сопротивление бесконечно велико: R = 1. Тогда величина R + r неотличима от R, и формула снова даёт нам U = E.
Смысл этого результата прост: если источник не подключён к цепи, то идеальный вольт-метр, подсоединённый к полюсам источника, покажет его ЭДС. | ||||||
– удельное сопротивление проводника (Ом∙м)
Соединение проводников
Рис.21 Графическое изображение некоторых элементов электрической цепи
· Есть два основных способа соединения проводников друг с другом — это последовательное и параллельное соединения. Различные комбинации последовательного и параллельного соединений приводят к смешанному соединению проводников.
· При последовательном соединении проводников конец каждого проводника соединяется с началом следующего за ним проводника.
Рис.22 Последовательное соединение
· При параллельном соединении проводников их начала подсоединяются к одной точке цепи, а концы — к другой точке.
Рис.23 Параллельное соединение
· Смешанное соединение проводников, как следует из названия, может являться совокупностью любых комбинаций последовательного и параллельного соединений, причём в состав этих со-единений могут входить как отдельные резисторы, так и более сложные составные участки. Расчёт смешанного соединения опирается на уже известные свойства последовательного и параллельного соединений. Ничего нового тут уже нет: нужно только аккуратно расчленить данную схему на более простые участки, соединённые последовательно или параллельно.
Рис.24 Смешанное соединение
Формулы параллельного и последовательного соединения проводников:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||
Мощность, работа, Закон Джоуля-Ленца
| Рассмотрим участок цепи, по которому течёт ток I. Напряжение на участке обозначим U, сопротивление участка равно R
Рис.25 Участок цепи За время t по нашему участку проходит заряд q = It. Заряд перемещается стационарным электрическим полем, которое совершает при этом работу: A = Uq = UIt Как вы помните, мощностью называется отношение работы ко времени её совершения. В частности, мощность тока — это отношение работы тока ко времени, за которое эта работа совершена:
| ||
| Мощность электрического тока | I – сила тока (А, Ампер) U – напряжение (В, Вольт) R – сопротивление (Ом) Q – количество теплоты (Дж, Джоуль) А - работа (Дж, Джоуль) Р – мощность (Вт, Ватт) t – время (с, секунда) |
| Закон Джоуля-Ленца | |
Магнитное поле
Магнитное поле — это форма материи, окружающей движущиеся электрические заряды. Магнитное поле окружает проводники с током.
Магнитные поля обладают рядом свойств:
· Движущиеся ускоренно электрические заряды создают в окружающем пространстве магнитное поле;
· На движущиеся заряды со стороны магнитного поля действует сила, перпендикулярная направлению движения;
· Силовые линии магнитного поля непрерывны и имеют вихревой характер, не имеют, в отличие от силовых линий электрического поля, начала и конца;
Геометрическое представление о магнитном поле можно получить, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса (железные опилки). Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий — так называемых линий магнитного поля.
а)  б)  в) 
рис.26 Магнитное поле: а)прямолинейный проводник с током, б) круговой виток проводника с током, в) катушка с током
Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.
1. Линии магнитного поля, или линии магнитной индукции — это линии, касательные к которым в любой точке пространства совпадают с направлением вектора магнитной индукции  (Тл) (вектор магнитной индукции – силовая характеристика магнитного поля).
2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок
компаса, расположенных в точках данной линии (рис.27).
3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.
 
Рис.27 Поле постоянного магнита
Способы определения направления вектора магнитной индукции:
1. С помощью постоянных магнитов:
· направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением на север магнитной стрелки (рис.27)
· в пространстве между полюсами постоянного магнита вектор магнитной индукции выходит из северного полюса
Рис.28 Постоянный магнит
2. Для проводника с током следуетприменятьправило буравчика: -если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля.
Рис.29 Правило Буравчика.
