Электродинамика – раздел физики, изучающий законы взаимодействия электрических зарядов и действия на них электромагнитных полей.



Электростатика - раздел электродинамики, изучающий взаимодействие покоящихся электрических зарядов и действия на них электромагнитных полей.

Тело, обладающее свойством притягивать к себе легкие тела, благодаря наличию на нем электрического заряда, называют наэлектризованным. Явление возникновения зарядов на телах называют электризацией.

Опыты по взаимодействию наэлектризованных тел показали, что в природе проявляются только два вида взаимодействия: притяжение и отталкивание.

Поэтому можно сделать вывод, что в природе существует только два рода зарядов, которые условно названы положительный и отрицательный. Принято, что стеклянная палочка, потертая о шелк, приобретает положительный заряд, а эбонитовая палочка, потертая о шерсть – отрицательный заряд.

В состав всех тел входят атомы, которые состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны в атомах одних веществ удерживаются сильнее, в атомах других - слабее. При соприкосновении тел электроны, удерживаемые слабо, переходят на поверхность другого тела, перенося с собой свой отрицательный заряд – 1,6 ×10-19 Кл. Поэтому тело с избытком электронов стает отрицательно заряженным, а тело с недостатком электронов – положительно заряженным.

При соприкосновении незаряженного тела с заряженным происходит перераспределение заряда. При этом оба тела будут иметь одинаковые по знаку заряды.

Так, при соприкосновении нейтрального тела с отрицательно заряженным телом происходит переход определенной доли избыточных электронов с отрицательно заряженного тела на первоначально нейтральное тело. Поэтому при таком соприкосновении оба тела будут иметь отрицательные заряды.

Если происходит соприкосновение нейтрального тела с положительно заряженным телом, то электроны с нейтрального тела переходят на положительно заряженное тело, частично компенсируя его заряд. При этом на первоначально нейтральном теле появляется недостаток электронов, что определяет получение им положительного заряда.

Т.к. электризация обусловлена только переходом электронов, а, следовательно, переходом соответствующего отрицательного заряда с одного тела на другое, то можно утверждать:

Внутри изолированной системы при любых взаимодействиях алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной.

q1 + q2 + q3 + qn = const

 

Систему называют изолированной или замкнутой, если в нее не вводятся или из нее не выводятся электрические заряды.

Мы можем наблюдать, что заряженные тела взаимодействуют (притягиваются или отталкиваются), находясь на некотором расстоянии друг от друга.

Взаимодействие неподвижных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, осуществляется посредством электрического поля, порожденного зарядами. Это взаимодействие происходит не мгновенно, а распространяется в вакууме со скоростью с

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.

 

Билет 22,23

Число силовых линий, пронизывающих некоторую площадку, площадью S, и перпендикулярных ей, определяет поток вектора напряженности электрического поля.

Поток вектора напряженности сквозь площадку площадью S равен:

где Еn - проекция вектора напряженности на нормаль к площадке.

Теорема Остроградского-Гаусса: поток вектора напряженности электрического поля в вакууме сквозь любую замкнутую поверхность равен отношению алгебраической суммы зарядов, заключенных внутри этой поверхности, к значению электрической постоянной

 

Потенциал - энергетическая характеристика электрического поля.

Потенциал - скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии, которой облает электрический заряд в данной точке электрического поля, к величине этого заряда.

Потенциал показывает какой потенциальной энергией будет обладать единичный положительный заряд, помещенный в данную точку электрического поля.

где - потенциал в данной точке поля, - потенциальная энергия заряда в данной точке поля.

За единицу измерения потенциала в системе СИ принимают

(1В = 1Дж/Кл )

За единицу потенциала принимают потенциал в такой точке, для перемещения в которую из бесконечности электрического заряда 1 Кл, требуется совершить работу, равную 1 Дж.

 

Рассматривая электрическое поле, созданное системой зарядов, следует для определения потенциала поля использовать принцип суперпозиции:

Потенциал электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равен алгебраической сумме потенциалов электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности:

Воображаемая поверхность, во всех точках которой потенциал принимает одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью. При перемещении электрического заряда от точки к точке вдоль эквипотенциальной поверхности энергия его не меняется.

Эквипотенциальных поверхностей для заданного электростатического поля может быть построено бесконечное множество.

Вектор напряженности в каждой точке поля всегда перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности, проведенной через данную точку поля.

Вектор напряженности в данной точке поля всегда направлен в область уменьшения потенциала.

Работа перемещения заряда.На положительный точечный заряд q в электрическом поле с напряжённостью E действует сила
F
= q E. При перемещении заряда на отрезке dl силами поля совершается работа

dA = Fdl=q E dl cos (E, dl).

