где — электрическая постоянная. Эта сила направлена вдоль прямой линии, соединяющей заряды. Электрическая постоянная равна или , где фарад (Ф) – единица электроёмкости.
Билет № 13
1. Уединённые проводники обладают крайне малой электроёмкостью. Например, ёмкость Земли всего лишь примерно 0,7 мФ. Однако во многих электронных приборах используются устройства, называемые конденсаторами, в которых накапливаются достаточно большие заряды. Конденсаторы представляют собой два проводника, близко расположенных друг к другу и разделённых слоем диэлектрика. Если этим проводникам (обкладкам) сообщить одинаковые по величине, но противоположные по знаку заряды, то электрическое поле, возникающее между ними, будет практически полностью сосредоточено внутри конденсатора. Поэтому электроёмкость конденсатора мало зависит от расположения окружающих его тел.
Если сообщать конденсатору различные заряды, то и разность потенциалов между его обкладками будет различной. (Под зарядом конденсатора понимается заряд на одной из его обкладок по абсолютной величине). Однако отношение заряда q, находящегося на конденсаторе, к разности потенциалов, возникающую между его обкладками, остаётся постоянным независимо от величины заряда. Поэтому это отношение принимают за характеристику способности конденсатора накапливать на себе заряды. Её по аналогии с проводником называют электроёмкостью (или ёмкостью) конденсатора и обозначают той же буквой С. Итак,
т.е. емкостью конденсатора называется физическая величина равная отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.
Емкость конденсатора не зависит от величины заряда и разности потенциалов между его обкладками и определяется только размерами и формой обкладок конденсатора, а также диэлектрическими свойствами вещества, заполняющего его. Емкость конденсатора, как и ёмкость проводника, измеряется в фарадах (Ф): 1 Ф — это ёмкость такого конденсатора, при сообщении которому заряда в 1 Кл , разность потенциалов между его обкладками изменяется на 1 В.
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:
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.
Билет № 14
1. Работой электрического тока называется работа, которую совершают силы электрического поля, созданного в электрической цепи, по перемещении заряда по этой цепи. Пусть к концам проводника приложена разность потенциалов (напряжение) Тогда работа А, совершаемая электростатическим полем по переносу заряда q за некоторое время 4 равна . Величину протекшего заряда можно найти, используя силу тока I: q = It С учётом этого получаем
Применяя закон Ома для однородного участка цепи U = IR, где R — сопротивление проводника, выражение запишем в виде
2. По определению мощность Р электрического тока равна Р = A/t. Получаем
P=IU.
В системе единиц СИ работа и мощность электрического тока измеряются соответственно в джоулях и ваттах. Однако на практике используется внесистемная единица работы — 1 кВт*ч, т.е. работа тока мощностью 1 кВт за время 1 ч
().
3. Опытным путём джоуль и, независимо от него, Ленц установили, что при протекании электрического тока по проводнику он нагревается, в результате чего увеличивается его внутренняя энергия. Количество теплоты Q, выделяемое в проводнике пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника R и времени протекания t, т.е.
Соотношение называют законом Джоуля - Ленца.
2. ЭДС. Возьмём два проводника, заряженные разноимёнными зарядами, и соединим их другим проводником. Тогда в этом проводнике за счёт разности потенциалов на его концах возникает электрическое поле, под действием которого свободные заряды (носители тока) приходят в упорядоченное движение от положительного потенциала к отрицательному (имеется в виду движение положительных зарядов, поскольку за направление тока принимается движение именно этих зарядов), т.е. возникает электрический ток. Однако этот ток очень быстро прекращается вследствие того, что протекание тока приводит к выравниванию потенциалов на концах проводника и к исчезновению внутри него электрического поля.
Для непрерывного протекания тока по проводнику необходимо к его концам подключить устройство, которое бы отводило положительные заряды с конца, обладающего отрицательным потенциалом, к концу — с положительным, производя разделение зарядов и поддерживая разность потенциалов. Такие устройства называются источниками тока. Указанное движение зарядов внутри источника тока (движение от точки 1 к точке 2) возможно лишь в том случае, если на них со стороны источника тока действуют силы не электростатического происхождения, направленные против сил электростатического поля, Их называют сторонними силами. Природа сторонних сил может быть различной. Так, в аккумуляторах они возникают вследствие химических реакций между электродами и электролитом.
