додати матеріал

приховати рекламу

Електрика

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

ЕЛЕКТРИКА

Електричний заряд. Взаємодія заряджених тіл.
Закон Кулона. Закон збереження заряду
Електричний заряд - це фізична величина, що характеризує властивість тіл або часток вступати в електромагнітну взаємодію. Існує два види зарядів, які умовно називають позитивними і негативними. Одиниця вимірювання заряду в СІ - кулон (Кл). Вона виражається через основну одиницю СІ - ампер (А).
.
Носіями заряду є елементарні частинки. Електричний заряд будь-якого тіла складається з цілого числа n елементарних зарядів
,
де - Елементарний заряд.
Заряд електрона - ті, заряд протона + е.
Точковим зарядом називають заряджене тіло, розмірами якого можна знехтувати. Закон взаємодії нерухомих точкових зарядів експериментально встановив Кулон.
Закон Кулона:
Сила електричного взаємодії між двома точковими електричними зарядами прямо пропорційна добутку величин зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними і спрямована вздовж прямої, що з'єднує ці заряди.
, (3.1)
де - Для вакууму;
- Для середовища;
- Електрична стала,
- Відносна діелектрична проникність середовища.
Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні - притягуються.
Закон збереження електричного заряду.
Алгебраїчна сума електричних зарядів замкнутої системи тіл залишається постійною при будь-яких процесах у цій системі:
.
Електричне поле. Напруженість електричного поля. Електричне поле точкового заряду. Принцип суперпозиції полів.
Електричні заряди не діють один на одного безпосередньо. Кожен з них створює в навколишньому просторі електричне поле.
Електричне поле - вид матерії, з якої здійснюється взаємодія електричних зарядів. Якщо електричні заряди нерухомі, то поле є електростатичним.
Напруженість поля - фізична величина, що дорівнює відношенню сили, з якою поле діє на точковий позитивний (пробний) заряд q, поміщений у дану точку поля, до величини цього заряду:
(3.2)
вектор напруженості збігається за напрямком з вектором сили. Одиниця виміру напруженості або (Вольт на метр).
Напруженість електростатичного поля точкового заряду Q можна визначити, використовуючи закон Кулона:

і формулу (3.2):
(3.3)
Тут r - відстань від заряду до точки, в якій визначається напруженість. Для зображення поля використовують лінії напруженості (силові лінії), дотичні до яких в кожній точці дають напрям вектора напруженості.
На рис. показані силові лінії точкового позитивного заряду, на рис. - Негативного заряду. Густота силових ліній там більше, де більше напруженість поля.
Кожен електричний заряд створює електричне поле незалежно від наявності інших зарядів.
Принцип суперпозиції:

напруженість поля, створена двома і більше зарядами, знаходиться як векторна сума полів, створених кожним зарядом окремо.
3.3 Електромагнітна індукція. Магнітний потік
У 1831 р . Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, що полягає у виникненні струму під дією змінного магнітного поля. Схема дослідів Фарадея наведена на малюнках. Він встановив, що струм в першій котушці виникає:
· При русі постійного магніту щодо котушки (мал.);
· При зміні струму в другій котушці;
· При русі котушок відносно один одного (у другій при цьому існує постійний струм).
Звідси можна зробити висновок:
в замкнутому контурі виникає струм при зміні магнітного потоку, який пронизує контур.
Магнітним потоком Ф через поверхню площею S називається скалярна величина, що дорівнює добутку модуля вектора магнітної індукції на площу S і косинус кута між нормаллю до поверхні і вектором (Мал.):

Магнітний потік можна наочно витлумачити як величину, пропорційну числу ліній магнітної індукції, що пронизують контур.
Одиниця виміру потоку - вебер:

Величина індукційного струму пропорційна швидкості зміни магнітного потоку, звідси з урахуванням закону Ома випливає закон для ЕРС індукції.
ЕРС індукції дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує контур (похідною від потоку за часом):
(3.20)
Знак мінус у правій частині відображає правило Ленца.
Правило Ленца говорить:
виникає в замкнутому контурі струм своїм магнітним полем протидіє того що зміни магнітного потоку, яким він був викликаний (тобто) протидіє причини, його породила).
На рис. показаний досвід з внесенням магніту в замкнуте кільце. Виникає у кільці індукційний струм створює магнітне поле, що перешкоджає внесенню магніту, і відштовхує кільце від магніту. При внесенні магніту в розрізане кільце ефект відсутній.
Явище самоіндукції. Енергія магнітного поля
Явище виникнення ЕРС в провіднику з струмом при зміні власного магнітного потоку, створюваного цим струмом, називається самоіндукцію, а виникає ЕРС - ЕРС самоіндукції.
Магнітний потік, створюваний магнітним полем будь-якого провідника, пропорційний силі струму в провіднику (як і магнітна індукція - див (3.18) і (3.19)):

де L - індуктивність провідника, величина, що залежить від його довжини і форми.
З урахуванням закону електромагнітної індукції (3.20) отримаємо:
(3.21).
Індуктивність чисельно дорівнює ЕРС самоіндукції, що виникає в даному провіднику при зміні в ньому струму за одиницю часу, і в СІ вимірюється в генрі:
.
Для збільшення індуктивності провідник намотується у вигляді котушки, індуктивність якої залежить:
· Від числа витків
· Магнітної проникності сердечника (якщо він поміщений в котушку).
Явище самоіндукції можна спостерігати на досвіді (ріс.3.31).
При замиканні ланцюга лампа, включена в ланцюг з котушкою індуктивності, загоряється пізніше внаслідок виникнення ЕРС самоіндукції, що перешкоджає швидкому наростанню струму.
Для створення в провіднику з індуктивністю L сили струму I джерело струму повинен здійснити роботу проти ЕРС самоіндукції. Із закону збереження енергії випливає, що при цьому енергія джерела струму перетворюється в енергію магнітного поля.
Цю енергію визначають за формулою:

Після розмикання ланцюга струм не зникне миттєво, а якийсь час існує за рахунок цієї енергії.
Магнітні властивості речовини. Магнітна проникність.
Феромагнетики
Електрони в атомах речовини представляють собою замкнуті струми, що створюють власне магнітне поле. Хаотичні напрямки полів окремих атомів дають у сумі власне нульове поле. Якщо речовина знаходиться в зовнішньому магнітному полі, то електронні поля частково повертаються в напрямку зовнішнього поля і підсилюють його. Цей процес називається намагнічування.
Індукція загального поля

де і - Вектори індукції зовнішнього і внутрішнього полів.
Магнітна проникність - відношення модулів векторів індукції