При перемещении заряда q силами электрического поля на произвольном конечном отрезке из точки 1 в точку 2 эта работа равна

.

Рассмотрим перемещение точечного заряда q в поле точечного заряда Q, напряженность поля которого

.

 

Билет 24

Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.

Источник тока - устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля. В источнике тока на заряженные частицы в замкнутой цепи действуют сторонние силы. Причины возникновения сторонних сил в различных источниках тока различны. Например в аккумуляторах и гальванических элементах сторонние силы возникают благодаря протеканию химических реакций, в генераторах электростанций они возникают при движении проводника в магнитном поле, в фотоэлементах - при действия света на электроны в металлах и полупроводниках.

Электродвижущей силой источника тока называют отношение работы сторонних сил к величине положительного заряда, переносимого от отрицательного полюса источника тока к положительному.

Сила тока - скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через проводник, ко времени, за которое этот заряд прошел.

где I - сила тока, q - величина заряда (количество электричества), t - время прохождения заряда.

Плотность тока - векторная физическая величина, равная отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.

где j -плотность тока, S - площадь сечения проводника.

Направление вектора плотности тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

Напряжение - скалярная физическая величина, равная отношению полной работе кулоновских и сторонних сил при перемещении положительного заряда на участке к значению этого заряда.

где A - полная работа сторонних и кулоновских сил, q - электрический заряд.

Электрическое сопротивление - физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи.

где ρ - удельное сопротивление проводника,l - длина участка проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.

 

Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где G - проводимость.

Билет 25


А мы знаем, что или . Отсюда можно записать

  , (7.6.3)  

это запись закона Ома в дифференциальной форме.

Здесь удельная электропроводность.

Размерность σ – [ ].

Плотность тока можно выразить через заряд электрона е, количество зарядов n и дрейфовую скорость :

.

Обозначим , тогда ;

  (7.6.4)  

Теперь, если удельную электропроводность σ выразить через е, n и b: то вновь получим выражение закона Ома в дифференциальной форме:

.

Билет 26

Рассмотрим произвольный участок цепи, к концам которого приложено напряжение U. За время dt через каждое сечение проводника проходит заряд

При этом силы электрического поля, действующего на данном участке, совершают работу:

Разделив работу на время, получим выражение для мощности:

  (7.7.1)  

Полезно вспомнить и другие формулы для мощности и работы:

  (7.7.2)  

 

  (7.7.3)  

Независимо друг от друга Джоуль и Ленц показали, что при протекании тока, в проводнике выделяется количество теплоты:

  (7.7.4)  

Если ток изменяется со временем, то

.

Это закон Джоуля–Ленца в интегральной форме.

Отсюда видно, что нагревание происходит за счет работы, совершаемой силами поля над зарядом.

Соотношение (7.7.4) имеет интегральный характер и относится ко всему проводнику с сопротивлением R, по которому течет ток I. Получим закон Джоуля-Ленца в локальной-дифференциальной форме, характеризуя тепловыделение в произвольной точке.

Тепловая мощность тока в элементе проводника Δl, сечением ΔS, объемом равна:

.

Удельная мощность тока

.

Согласно закону Ома в дифференциальной форме . Отсюда закон Джоуля - Ленца в дифференциальной форме характеризующий плотность выделенной энергии:

  ,

Билет 27

Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно молекулам идеального газа, а потому рассматриваются в классической электронной теории как электронный газ.

Под действием внешнего электрического поля меняется характер движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил электрического поля.

Следовательно, электрический ток в металлах - это упорядоченное движение электронов.

 

Сила тока в металлическом проводнике определяется по формуле:

гдеI - сила тока в проводнике, e - модуль заряда электрона, n0 - концентрация электронов проводимости, - средняя скорость упорядоченного движения электронов, S - площадь поперечного сечения проводника.

 

Плотность тока проводимости численно равна заряду, проходящему за 1с через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению тока.

гдеj - плотность тока.

У большинства металлов практически каждый атом ионизирован. А так как концентрация электронов проводимости одновалентного металла равна

где Na - постоянная Авогадро, A - атомная масса металла, ρ - плотность металла,

то получаем что концентрация определяется в пределах 1028 - 1029 м-3.

 

Закон Ома для однородного участка цепи:

где U - напряжение на участке, R - сопротивление участка.

 

Для однородного участка цепи:

где ρУ- удельное сопротивление проводника, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры и эта зависимость выражается соотношением:

ρу = ρоу ( 1 + α ∆Т )

гдеρоу - удельное сопротивление металлического проводника при температуре Т =273К, α -термический коэффициент сопротивления, ∆Т = Т - То - изменение температуры.


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 403; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