Действие сторонник сил характеризуют физической величиной, называемой электродвижущей силой (э.д.с.). Она равна работе, которую совершают сторонние силы по перемещению единичного заряда внутри источника тока, т.е. в области, где действуют сторонние силы. Если при перемещении заряда q сторонние силы совершили работу Аст, то по определению э.д.с. равна Из этой формулы следует, что э.д.с., как и разность потенциалов, измеряется в вольтах Если цепь, в которой протекает ток, замкнутая, то работа сторонних сил по всей цепи равна работе этих сил внутри источника, поскольку вне источника сторонние силы не действуют. Таким образом, электродвижущая сила равна работе, которую совершают сторонние силы по перемещению единичного заряда по замкнутой цепи.
3. Закон Ома для полной цепи.
Выведем закон Ома для такой цепи. При протекании электрического тока по цепи происходит нагревание резистора и источника тока. Нагревая источника тока свидетельствует о том, что он обладает некоторым внутренним сопротивлением. Обозначим его через т. Очевидно, что нагревание источника тока и резистора R происходит за счёт работы сторонних сил. Согласно закону сохранения энергий, эта работа будет равняться количеству теплоты, выделяемой в источнике и в резисторе, т.е.
где и — количество теплоты, выделяемой в резисторе и на внутреннем сопротивлении источника тока. Но . Здесь I - сила тока, текущего в цепи, t — время протекания тока. С учётом этого получаем. Разделив последнее равенство на It и учитывая, что q = It, находим
Это соотношение называют законом Ома для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна общему сопротивлению цепи.
Билет № 15
1. Выясним, какие изменения происходят в окружающем заряды пространстве, если они приходят в равномерное движение?
Присоединим два гибких металлических проводника, укреплённых параллельно, к источнику тока. На проводниках появляются равномерно распределённые заряды противоположных знаков, которые создают вокруг себя электростатическое поле. В результате этого возникает сила электростатического притяжения. Если замкнуть ключ, то по проводникам потечёт постоянный ток. При этом, несмотря на силы электростатического притяжения, проводники отталкиваются. Это свидетельствует о том, что между ними возникли силы неэлектростатического происхождения. Их появление можно объяснить, если предположить, что вокруг проводника с током, т.е. вокруг упорядоченно движущихся электрических зарядов, образуется поле, отличающееся от электростатического поля. Его назвали магнитным. Тогда взаимодействие токов объясняется следующим образом. Магнитное поле, создаваемой током, текущим по одному проводнику, действует на ток, проходящий по другому, и наоборот.
Итак, приходим к выводу: вокруг равномерно движущихся электрических зарядов возникает магнитное поле, которое обнаруживается по действию на другие движущиеся в этом поле заряды. Необходимо отметить, что электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся заряды, а магнитное только на движущиеся.
2. Индукция магнитного поля. Магнитное поле характеризуют физической величиной, называемой индукцией магнитного поля, являющуюся вектором. Обозначим её через В.
Подобно тому, как для изучения электрического поля используются пробные электрические заряды, при исследовании магнитного поля применяются пробные контуры. Пробными называют замкнутые контуры, по которым течёт постоянный ток, внесение которых не искажает исследуемого поля. Пробный контур характеризуют магнитным моментом Рм, который является вектором. Его модуль равен
где I - сила тока в контуре, S - площадь контура. Вектор Рм направлен перпендикулярно к плоскости контура и связан с направлением тока правилом правого винта: при вращении винта в направлении тока, его поступательное движение показывает направление магнитного момента контура. Из формулы следует, что магнитный момент измеряется в ампер*метр2 (Ам2).
При внесении пробного контура в магнитное поле он устанавливает так, что его магнитный момент совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в данной точке поля. Если контур вывести из положения равновесия, то на него будет действовать момент сил, стремящийся вернуть его в положение равновеся. Этот момент сил будет наибольшим (максимальным), когда магнитный момент контура перпендикулярен к вектору В. Пусть в одну и ту же точку магнитного поля вносятся различные пробные контуры. Тогда на них будут действовать и различные максимальные моменты сил. Однако отношение максимального момента Мmax к магнитному моменту контура Рм остаётся постоянным независимо от модуля магнитного момента. Поэтому его принимают за характеристику поля в данной точке. Это и есть индукция магнитного поля, которую обозначают через В, т.е. Таким образом, модуль индукции магнитного поля в некоторой точке равен отношению максимального момента сил, действующего на пробный контур, помещённый в эту точку, к его магнитному моменту, и направление индукции магнитного поля совпадает с направлением магнитного момента свободно ориентирующегося контура.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13