  3. При определении направления вектора магнитной индукции для витка с током следует применятьследствия из правила Буравчика:
· Если ток по витку идет по часовой стрелке, то вектор магнитной индукции направлен вниз
· Если по витку ток идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции направлен вверх
3. Для определения направления линий магнитного поля соленоида удобнее пользоваться правиломправой руки –если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то оттопыренный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.
Рис. 30 Правило правой руки.
Примечание:Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 31). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом.
Рис. 31 Соленоид.
|
Сила Ампера
| Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, называется силой Ампера. · Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки - если ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца направить по току в проводнике, то большой палец, отставленный на 90°, покажет направление силы Ампера, действующей на этот проводник в данном магнитном поле.
Рис.32 Определение силы Ампера · Величину силы Ампера определяет закон Ампера: сила | ||
| Сила Ампера |  – сила Ампера (Н, Ньютон)
 – вектор магнитной индукции (Тл, Тесла)
 – длина проводника (м, метр)
 – сила тока (А, ампер)
|
Сила Лоренца
| Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся в нем заряд, называется силой Лоренца. Определить направление силы Лоренца можно тоже по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные линии входили в нее, а четыре вытянутых пальца направить по направлению движения положительного заряда (или против направления движения отрицательного заряда), то большой палец, отставленный на 90°, покажет направление силы Лоренца. (Для отрицательного заряда направление силы Лоренца будет противоположным)
Рис.33 Определение силы Лоренца Сила Лоренца | ||
| Сила Лоренца |
m – масса частицы (кг) r – радиус описанной окружности (м, метр)
|
| Радиус описанной окружности при движении частицы в магнитном поле | |
| Движение частицы в магнитном поле. · Если заряженная частица, влетает в однородное магнитное поле параллельно его магнитным линиям, магнитное поле на частицу действовать не будет, ее траектория будет представлять собой прямую линию. (Рис.34а) · Заряженная частица, влетевшая в однородное магнитное поле перпендикулярно его магнитным линиям, движется равномерно по окружности, охватывающей магнитные линии.При этом сила Лоренца направлена по радиусу к центру окружности (Рис.34б) · Если заряженная частица влетает в магнитное поле под углом к магнитным линиям, то она станет двигаться по винтовой линии (Рис.34в)
Рис.34 Движение частицы в магнитном поле | ||
, действующая на заряд q, движущийся в однородном магнитном поле, равна произведению индукции этого поля 
и на синус угла 
между направлением магнитного поля и направлением движения заряда.
Явление электромагнитной индукции
Опыт Эрстеда (рис.35): Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Рис.35 Опыт Эрстеда
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи. Примером такого воздействия могут послужить два параллельных провода, которые отталкиваются, если направления токов в них противоположны, и притягиваются, если направления токов совпадают.
Рис.36 Взаимодействие параллельных токов
Опыты Фарадея (рис.37)Опыт Эрстеда показал, что электрический ток создаёт в окружающем пространстве магнитное поле. Майкл Фарадей пришёл к мысли, что может существовать и обратный эффект: магнитное поле, в свою очередь, порождает электрический ток.
На одну и ту же деревянную основу были намотаны две катушки; витки второй катушки были проложены между витками первой и изолированы. Выводы первой катушки подключались к источнику тока, выводы второй катушки — к гальванометру
Таким образом, получались два контура: «источник тока — первая катушка» и «вторая катушка — гальванометр». Электрического контакта между контурами не было, только лишь магнитное поле первой катушки пронизывало вторую катушку.
При замыкании цепи первой катушки гальванометр регистрировал короткий и слабый
импульс тока во второй катушке. Когда по первой катушке протекал постоянный ток, никакого тока во второй катушке не возникало. При размыкании цепи первой катушки снова возникал короткий и слабый импульс тока во второй катушке, но на сей раз в обратном направлении по сравнению с током при замыкании цепи.
Вывод.
Меняющееся во времени магнитное поле первой катушки порождает (или, как говорят,
индуцирует) электрический ток во второй катушке. Этот ток называется индукционным током.
