Электромагнитное поле как особый вид материи. Электромагнитные волны.
Лекция 25
ЭМК, их виды, характеристики.
Превращение энергии в колебательном контуре.
Электромагнитные колебания – периодические изменения электромагнитных величин (электрического заряда, силы тока и напряжения)
Простейшая система, в которой могут возникать свободные электромагнитные колебания, – колебательный контур. Он состоит из конденсатора и катушки, которая присоединена к его обкладкам.
Колебательный контур – система, состоящая из конденсатора и катушки, присоединённой к его обкладкам.
В такой колебательной системе возникают свободные электромагнитные колебания – колебания силы тока, заряда и напряжения.
Чтобы в контуре начались колебания, ему нужно сообщить энергию, т.е. зарядить конденсатор.
Посмотрите на схему, на которой показано, как можно зарядить конденсатор.
Когда ключ переводится в положение 1, то конденсатор заряжается от источника тока; если же в положение 2 – конденсатор начинает разряжаться и в контуре возникают колебания силы тока, заряда и напряжения. Почему?
Рассмотрим процессы, происходящие в колебательном контуре в различные моменты времени.
Вам известно, что период – это время, за которое совершается одно полное колебание. Будем рассматривать процессы, происходящие в колебательном контуре через каждую четверть периода.
Таблица 1
|
|
|
Вывод: В колебательном контуре происходят колебания заряда, силы тока и напряжения. Причиной является наличие в контуре катушки индуктивности. Процесс зарядки и разрядки конденсатора не происходит мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Каждую четверть периода происходит превращение энергии электрического поля в энергию магнитного поля, и обратно.
А от чего же зависит период колебаний в колебательном контуре?
Период колебаний в контуре зависит от ёмкости конденсатора С и индуктивности катушки L:
Т ~ L , Т ~ С
T = 2  ,
|
Формула Томсона для периода
|
Формула Томсона для частоты
Т(с)- период колебаний
С(Ф)-емкость конденсатора
L (Генри)-кратко (Гн)-индуктивность катушки
(Гц)-частота колебанийц
|
|
секунд
Связь циклической частоты с периодом и частотой колебаний:
= 
-циклическая частота
|
|
|
|
Когда по проводнику течёт ток, он нагревает проводник, на что затрачивается часть энергии, и колебания постепенно затухают (уменьшается амплитуда колебаний).
Мы рассматривали колебания в колебательном контуре, которые не затухали. Эти колебания могут происходить только в том случае, когда колебательный контур идеальный (как математическая модель), либо в случае, когда колебательный контур находится в сверхпроводящем состоянии, т.е. сопротивление контура R = 0.
Когда сопротивление контура R = 0, то колебания в контуре не затухают.
Задание 1. Написать конспект лекции (главное выделено красным цветом)
Задание 2. Сделайте вывод, когда колебания в колебательном контуре затухают и не затухают
Задание 3. «на оценку 5» Заполните таблицу «Виды ЭМК»
| Виды | Определение | Характеристика | Графическое изображение |
| свободные | |||
| вынужденные |
Практическая работа № 24-25
«Решение задач по теме «ЭМК. Формула Томсона»
Лекция 26.
Генераторы тока. Трансформаторы. Получение, передача и распределение электроэнергии.
|
|
|
I. Генератор переменного тока .
Генератор тока – устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.
Основные части генератора:
1) Индуктор – устройство, создающее МП.
2) Якорь – обмотка, в которой индуцируется ЭДС.
3) Кольца со щетками – устройство, которым снимают с вращающихся частей индукционный ток или подают ток питания электромагнитом.
ЭДС, индуцируемая в последовательно соединенных витках, будет складываться из суммы ЭДС в каждом из них, поэтому обмотка якоря состоит из множества витков.
Генератор состоит из неподвижной части - статора и подвижной части - ротора. Обычно на роторе располагаются электромагниты с полюсами N и S. Их обмотка, называемая обмоткой возбуждения, питается через кольца и щетки от источника постоянного тока. В пазах статора, собранного из стальных листов, находятся проводники обмотки статора. Они соединены друг с другом последовательно поочередно с передней и с задней сторон статора.
