выборка 5-9. Электромагнетизм
 Скачать 1.21 Mb.
| Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей |
      5. Электромагнетизм Многие явления природы (вспышка молнии, взаимодействия магнитов, атомов в твёрдых телах и пр.) можно объяснить только с точки зрения электромагнетизма. Электромагнетизм – раздел физики, в котором изучаются электрические и магнитные явления.
Электрические явления – совокупность явлений, связанных с существованием, движением и взаимодействием электрических зарядов, осуществляемым посредством электрического поля. Магнитные явления – совокупность явлений, связанных с взаимодействиями между электрическими токами (п.5.1.2.1), между электрическими токами и магнитами и между магнитами, осуществляемыми посредством магнитного поля. Традиционно электромагнетизм делят на два раздела: 1. Электричество – раздел электромагнетизма, в котором изучаются электрические явления. 2. Магнетизм – раздел электромагнетизма, в котором изучаются магнитные явления. 5.1. Электричество5.1.1. ЭлектростатикаЭлектростатика – раздел электричества, в котором изучаются взаимодействие и условия равновесия неподвижных относительно ИСО электрических зарядов. 5.1.1.1. Электрический заряд. Электромагнитные |
Кл .
– коэффициент пропорциональности.
. Тогда 
.
.
).
.
; 
... . Отношения же 
.
(п.5.1.1.14)
– силовая характеристика точки электрического поля.
.
.
в данной точке электрического поля, созданного системой n точечных зарядов Qi, равна векторной сумме напряжённостей 
, созданных в этой точке каждым зарядом 
.
в каждой точке поля). 
Расположим две одинаковые металлические пластины параллельно друг другу на малом расстоянии d. Одной из них сообщим заряд +Q, другой –Q.
.
Поместим заряд +q в однородное поле 
, под действием которой он переместился вдоль силовой линии из т.1 в т.2.
Работа поля 
.
, но 
или 
, где 
– угол между векторами 
и 
. 
или 
,
;
;
Пусть Q и q – точечные положительные заряды, расположенные на расстоянии r друг от друга. Заряд q взаимодействует с полем заряда Q. Значит, q обладает потенциальной энергией ЕП1. Если считать, что в бесконечно удалённой от Q точке 
, = 0 (нулевой уровень Еп), то (с учетом п.1.3.7.4.1) Еп1 численно равна работе А поля по перемещению q из данной точки в бесконечность: 
(*).
(**). 
– вольт.
< 0.
(***).
, где i – потенциал i-того поля в данной точке.
) (п.5.1.1.8).
не совершает работу А
(п.1.3.7.4.1) по перемещению 
заряда из одной точки данной поверхности в другую. Из А = 0 
, т. е. силовые линии поля перпендикулярны эквипотенциальной поверхности (или касательной к ней).| Для поля точечного заряда: 1 2 3  | Для однородного поля: 1 2 3  |
5.1.1.13. Разность потенциалов
Известно (п.5.1.1.10), что
или 
, где 
- разность потенциалов.
Разность потенциалов измеряют электрометром или вольтметром.
q
q
2 1
Работа поля положительна (её совершает поле), когда положительный заряд движется из т.1 в т.2 поля, причем
>
. В случае движения этого заряда против линий поля (<), работа поля будет отрицательна (совершается внешней силой против поля). Графически работа – площадь прямоугольника со сторонами q и ():
В случае отрицательного заряда (-q) работа будет положительной, если заряд движется против линий поля.
Для любых двух точек эквипотенциальной поверхности=0 и работа А=0.
5.1.1.14. Связь напряженности и разности потенциалов
Из А = Fd и A = q
Fd = qили qЕd = q 
, т. е. напряжённость однородного электрического поля численно равна разности потенциалов на единице длины силовой линии.5.1.1.15. Проводники и диэлектрики
Возьмём тела 1, 2, 3 и наэлектризуем тело 1. Соединим тела 1 и 3 телом 2. Если вещества тел 2 и 3 проводят электрический заряд, то тело 3 получит часть заряда.Электропроводность – способность тела проводить электрический заряд.