· Если магнитное поле первой катушки увеличивается (в момент нарастания тока при замыкании цепи), то индукционный ток во второй катушке течёт в одном направлении.
· Если магнитное поле первой катушки уменьшается (в момент убывания тока при размыкании цепи), то индукционный ток во второй катушке течёт в другом направлении.
· Если магнитное поле первой катушки не меняется (постоянный ток через неё), то индукционного тока во второй катушке нет.
Обнаруженное явление Фарадей назвал электромагнитной индукцией
 
Рис.37 Опыты Фарадея
Для подтверждения догадки о том, что индукционный ток порождается переменным магнитным полем, Фарадей перемещал катушки друг относительно друга. Цепь первой катушки всё время оставалась замкнутой, по ней протекал постоянный ток, но за счёт перемещения (сближения или удаления) вторая катушка оказывалась в переменном магнитном поле первой катушки.
Гальванометр снова фиксировал ток во второй катушке. Индукционный ток имел одно направление при сближении катушек, и другое — при их удалении. При этом сила индукционного тока была тем больше, чем быстрее перемещались катушки.
Первая катушка была заменена постоянным магнитом. При внесении магнита внутрь второй катушки возникал индукционный ток. При выдвигании магнита снова появлялся ток, но в другом направлении. И опять-таки сила индукционного тока была тем больше, чем быстрее двигался магнит.
Эти и последующие опыты показали, что индукционный ток в проводящем контуре возникает во всех тех случаях, когда меняется «количество линий» магнитного поля, пронизывающих контур. Сила индукционного тока оказывается тем больше, чем быстрее меняется это количество линий. Направление тока будет одним при увеличении количества линий сквозь контур, и другим — при их уменьшении.
Замечательно, что для величины силы тока в данном контуре важна лишь скорость изменения количества линий. Что конкретно при этом происходит, роли не играет — меняется ли само поле, пронизывающее неподвижный контур, или же контур перемещается из области с одной густотой линий в область с другой густотой.
Явление электромагнитной индукции — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.
Такова суть закона электромагнитной индукции. Но, чтобы написать формулу и производить расчёты, нужно чётко формализовать расплывчатое понятие «количество линий поля сквозь контур».
|
Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца.
| Магнитным потоком Ф (потоком вектора магнитной индукции) через поверхность площадью S называют величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции
Рис.38 Магнитный поток | ||||||
|
| Магнитный поток |
S – площадь поверхности (м2)
| ||||
| Итак, при изменении магнитного потока, проходящего через контур, на свободные заряды в контуре действуют некоторые силы — сторонние силы, вызывающие движение зарядов (электрический ток). Работа, которую совершают эти силы, чтобы переместить электрический заряд по контуру – названа ЭДС (электродвижущая сила). Закон электромагнитной индукции Фарадея. При изменении магнитного потока, пронизывающего контур, в этом контуре возникает ЭДС индукции, равная модулю скорости изменения магнитного потока | ||||||
|
| Магнитный поток | L – индуктивность катушки (Гн, Генри)
| ||||
|
| ЭДС самоиндукции | |||||
|
| ЭДС индукции в движущемся проводнике | |||||
| Индуктивность L (Гн) характеризует способность проводника создавать магнитный поток. Индуктивность – мера инертности электрической цепи. Самоиндукция – явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи. Правило Ленца - в замкнутом проводящем контуре возникает индукционный ток такого направления, что созданное им магнитное поле, препятствует изменению магнитного потока, в результате которого этот ток возник. Таким образом, индукционное магнитное поле препятствует изменению внешнего магнитного поля.