Для технических целей применяется переменный ток синусоидальной формы с частотой 50 Гц, для этого ротор должен вращаться с частотой 50 об/с. Чтобы уменьшить частоту вращения, увеличивают число пар полюсов индуктора. ν = nf, n – число пар полюсов, f - частота вращения ротора.
II. Трансформатор.
Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским учёным П.Н. Яблочковым для питания изобретённых им ''электрических свечей» – нового в то время источника света. Идея П.Н. Яблочкова была развита сотрудником Московского университета И.Ф. Усагиным, сконструировавшим усовершенствованный трансформатор.
Трансформатор-устройство для повышения или понижения напряжения.
Трансформатор состоит из замкнутого сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками. Одну из обмоток, называемую первичной, подключают к источнику переменного напряжения. Вторую обмотку, к которой присоединяют «нагрузку», то есть приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называют вторичной.
Зарисовать в тетрадь схему устройства трансформатора, его условное обозначение
 
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле, так, что магнитный поток существует только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.
Величину k называют коэффициентом трансформации (отношение витков  в первичной катушке к количеству витков  вторичной катушки). К= 
При k > 1, - трансформатор – понижающий. При k < 1 – повышающий.
Вывод о назначении трансформатора
1) Наиболее важное применение трансформатора - это передача электрической энергии на большое расстояние.
2) Большое практическое применение трансформатор находит в электросварке.
3) В радиотехнике для понижения напряжения (силовые трансформаторы).
КПД трансформатора ɳ =  * 100% , или ɳ= I 2 U 2 / I 1 U 1 .
Р2-мощность вторичной обмотки, Р1-мощность первичной обмотки. В современных мощных трансформаторах суммарные потери 2-3%. КПД составляет 97-98%.
|
|
|
|
Задание 1. Написать конспект лекции в рабочую тетрадь.
Задание 2. Ответить письменно на вопросы
1) Почему сердечники трансформаторов изготовляют из отдельных листов, изолированных лаком?
2) Почему сердечники трансформаторов собирают из пластин электротехнической стали?
3) Изобразить схему передачи и распределения электроэнергии
Задание 3. Заполнить таблицу «Виды электростанций»
| Виды | Полное название | Характеристика | КПД, % | Плюсы | Минусы |
| АЭС | |||||
| ГЭС | |||||
| ТЭС |
Практическая работа № 25
Трансформаторы
| Оценка | Кол-во правильных заданий |
| 3 | 11-12 |
| 4 | 13-14 |
| 5 | 15 |
1. Какой электрический ток называется переменным?
1) Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению
2) Электрический ток, периодически меняющийся со временем
3) Электрический ток, периодически меняющийся по модулю
4) Электрический ток, периодически меняющийся со временем по направлению
2. Где используют переменный электрический ток?
1) в домах. 2) квартирах. 3) на производстве.
4) на автомобилях. 5) велосипедах.
3. Почему генераторы переменного тока называют индукционными?
1),их действие основано на явлении электрического тока
2) их действие основано на магнитном действии
3) их действие основано на явлении электромагнитной индукции
4) их действие основано на явлении постоянного магнита:
4. Из чего состоит электромеханический индукционный генератор?
1) генератора. 2) станины. 3) статора.
4) ротора. 5) полукольца. 6) щетки.
5. Какая часть индукционного генератора подвижная?
1) статор. 2) ротор. 3) щетки. 4) обмотка.
6. Какая часть индукционного генератора не подвижна?
1) обмотка. 2) ротор. 3) статор.
7. Чем приводится во вращение ротор генератора на тепловых станциях?
1) водой. 2) паром от сгоревшего топлива. 3) бензином. 4) керосином.
8. Чем приводится во вращение ротор генератора на гидроэлектростанции?
1) паром. 2) водой. 3) керосином. 4) кувалдой.
9. Какова стандартная частота переменного тока?