По электропроводности можно выделить две большие группы веществ:
1) проводники – вещества, хорошо проводящие электрический заряд (металлы, электролиты, графит и др.);
2) диэлектрики – вещества, не проводящие электрический заряд (дерево, пластмасса, ткань, стекло и др.).
Полупроводники (п.5.1.3.5) – вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
5.1.1.16. Проводник в электрическом поле
Поместим металлический проводник, состоящий из двух частей, в электростатическое поле 
. Отделим части проводника друг от друга. Приборы покажут, что они несут электрические заряды, равные по величине и противоположные по знаку. Значит, в проводнике есть свободные заряды и они перемещаются. Заряды в проводнике перераспределятся, т.е. произойдет его электризация.
Электростатическая индукция – электризация тел в электростатическом поле.
При электростатической индукции заряды в проводнике перераспределяются и внутри него образуется собственное поле, направленное противоположно внешнему. Перераспределение зарядов закончится, когда в проводнике внешнее и внутреннее поля компенсируют друг друга и напряжённость поля внутри проводника станет равной нулю.
Из опытов известно, что весь электрический заряд наэлектризованного проводника располагается на его поверхности.Значит, если металлическому шару (сфере) сообщить заряд +q, то внутри шара (сферы) не будет ни поля
, ни заряда (qвнутр. = 0), а поверхность будет эквипотенциальной.Это свойство проводников используют в технике для экранирования (защиты приборов от действия внешних полей).
При внесении проводника картина поля меняется, т.к. силовые линии поля каждой точке поверхности проводника перпендикулярны касательной к ней (п.5.1.1.12).
5.1.1.17. Диэлектрик в электрическом поле
Поместим диэлектрик, состоящий из двух частей, в электрическое поле. Разделим диэлектрик. Обе его части остались электрически нейтральными. Значит, в диэлектрике нет свободных электрических зарядов.
Поместим деревянную рейку на стеклянную подставку. Поднесём к концу рейки заряд +q. Рейка поворачивается в сторону заряда. Значит, в диэлектрике есть электрические заряды.Таким образом, в диэлектрике:
1) есть электрические заряды; 2) они связаны (не свободны).
Поведение диэлектрика объясняют тем, что его молекула – диполь.
Диполь – система двух связанных зарядов одинаковой величины и противоположных знаков.
При отсутствии поля диполи расположены произвольно. Под действием внешнего электрического поля 
они смещаются и ориентируются вдоль его силовых линий, создавая внутреннее поле 
. 
или 
.Поляризация диэлектрика – процесс ориентации диполей.
Таким образом, диэлектрик ослабляет внешнее электрическое поле (его напряжённость уменьшается в диэлектрике в раз).
При чрезмерной напряжённости внешнего поля происходит пробой диэлектрика: диполи разрушаются, образуя свободные движущиеся носители заряда. Примером пробоя является молния.
5.1.1.18. Электрическая ёмкость проводника
Закрепим проводящую пластину 1 на изолирующей подставке. К пластине подключим электрометр 2. Сообщая пластине заряд Q, наблюдаем её потенциал относительно Земли. Оказалось, что для данного проводника Q , или Q = С.
Электрическая ёмкость проводника (С) – отношение заряда Q проводника к его потенциалу .
– фарад
Поместим проводник 3 рядом с 1 (1 имеет заряд Q и потенциал 1). На проводнике 3 наводится заряд «–Q», ослабляющий поле проводника 1 и уменьшающий его потенциал (заряд проводника 1 не меняется). Значит, ёмкость С проводника 1 возросла.Соединим проводник 3 с Землёй. Положительный заряд с него ушёл в Землю, остался заряд «–Q». При этом 1 ещё уменьшился, а С – возросла.