При замыкании цепи энергия равна работе по созданию тока (вихревого электрического поля). При размыкании энергия магнитного поля превращается в тепловую (искра., дуга). По аналогии с кинетической энергией: | ||||||
| Энергия магнитного поля |  - Энергия магнитного поля (Дж, Джоуль)
L – индуктивность катушки (Гн, Генри)
 – сила тока (А, ампер)
| ||||
на площадь S и косинус угла 
между векторами 
– магнитный поток (Вб, Вебер)
– время (с, секунда)
Колебательный контур
| Электромагнитные колебания — это периодические изменения заряда, силы тока и напряжения, происходящие в электрической цепи.Простейшей системой для наблюдения электро-магнитных колебаний служитколебательный контур. Колебательный контур — (рис.39), это замкнутый контур, образованный последовательно соединёнными конденсатором и катушкой.
Рис.39 Колебательный контур Зарядим конденсатор, подключим к нему катушку и замкнём цепь. Начнут происходить свободные электромагнитные колебания — периодические изменения заряда на конденсаторе и тока в катушке. Свободными, напомним, эти колебания называются потому, что они совершаются без какого-либо внешнего воздействия — только за счёт энергии, запасённой в контуре. Электромагнитные колебания, происходящие в колебательном контуре можно описать с помощью формул: | ||||||||||||
|
| Формула Томпсона | T – период колебаний (с, секунда)
I – сила тока (А, Ампер) С – Электроемкость (Ф, Фарад) L – индуктивность катушки (Гн, Генри) | ||||||||||
|
| Собственная частота колебательного контура | |||||||||||
|
| Закон сохранения энергии для колебательного контура | |||||||||||
| Вынужденные электромагнитные колебания – колебания, происходящие под действием внешней периодически изменяющейся ЭДС. Резонанс (рис.40) - явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты внешнего переменного напряжения и собственной частоты колебательного контура. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы.
Рис.40 Резонанс Гармонические электромагнитные колебания – периодические изменения заряда, силы тока и напряжения, происходящие в электрической цепи по закону синуса или косинуса. Для силы тока: | ||||||||||||
|
| Сила тока в колебательном контуре | T – время (с, секунда)
q - электрический заряд (Кл, Кулон) | ||||||||||
| Переменный ток - это вынужденные электромагнитные колебания, вызываемые в электрической цепи источником переменного (чаще всего синусоидального) напряжения Резистор в цепи переменного тока Простейшая цепь переменного тока получится, если к источнику переменного напряжения
Рис.41 Резистор в цепи переменного тока
| ||||||||||||
| Действующее значение силы переменного тока | I – сила тока (А, Ампер) U – напряжение (В, Вольт) | ||||||||||
| Действующее значение напряжения переменного тока | |||||||||||
| Конденсатор в цепи переменного тока Постоянный ток через конденсатор не течёт — для постоянного тока конденсатор является разрывом цепи. Однако переменному току конденсатор не помеха! Протекание переменного тока через конденсатор обеспечивается периодическим изменением заряда на его пластинах.