1) 65Гц. 2) 55 Гц. 3) 40 Гц. 4) 50 Гц. 5) 70 Гц.
10. Из каких элементов состоит трансформатор?
1) сердцевина. 2) сердечник. 3) первичная обмотка.
4) вторичная обмотка. 5) обмотки из проволоки.
11. Для чего предназначен трансформатор?
1) Трансформатор предназначен для увеличения или уменьшения переменного напряжения и силы тока
2) Трансформатор предназначен для увеличения или уменьшения переменного напряжения
3) Трансформатор предназначен для увеличения или уменьшения силы тока
4) Трансформатор предназначен для уменьшения переменного напряжения и силы тока
5) Трансформатор предназначен для увеличения напряжения и силы тока
12. Сколько видов трансформаторов существует?
1) 1. 2) 2. 3) 3. 4) 4. 5) 5.
13. К какой обмотке трансформатора подключают переменный электрический ток?
1) к первичной. 2) к вторичной. 3) к первичной и вторичной.
14. По какому физическому закону можно определить потери электроэнергии в ЛЭП?
1) закон Джоуля. 2) закон Джоуля-Ленца. 3) закон Ленца.
4) закон Паскаля. 5) закон Ньютона.
15. Кто изобрел трансформатор?
1) Лебедев. 2) Тимирязев. 3) Яблочков. 4) Паскаль.
Лекция 27
Электромагнитное поле как особый вид материи. Электромагнитные волны.
Электромагнитное поле как вид материи
Под электромагнитным полем понимают вид материи, характеризующийся совокупностью взаимосвязанных и взаимообусловливающих друг друга электрического и магнитного полей. Электромагнитное поле может существовать при отсутствии другого вида материи — вещества, характеризуется непрерывным распределением в пространстве (электромагнитная волна в вакууме) и может проявлять дискретную структуру (фотоны). В вакууме поле распространяется со скоростью света, полю присущи характерные для него электрические и магнитные свойства, доступные наблюдению.
Электромагнитное поле оказывает силовое воздействие на электрические заряды. Силовое воздействие положено в основу определения двух векторных величин, описывающих поле: напряженности электрического поля и индукции магнитного поля . На заряд движущийся со скоростью в электрическом поле напряженности и магнитном поле индукции, действует сила Лоренца.
Электромагнитное поле обладает энергией, массой и количеством движения, т. е. такими же атрибутами, что и вещество. Энергия в единице объема, занятого полем в вакууме, равна сумме энергий электрической и магнитной компонент поля и равна здесь, магнитная постоянная, Гн/м. Масса электромагнитного поля в единице объема равна частному от деления энергии поля Wэм на квадрат скорости распространения электромагнитной волны в вакууме, равной скорости света. Несмотря на малое значение массы поля по сравнению с массой вещества, наличие массы поля указывает на то, что процессы в поле являются процессами инерционными. Количество движения единицы объема электромагнитного поля определяется произведением массы единицы объема ноля на скорость распространения электромагнитной волны в вакууме.
Электрическое и магнитное поля могут быть изменяющимися и неизменными во времени. Неизменным в макроскопическом смысле электрическим полем является электростатическое поле, созданное совокупностью зарядов, неподвижных в пространстве и неизменных во времени. В этом случае существует электрическое поле, а магнитное отсутствует. При протекании постоянных токов по проводящим телам внутри и вне их существует электрическое и магнитное поля, не влияющие друг на друга, поэтому их можно рассматривать раздельно. В изменяющемся во времени поле электрическое и магнитное поля, как упоминалось, взаимосвязаны и обусловливают друг друга, поэтому их нельзя рассматривать раздельно.
♦Электромагнитные волны
Электромагнитная волна во многом схожа с механической волной, но есть и различия. Основное отличие состоит в том, что для распространения этой волны не нужна среда. Электромагнитная волна – результат распространения переменного электрического поля и переменного магнитного полей в пространстве, т.е. электромагнитного поля.
I. Электромагнитное поле создается ускоренно движущимися заряженными частицами. Его наличие относительно. Это особый вид материи, является совокупностью переменных электрического и магнитного полей.