показує, у скільки разів поле в речовині більше зовнішнього поля.
Феромагнетики:
· Залізо,
· Кобальт,
· Нікель і ін
У феромагнетиках існують області сильного мимовільного намагнічування розмірами порядку 0,01 мм (Домени). При появі зовнішнього поля напрямку полів доменів перемикаються на напрямок поля і значно його підсилюють (в 10000 - 100000 разів). У феромагнетиків результуюче зовнішнє поле може зберігатися і при = 0 (постійні магніти). Феромагнетики відносяться до сильномагнітних речовин.
Більшість речовин в природі є слабомагнітних. До парамагнетика, до яких відносяться:
· Кисень;
· Алюміній;
· Платина і ін
У парамагнетиків магнітна проникність трохи більше одиниці (на величину ).
До діамагнетиках відносяться:
· Азот;
· Срібло;
· Вісмут і ін
У діамагнетиків магнітна проникність трохи менше одиниці (на величину ).
У діамагнетиках магнітне поле менше, ніж у вакуумі. Атоми діамагнетика при відсутності зовнішнього поля не створюють власного магнітного поля (магнітні поля «кільцевих струмів» електронів в таких атомах компенсують один одного). При появі зовнішнього поля рух електронів змінюється таким чином, начебто виник додатковий індукційний струм, що створює відповідно до правила Ленца магнітне поле, протилежне зовнішнього.
Електричний струм. Сила тока.Електродвіжущая сила
Електричний струм - це впорядкований рух електричних зарядів. У металах носіями заряду є електрони, у електролітах - іони, в газах - іони та електрони.
Силою струму називається фізична величина, чисельно рівна заряду, що переноситься за одиницю часу через поперечний переріз провідника
.
Силу струму в СІ вимірюють в амперах. Один ампер - це основна одиниця в СІ, вона визначається за силою магнітного взаємодії струмів.
За одиницю сили приймають силу такого струму, при якому відрізки паралельних провідників довжиною 1 м , Що знаходяться на відстані 1 м у вакуумі, взаємодіють з силою .
Через одиницю сили струму визначаються інші електричні одиниці, наприклад
.
Якщо сила струму і його напрямок з часом не змінюються, то такий струм називають постійним.
Для підтримки струму в замкнутій ланцюга необхідна наявність сил неелектростатіческой природи (сторонніх сил), здатних здійснювати роботу з перенесення заряду в замкнутому ланцюзі.
Сторонні сили діють зазвичай лише на частині замкненого кола - в джерелі струму. Походження цих сил у різних джерелах різна:
· В гальванічних елементах і акумуляторах ці сили мають хімічну природу,
· У фотоелементах поділ зарядів відбувається в результаті дії світла на напівпровідник,
· У генераторах - за рахунок руху провідників у магнітному полі.
Чим більший заряд переміщається по провіднику, тим більша робота здійснюється.
Електрорушійна сила (ЕРС) джерела - фізична величина, чисельно рівна роботі, яку здійснюють сторонні сили при переміщенні єдиного позитивного заряду по замкнутому контуру
.
При русі заряду по провіднику на нього можуть діяти як сили електростатичного походження, так і сторонні сили.
Повна робота з переміщення позитивного заряду на ділянці 1,2 віднесена до величини заряду, називається напругою U
(3.13а)
Напруга, як ЕРС і різниця потенціалів, вимірюється у вольтах.
Розглянемо окремі випадки, що випливають з (3.13а):
· Якщо на ділянці кола відсутні джерела , То напруга дорівнює різниці потенціалів на кінцях ділянки кола;
· Якщо струм дорівнює нулю (ланцюг розімкнута), то різниця потенціалів на кінцях ділянки кола дорівнює ЕРС зі зворотним знаком.
Закон Ома. Опір. Послідовне і паралельне
з'єднання
Закон Ома для довільного ділянки кола:
сила струму прямо пропорційна напрузі на ділянці кола 1,2 і обернено пропорційна опору цієї ділянки
, (3.14)
де визначається з (3.13).
Якщо ділянка ланцюга не містить ЕРС (однорідний ділянка), вираз для закону Ома спрощується
.
Опір провідника - фізична величина, що характеризує електричні властивості провідника. Опір провідника може бути визначено за допомогою закону Ома через значення струму і напруги
.
Опір вимірюють у омах
.
Опір однорідного провідника
,
де l - довжина;
S - площа поперечного перерізу провідника;
- Питомий опір провідника (опір одного циліндричного провідника, виготовленого з даного матеріалу, що має одиничну довжину і одиничну площа поперечного перерізу).
При послідовному з'єднанні провідників (Рис.3.11)
,
,
отже із закону Ома отримуємо
.
При паралельному з'єднанні провідників (рис.3.12)
,
.
тому
.
Якщо ділянка ланцюга містить ЕРС (рис.3.13), закон Ома зручніше застосовувати в наступному вигляді
(3.15)
Знаки входять в цей вираз величин визначаються таким правилом:
· Струм вважається позитивним, якщо протікає від точки з потенціалом до точки з потенціалом ;
· ЕРС приймається позитивної, якщо підтримує струм у тому ж напрямку.
На рис.3.13, де показана частина ланцюга, по якій протікає струм, ЕРС є позитивною, а - Негативною.
Проілюструємо застосування закону Ома для ділянки кола, яке містить ЕРС, на прикладі схеми.
Дано:
;
;
;
;
;
.
Необхідно визначити струм I.
Довільно вибираємо напрям струму від точки з потенціалом до точки з потенціалом . Підставляємо дані нам значення у формулу (3.15), враховуючи, що повне опір ділянки дорівнює сумі послідовно з'єднаних опорів
.
З цього рівняння знаходимо величину струму
.
Отриманий знак мінус означає, що струм направлений в напрямку, протилежному тому, яке зазначено на рис. .
Закон Ома для повного кола. Робота і потужність тока.Правіла Кірхгофа
Якщо коло замкнуте, то різниця потенціалів з'єднаних в одній точці провідників буде дорівнює нулю, і з формули (3.15) випливає: ЕРС, яка діє в замкнутій проводить ланцюга, дорівнює сумі добутків струму на опору зовнішньої та внутрішньої частин ланцюга:

(Внутрішній опір джерела на рис.3.14 не показано).
Закон Ома для замкненого кола:
сила струму прямо пропорційна ЕРС і назад пропорційна повного опору ланцюга:
.
При перенесенні заряду на зовнішньому ділянці відбувається робота, рівна
.
Цю роботу називають роботою струму.
Потужність постійного струму дорівнює роботі, яку здійснюють в одиницю часу
.
Провідник, по якому йде струм, нагрівається і віддає теплоту навколишніх тіл.
Закон Джоуля-Ленца визначає кількість теплоти, що виділяється струмом в провіднику
.
Для розгляду складних розгалужених ланцюгів використовують правила Кірхгофа.
У таких ланцюгах виділяють вузли - крапки, в яких сходиться не менше трьох провідників (точки А, В на схемі ріс.3.15) та гілки - ділянки ланцюга між двома сусідніми вузлами. У всій гілки струм один і той же. На ріс.3.15 гілку АСВ містить джерело струму з ЕРС і резистор . Струм, що протікає по цій гілці .
Якщо напрями струмів у гілках невідомі, їх вибирають довільно.
Перше правило:
алгебраїчна сума струмів, що сходяться у вузлі дорівнює нулю
.
Вважаючи струми, що входять у вузол, позитивними, а виходять негативними, отримуємо для вузла А наступне рівняння:
.
Рівняння, що складаються для кожного наступного вузла, будуть незалежними, якщо у вузол входить хоча б один новий струм. У вузол В на рис. 3.15 входять ті ж струми, що і у вузол А, тому для цього ланцюга на підставі першого правила Кірхгофа можна скласти тільки одне незалежне рівняння.
Друге правило:
в будь-якому виділеному у розгалуженій ланцюга замкнутому контурі алгебраїчна сума добутків струмів на опір дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС
.
Для складання рівнянь за другим правилом Кірхгофа у розгалуженій кола необхідно вибрати замкнутий контур, наприклад контур АСВD, і довільно напрямок його обходу, наприклад проти годинникової стрілки. Якщо напрямок обходу контуру збігається з напрямок струму в гілці, то твір включаємо зі знаком плюс, у противному випадку - зі знаком мінус.
Якщо напрямок обходу контуру збігається з напрям ЕРС (напрям ЕРС збігається з напрямком струму, який це джерело підтримує в зовнішньому ланцюзі, на рис. Показано стрілкою у ), Ця ЕРС зі знаком плюс, у противному випадку - зі знаком мінус.
Для обраного напрямку обходу контуру АСВD отримуємо наступне рівняння
.
Кожен наступний контур вибираємо так, щоб у нього входила хоча б одна нова гілка. Для ланцюга (рис.) можна вибрати ще тільки один контур, що включає нижню гілку.
Завдання може бути вирішена, якщо число складених на підставі правил Кірхгофа рівнянь не менше, ніж число невідомих. Якщо в результаті рішення буде отримано негативне значення для будь-якого струму, це означає, що в дійсності струм має напрям, протилежний вибраному.
Змінний електричний струм. Генератор змінного струму.
Трансформатор
Змінний струм - це струм, періодично міняється по величині і напрямку. Порушення електрорушійної сили індукції в контурі, що обертається в магнітному полі, використовується в техніці для одержання змінного електричного струму.
Розглянемо принцип дії генератора змінного струму на прикладі обертання витка проводу в однорідному магнітному полі.
Нехай виток обмежує поверхню площею S і вектор індукції однорідного магнітного поля розташований під кутом до перпендикуляру до площини витка.
При обертанні витка з кутовою швидкістю кут змінюється за законом:
,
а магнітний потік Ф, що пронизує виток, змінюється за законом:

Так як
,
де Т-період, то
.
Зміни магнітного потоку збуджують у витку ЕРС індукції, відповідно до закону електромагнітної індукції рівну похідною від потоку за часом (малими буквами ми будемо позначати миттєві значення):

де - Амплітуда ЕРС індукції.
За допомогою контактних кілець і ковзають по них щіток кінці витка з'єднують з електричним ланцюгом, в якій під дією ЕРС індукції, що змінюється з часом за гармонійним законом, виникне змінний струм такої ж частоти.
Напруга на вихідних затискачах генератора дещо менше ЕРС (на величину напруги на внутрішньому опорі