Рис.42 Конденсатор в цепи переменного тока | ||||||||||||
|
| Емкостное сопротивление |  – Циклическая частота колебаний (рад/с)
С – Электроемкость (Ф, Фарад)
| ||||||||||
| Катушка в цепи переменного тока
Рис.43 Катушка в цепи переменного тока Величина 1. Чем больше индуктивность катушки, тем большая в ней возникает ЭДС индукции, противодействующая нарастанию тока; тем меньшего амплитудного значения достигнет сила тока. Это и означает, что 2. Чем больше частота, тем быстрее меняется ток, тем больше скорость изменения магнитного поля в катушке, и тем большая возникает в ней ЭДС индукции, препятствующая возрастанию тока. При ω→∞ имеем Наоборот, при ω = 0 имеем замыканием цепи. И снова мы видим, что закону Ома подчиняются лишь амплитудные, но не мгновенные значения тока и напряжения. Причина та же — наличие сдвига фаз. | ||||||||||||
|
| Индуктивное сопротивление | – Циклическая частота колебаний (рад/с)
L – индуктивность катушки (Гн, Генри)
| ||||||||||
| Колебательный контур
| ||||||||||||
|
| Закон Ома для цепи переменного тока | I – сила тока (А, Ампер) U – напряжение (В, Вольт) R – сопротивление (Ом) С – Электроемкость (Ф, Фарад) L – индуктивность катушки (Гн, Генри)
| ||||||||||
| Электроэнергия обладает замечательными свойствами, которые и обеспечивают возможность её повсеместного применения. Простота производства. В мире функционирует огромное множество разнообразных генераторов электроэнергии. Передача на большие расстояния. Электроэнергия транспортируется по высоковольтным линиям электропередачи без существенных потерь. Преобразование в другие виды энергии. Электроэнергия легко преобразуется в механическую энергию (электродвигатели), внутреннюю энергию (нагревательные приборы), энергию света (осветительные приборы) и т. д. Распределение между потребителями. Специальные устройства позволяют распределять электроэнергию между потребителями с самыми разными запросами промышленными предприятиями, городскими электросетями, жилыми домами и т. д Трансформатор Это стационарный прибор с двумя или более обмотками, который посредством электромагнитной индукции преобразует систему переменного напряжения и тока в другую систему переменного напряжения и тока, как правило, различных значений при той же частоте в целях передачи электроэнергии без изменения её передаваемой мощности.
Рис.44 Трансформатор Первичная обмотка содержит N1 витков; на неё подаётся входное напряжение U1. Это напряжение как раз и требуется преобразовать — повысить или понизить. Вторичная обмотка содержит N2 витков. К ней подсоединяется нагрузка, условно обозначенная резистором R. Это — потребитель, для работы которого нужно преобразованное напряжение U2 | ||||||||||||
|
| Коэффициент трансформации | U – напряжение (В, Вольт) N – количество витков | ||||||||||
| Величина k называется коэффициентом трансформации. Если k > 1, то трансформатор является понижающим. В этом случае вторичная обмотка содержит меньше витков, чем первичная; потребитель получает меньшее напряжение, чем то, что поступает на вход трансформатора. На рис. 3 изображён как раз понижающий трансформатор. Если же k < 1, то трансформатор будет повышающим. Вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, и потребитель получает напряжение более высокое, чем на входе трансформатора. | ||||||||||||
; 
– амплитуда колебаний силы тока (А, Ампер)
подключить обычный резистор R, называемый также активным сопротивлением
называется индуктивным сопротивлением катушки. Это и есть то самое со-противление, которое наша катушка оказывает переменному току (при нулевом со-противлении).Индуктивное сопротивление катушки пропорционально её индуктивности и частоте колебаний. Обсудим физический смысл этой зависимости.
, т. е. высокочастотный ток практически не проходит через катушку.
,0. Для постоянного тока катушка является коротким
Электромагнитное поле