II. Электромагнитная волна – распространение электромагнитного поля в пространстве.
Схема распространения электромагнитной волны представлена на рисунке. Необходимо запомнить, что вектора напряженности электрического поля, магнитной индукции и скорости распространения волны взаимно перпендикулярны.
III.
|
· Майкл Фарадей (1831 г.)
Он претворил свой девиз в жизнь. Превратил магнетизм
в электричество:
~ магнитное поле ~ электрический ток
·
|
Ученый-теоретик вывел уравнения, которые носят
его имя. Из этих уравнений следует, что переменное
магнитное поле создает вихревое электрическое поле,
а оно создает переменное магнитное поле.
Кроме того, в его уравнениях была постоянная величина – это скорость света в вакууме. Т.Е. из этой теории следовало, что электромагнитная волна распространяется в пространстве со скоростью света в вакууме. Поистине гениальная работа была оценена многими учеными того времени, а А. Эйнштейн говорил, что самым увлекательным во время его учения была теория Максвелла.
|
· Генрих Герц (1887 г.)
Генрих Герц родился болезненным ребенком, но стал очень
сообразительным учеником. Ему нравились все предметы,
которые изучал. Будущий ученый любил писать стихи,
работать на токарном станке.После окончания гимназии Герц
поступил в высшее техническое училище, но не пожелал быть
узким специалистом и поступил в Берлинский университет,
чтобы стать ученым. После поступления в университет Генрих
Герц стремиться заниматься в физической лаборатории, но для этого необходимо
было заниматься решением конкурсных задач. И он взялся за решение следующей задачи: обладает ли электрический ток кинетической энергией? Эта работа была рассчитана на 9 месяцев, но будущий ученый решил ее через три месяца. Правда, отрицательный результат, с современной точки зрения неверен. Точность измерения необходимо было увеличить в тысячи раз, что тогда не представлялось возможным.
Еще будучи студентом, Герц защитил докторскую диссертацию на «отлично» и получил звание доктора. Ему было 22 года. Ученый успешно занялся теоретическими исследованиями. Изучая теорию Максвелла, он показал высокие экспериментальные навыки, создал прибор, который называется сегодня антенной и с помощью передающей и приемной антенн осуществил создание и прием. Он понял, что скорость распространения этих волн конечна и равна скорости распространения света в вакууме. После изучения свойств электромагнитных волн он доказал, что они аналогичны свойствам света.
К сожалению, эта робота окончательно подорвала здоровье ученого. Сначала отказали глаза, затем заболели уши, зубы и нос. Вскоре он скончался.
Генрих Герц завершил огромный труд, начатый Фарадеем. Максвелл преобразовал представления Фарадея в математические формулы, а Герц превратил математические образы в видимые и слышимые электромагнитные волны.
Слушая радио, просматривая телевизионные передачи, мы должны помнить об этом человеке.
А. С. Попов
Не случайно единица частоты колебаний названа в честь Герца, и совсем не случайно первыми словами, переданными русским физиком А.С. Поповым с помощью беспроводной связи, были «Генрих Герц», зашифрованные азбукой Морзе.
Попов совершенствовал приемную и передающую антенну и вначале была осуществлена связь на расстоянии 250 м, затем на 600 м. И в 1899 году ученый установил радиосвязь на расстоянии 20 км, а в 1901 – на 150 км. В 1900 году радиосвязь помогла провести спасательные работы в Финском заливе. В 1901 году итальянский инженер Г. Маркони осуществил радиосвязь через Атлантический океан.
Задание 1. Ознакомиться с материалом и сделать конспект в рабочую тетрадь
Задание 2. Сопоставьте номер вопроса – ответ
Задание 3.Ответить письменно на вопросы:
1. Что такое электромагнитная волна?
2. Кто создал теорию электромагнитной волны?
3. Кто изучил свойства электромагнитных волн?
4. Что является причиной излучения электромагнитной волны?
5. Где используются электромагнитные волны?
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 62; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!