Поместим между пластинами диэлектрик (стекло) и сдвинем их между собой. В диэлектрике возникает связанный заряд «–Q'», расположенный очень близко к заряду «+Q» пластины 1. При этом 1 ещё уменьшился, С – возросла.
Таким образом, ёмкость проводника зависит от:
1) его размеров и формы;
2) наличия около него других проводников;
3) наличия вокруг него диэлектрической среды и её свойств.
Потенциал поля шара:
(п.5.1.1.10), т. е. ёмкость шарообразного (сферического) проводника пропорциональна его радиусу r0.
Ёмкость Земли (R 6,4106 м):
Ф.
5.1.1.19. Конденсатор
Конденсатор – система двух проводников (обкладок), разделённых слоем диэлектрика, предназначенная для накопления и хранения заряда.
Размеры обкладок существенно превышают расстояние между ними.
Возьмём конденсатор. Каждая из его обкладок электрически нейтральна и разности потенциалов между ними нет. Подключим к обкладкам аккумуляторную батарею. Обкладка 1 примет от неё заряд «+ Q» и её потенциал 1 станет +, обкладка 2 примет заряд «– Q» и её потенциал 2 станет –. Этот процесс (зарядка конденсатора) протекает быстро (как правило от долей секунды до нескольких секунд).
После окончания зарядки: 1 = + 2 = –
= 1 – 2Q1 = +Q; Q2 = –Q;
.Тогда ёмкость конденсатора
.Отключим источник напряжения. Конденсатор заряжен, его обкладки несут заряды «+ Q» и «– Q». Соединим их проводником. Заряды «+ Q» и «– Q» нейтрализуют друг друга – произойдёт разрядка конденсатора (это происходит практически мгновенно и, как правило, сопровождается искрой).
Рабочая разность потенциалов конденсатора не должна приводить к пробою его диэлектрика.
Ёмкость плоского конденсатора (обкладки – плоские пластины) определяют по формуле:
, где S – площадь обкладки; d – расстояние между обкладками.
Ёмкость конденсатора зависит от его геометрии (d, S) и диэлектрика ().
Обкладки расположены близко друг к другу, несут равные по величине и противоположные по знаку заряды, поэтому за их пределами поле практически отсутствует.
5.1.1.20. Соединение конденсаторов
На практике, для получения определённой ёмкости, конденсаторы соединяют в группы – «батареи».
Последовательное соединение конденсаторов – соединение, при котором после зарядки отрицательно (положительно) заряженная обкладка предыдущего конденсатора соединена с положительно (отрицательно) заряженной обкладкой последующего.
При этом: Q = const, à разность потенциалов крайних обкладок 1 – n =
= (1 – 2) + (2 – 3) + ... + (n–1 – n) или
(*).Из (*) и
или 
Параллельное соединение конденсаторов – соединение, при котором после зарядки все положительно заряженные обкладки собраны в один узел, все отрицательно заряженные – в другой.
При этом
, а заряд на батарее Qбат = Q1 + ... + Qn; Cбат = C1
+...+Cn
; 
или 
5.1.1.21. Энергия электрического поля
заряженного конденсатора
0
Подключим конденсатор ёмкости С к аккумуляторной батарее. Конденсатор принимает заряд, по мере накопления которого растёт и разность потенциалов на обкладках: q = C. При этом источник совершает работу по перемещению заряда, которую можно определить графически (п.5.1.1.13). Из графика q = f() видно, что при разности потенциалов 
конденсатор несёт заряд Q и работа (площадь заштрихованной фигуры) 
. Работа, совершаемая источником при зарядке конденсатора от 0 до
, идёт на увеличение энергии поля заряженного конденсатора от 0 до Wc, т. е.
.Объёмная плотность энергии поля (w) – отношение энергии W поля к его объёму V.
Для плоского конденсатора
.
перейти в каталог файлов