| Электромагнитное поле – это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля. Свойства электромагнитных волн Эксперименты показали, что электромагнитным волнам присущи те же основные свойства, что и другим видам волновых процессов. 1. Отражение волн. Электромагнитные волны отражаются от металлического листа — это было обнаружено ещё Герцем. Угол отражения при этом равен углу падения. 2. Поглощение волн. Электромагнитные волны частично поглощаются при прохождении сквозь диэлектрик. 3. Преломление волн. Электромагнитные волны меняют направление распространения при переходе из воздуха в диэлектрик (и вообще на границе двух различных диэлектриков). 4. Интерференция волн. Герц наблюдал интерференцию двух волн: первая приходила к приёмному вибратору непосредственно от излучающего вибратора, вторая — после предварительного отражения от металлического листа. 5. Дифракция волн. Электромагнитные волны огибают препятствия, размеры которых со-измеримы с длиной волны. Например, радиоволны, длина волны которых составляет несколько десятков или сотен метров, огибают дома или горы, находящиеся на пути их распространения. Различные виды электромагнитных излучений и их применение 1. Радиоволны (λ > 1 мм). Источниками радиоволн служат колебания зарядов в проводах, антеннах, колебательных контурах. Радиоволны излучаются также во время гроз. · Сверхдлинные волны (λ > 10 км). Хорошо распространяются в воде, поэтому используются для связи с подводными лодками. · Длинные волны (1км < λ < 10 км). Используются в радиосвязи, радиовещании, радионавигации. · Средние волны (100 м < λ < 1 км). Радиовещание. Радиосвязь на расстоянии не более 1500 км. · Короткие волны (10 м < λ < 100 м). Радиовещание. Хорошо отражаются от ионосферы; в результате многократных отражений от ионосферы и от поверхности Земли могут распространяться вокруг земного шара. Поэтому на коротких волнах можно ловить радиостанции других стран. · Метровые волны (1 м < λ < 10 м). Местное радиовещание в УКВ-диапазоне. Например, длина волны радиостанции «Эхо Москвы» составляет 4 м. Используются также в телевидении (федеральные каналы); так, длина волны телеканала «Россия 1» равна примерно 5 м. · Дециметровые волны (10 см < λ < 1 м). Телевидение (дециметровые каналы). Например, длина волны телеканала «Animal Planet» приблизительно равна 42 см. Это также диапазон мобильной связи; так, стандарт GSM 1800 использует радиоволны с частотой примерно 1800 МГц, т. е. с длиной волны около 17 см. Есть ещё одно хорошо известное вам применение дециметровых волн — это микроволновые печи. Стандартная частота микроволновой печи равна 2450 МГц (это частота, на которой происходит резонансное поглощение электромагнитного излучения молекулами воды). Она отвечает длине волны примерно 12 см. Наконец, в технологиях беспроводной связи Wi-Fi и Bluetooth используется такая же длина волны — 12 см (частота 2400 МГц). · Сантиметровые волны (1 см < λ < 10 см). Это — область радиолокации и спутниковых телеканалов. Например, канал НТВ+ ведёт своё телевещание на длинах волн около 2 см. · Миллиметровые волны (1 мм < λ < 1 см). Радиолокация, космические линии связи. Здесь мы подходим к длинноволновой границе инфракрасного излучения. 2. Инфракрасное излучение (780 нм < λ < 1 мм). Испускается молекулами и атомами нагретых тел. Инфракрасное излучение называется ещё тепловым — когда оно попадает на наше тело, мы чувствуем тепло. Человеческим глазом инфракрасное излучение не воспринимается. Мощнейшим источником инфракрасного излучения служит Солнце. Лампы накаливания излучают наибольшее количество энергии (до 80%) в как раз в инфракрасной области спектра. Инфракрасное излучение имеет широкую область применения: инфракрасные обогреватели, пульты дистанционного управления, приборы ночного видения, сушка лакокрасочных покрытий и многое другое. При повышении температуры тела длина волны инфракрасного излучения уменьшается, смещаясь в сторону видимого света. Засунув гвоздь в пламя горелки, мы можем наблюдать это воочию: в какой-то момент гвоздь «раскаляется докрасна», начиная излучать в видимом диапазоне. 3. Видимый свет (380 нм < λ < 780 нм). Излучение в этом промежутке длин волн воспринимается человеческим глазом. Диапазон видимого света можно разделить на семь интервалов — так называемые спек-тральные цвета. · Красный: 625 нм — 780 нм; · Оранжевый: 590 нм — 625 нм; · Жёлтый: 565 нм — 590 нм; · Зелёный: 500 нм — 565 нм; · Голубой: 485 нм — 500 нм; · Синий: 440 нм — 485 нм; · Фиолетовый: 380 нм — 440 нм. Глаз имеет максимальную чувствительность к свету в зелёной части спектра. Вот почему школьные доски согласно ГОСТу должны быть зелёными: глядя на них, глаз испытывает меньшее напряжение. 4. Ультрафиолетовое излучение (10 нм < λ < 380 нм). Главным источником ультрафиолетового излучения является Солнце. Именно ультрафиолетовое излучение приводит к появлению загара. Человеческим глазом оно уже не воспринимается. В небольших дозах ультрафиолетовое излучение полезно для человека: оно повышает иммунитет, улучшает обмен веществ, имеет целый ряд других целебных воздействий и потому применяется в физиотерапии. Ультрафиолетовое излучение обладает бактерицидными свойствами. Например, в больницах для дезинфекции операционных в них включаются специальные ультрафиолетовые лампы. Очень опасным является воздействие УФ излучения на сетчатку глаза — при больших дозах ультрафиолета можно получить ожог сетчатки. Поэтому для защиты глаз (высоко в горах, например) нужно надевать очки, стёкла которых поглощают ультрафиолет. 5. Рентгеновское излучение (5 пм < λ < 10 нм). Возникает в результате торможения быстрых электронов у анода и стенок газоразрядных трубок (тормозное излучение), а также при некоторых переходах электронов внутри атомов с одного уровня на другой (характеристическое излучение). Рентгеновское излучение легко проникает сквозь мягкие ткани человеческого тела, но поглощается кальцием, входящим в состав костей. Это даёт возможность хорошо известные вам рентгеновские снимки. В аэропортах вы наверняка видели действие рентгенотелевизионных интроскопов — эти приборы просвечивают рентгеновскими лучами ручную кладь и багаж. Длина волны рентгеновского излучения сравнима с размерами атомов и межатомных расстояний в кристаллах; поэтому кристаллы являются естественными дифракционными решётками для рентгеновских лучей. Наблюдая дифракционные картины, получаемые при прохождении рентгеновских лучей сквозь различные кристаллы, можно изучать порядок расположения атомов в кристаллических решётках и сложных молекулах. Так, именно с помощью рентгеноструктурного анализа было определено устройство ряда сложных органических молекул — например, ДНК и гемоглобина. В больших дозах рентгеновское излучение опасно для человека — оно может вызывать раковые заболевания и лучевую болезнь. 6. Гамма-излучение (λ < 5 пм). Это излучение наиболее высокой энергии. Его проникающая способность намного выше, чем у рентгеновских лучей. Гамма-излучение возникает при переходах атомных ядер из одного состояния в другое, а также при некоторых ядерных реакциях. Некоторые насекомые и птицы способны видеть в ультрафиолете. Например, пчёлы с помощью своего ультрафиолетового зрения находят нектар на цветах. Источниками гамма-лучей могут быть заряженные частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света — в случае, если траектории таких частиц искривлены магнитным полем (так называемое синхротронное излучение). В больших дозах гамма-излучение очень опасно для человека: оно вызывает лучевую болезнь и онкологические заболевания. Но в малых дозах оно может подавлять рост раковых опухолей и потому применяется в лучевой терапии. Бактерицидное действие гамма-излучения используется в сельском хозяйстве (гамма-стерилизация сельхозпродукции перед длительным хранением), в пищевой промышленности (консервирование продуктов), а также в медицине (стерилизация материалов). |
Оптика
Закон прямолинейного распространения света
Закон прямолинейного распространения света. В прозрачной однородной среде световые лучи являются прямыми линиями. Закон прямолинейного света объясняет образование тени и полутени (рис.45, рис.46).
Рис.45 Схема лунного затмения
Рис.46 Схема солнечного затмения
Закон отражения света -
1) падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к отражающей поверхности, проведённый в точке падения, лежат в одной плоскости.
2) Угол отражения равен углу падения.
Рис.47 Закон отражения света
Закон отражения имеет одно простое, но очень важное геометрическое следствие. Давайте посмотрим на рис. 48. Пусть из точки A исходит световой луч. Построим точку A1, симметричную точке A относительно отражающей поверхности KL.
Рис.48 Построение отраженного луча
Из
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
 Сейчас читают про:
  7178 6945 |