і також змінюється за гармонійним законом
.
Миттєве значення сили струму в колі буде одно:
,
де - Амплітуда коливань сили струму;
- Різниця фаз між коливаннями струму і напруги.
Ці величини залежать від характеру опору кола.
Трансформатор
Трансформатор - це пристрій для перетворення напруги змінного струму, засноване на явищі електромагнітної індукції.
Трансформатор (мал.) складається з замкнутого залізного осердя, на який надіті дві (або більше) котушки з дротяними обмотками.
Змінний струм, що проходить по первинній обмотці створює в осерді трансформатора змінюється магнітний потік, який охоплюється витками як вторинної, так і первинної обмоток.
Внаслідок явища електромагнітної індукції в кожному витку вторинної обмотки виникає ЕРС індукції. У результаті напруга на обмотках трансформатора пропорційно числу витків в цих обмотках:

де К - коефіцієнт трансформації.
Якщо , Трансформатор підвищуючий, при трансформатор є знижуючим.
Активне, ємнісне, індуктивне опір. Потужність у колі змінного струму
Активним називається опір (позначається через R), в якому поглинається енергія, що надходить від генератора. Нехай напруга, прикладена до активного опору, змінюється за законом
.
Застосуємо до ділянки ланцюга 1,2 (мал.) закон Ома для миттєвих значень струму та напруги у вигляді (3.14):
.
Коливання напруги на активному опорі збігаються з коливаннями струму по фазі, так як .
Для амплітудних значень справедливий закон Ома, що має для розглянутого ділянки ланцюга вигляд:
.
Чинним (ефективним) значенням сили струму називають величину постійного струму, який на активному опорі за той же час виділяє таку ж кількість теплоти, як і даний змінний струм.
Діюча (ефективне) значення сили струму пов'язано з амплітудним значенням співвідношенням:
.
Аналогічно визначається значення напруги
.
Вище наведене вираз для закону Ома справедливо й для діючих значень.
Розглянемо конденсатор в колі змінного струму (рис. 3.35). Постійний струм не протікає через конденсатор, оскільки той фактично розриває ланцюг постійного струму. Однак при виникненні коливань напруги на конденсаторі відбувається його перезарядка, і у підвідних проводах виникають коливання струму.
Нехай заряд на конденсаторі змінюється за законом:
.
Сила струму є похідною заряду за часом:
.
Отже, коливання сили струму випереджають коливання напруги на конденсаторі на .
Амплітуда сили струму дорівнює
.
Якщо ввести ємнісний опір

і замість амплітудних значень використовувати діючі, то отримаємо закон Ома для діючих значень:
.
Індуктивність в ланцюзі змінного струму (рис.) теж впливає на величину струму, так як виникає ЕРС самоіндукції. Якщо активним опором котушки можна знехтувати, то різниця потенціалів на котушці дорівнює:
.
Якщо струм в ланцюзі змінюється за законом
,
то
.
Коливання сили струму в котушці відстають від коливань напруги на .
Індуктивний опір одно
.
Діючі (і амплітудні) значення струму і напруги також пов'язані між собою законом Ома
.
Миттєве значення потужності змінного струму дорівнює добутку миттєвих значень сили струму та напруги:
.
Практичний інтерес представляє середнє за період значення потужності:
,
або через діючі значення струму і напруги
.
Косинус кута зсуву фаз між струмом і напругою називають коефіцієнтом потужності.
Якщо в електричній ланцюга не відбувається робота, середня потужність виділяється в активному опорі у вигляді тепла. При зсуві фаз (Як у конденсаторі або котушці індуктивності без активного опору) середня виділяється потужність дорівнює нулю. Тому опору називаються реактивними.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Книга | 66,3кб. | скачати

Схожі роботи:
Електрика 2
Електрика і автомобілебудування
Статична електрика
Електрика і електростатика
Електрика і магнетизм
Електрика в нашій квартирі Холодильник
Електрика електромагнітні поля і зброя масового ураження
Електромагнітні електричні і магнітні поля Статична електрика
Оптимальна організація робочого місця Статична електрика проблеми та шляхи їх вирішення
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru