Енергія конденсатора дорівнюватиме:
.20. Постійний електричний струм. …
Під дією кулонівської сили в провіднику виникне напрямлений рух електричних зарядів, який і називають електричним струмом. За напрям електричного струму вважають напрям руху позитивних зарядів.
Для того, щоб виник та існував постійний електричний струм у речовині, потрібні: а) наявність вільних заряджених частинок; б) напруженість електричного поля в провіднику має не дорівнювати нулеві і бути сталою в часі; в) коло постійного струму має бути замкненим.
Величина, що дорівнює заряду, перенесеному за одиницю часу, є основною кількісною характеристикою струму і називається силою струму.
Сила струму - це скалярна фізична величина, що дорівнює відношенню заряду Δq, який переноситься через поперечний переріз провідника за інтервал часу Δt, до цього інтервалу часу:
У СІ [I]=A (Ампер), 1 А=Кл/с. Вимірюють силу струму амперметром.
Електричне коло складається з джерела електричного струму, до якого за допомогою з’єднувальних провідників підключено споживачі електричного струму, вимірювальні прилади і перемикачі.
Німецький фізик Георг Ом помітив, що відношення напруги U між кінцями металевого провідника, що є ділянкою електричного кола, до сили струму І в колі - величина постійна. Цю величину R називають електричним опором провідника. У СІ [R]=Ом. Електричний опір 1 Ом має така ділянка кола, на якій напруга дорівнює 1 В, якщо сила струму 1А.
Опір - це основна електрична характеристика провідника. Він виражає міру протидії речовини провідника напрямленому рухові вільних заряджених частинок у ньому.
Експерименти показали, що електричний опір провідника R прямо пропорційний його довжині l і обернено пропорційний площі поперечного перерізу S:
Сталий для речовини параметр ρ називають питомим опором цієї речовини, він залежить від фізичних властивостей речовини, її стану, наявності домішок.
Закон Ома для ділянки кола: сила струму I прямо пропорційна напрузі U і обернено пропорційна електричному опору R однорідної ділянки кола: I=U/R.
У разі послідовного з'єднання провідників кінець першого провідника з'єднується з початком другого і т.д.: Iзаг=І1=І2=…=Іn, Uзаг=U1+U2+…+Un, Rзаг=R1+R2+…+Rn.
У разі паралельного з'єднання початки і кінці провідників мають спільні точки приєднання до джерела струму: Iзаг=І1+І2+…+Іn, Uзаг=U1=U2=…=Un, 1/Rзаг=1/R1+1/R2+…+1/Rn.
Закон Ома для повного кола: сила струму в замкненому колі дорівнює відношенню ЕРС джерела струму до повного опору кола: I=ε/(R+r).
Електрорушійна сила (ЕРС) джерела – величина, що дорівнює відношенню роботи сторонніх (некулонівських) сил під час переміщення заряду вздовж контуру до заряду.
Як і напругу чи потенціал у СІ ЕРС вимірюють у вольтах: [ε]=B.
Переміщуючи заряди у провіднику, електричне поле виконує роботу. Її значення можна визначити, використавши визначення напруги і сили струму: A=UIt.
Як і в механіці, роботу струму вимірюють у джоулях.
Тому поряд із роботою струму велике значення має потужність струму. Вона дорівнює відношенню роботи струму за час t до цього часу:
Як і в механіці, її вимірюють у ватах (Вт).
Потужність струму P=IU=I2R, що споживається зовнішньою ділянкою повного кола, називають корисною. Затраченою потужністю називають потужність джерела струму Pзат=εI=I2(R+r). Коефіцієнт корисної дії джерела
Коефіцієнт корисної дії зростає зі зменшенням внутрішнього опору джерела.
Закон Джоуля-Ленца: Кількість теплоти, що виділяється в провіднику, по якому тече струм, прямо пропорційна квадрату сили струму, опору провідника і часу проходження струму:
.21. Магнітне поле постійного електричного струму і постійного магніта. …
У просторі, що оточує струми (рухомі заряджені частинки) і постійні магніти, виникає магнітне поле.
Магнітне поле - особлива форма матерії, через яку здійснюється взаємодія між рухомими електрично зарядженими частинками.
Основні властивості магнітного поля: магнітне поле породжується електричним струмом і постійними магнітами; магнітне поле виявляється за дією на електричний струм і тіла, що мають магнітні властивості; як і електричне, магнітне поле існує реально незалежно від знань про нього. Це підтверджується існуванням електромагнітних хвиль.
Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції
. За напрям вектора індукції магнітного поля постійного магніта беруть напрям від південного полюса S до північного полюса N стрілки компаса, яка вільно встановлюється в магнітному полі.Напрям вектора індукції
магнітного поля провідника зі струмом визначають за правилом свердлика: якщо напрям поступального руху свердлика збігається з напрямом струму в провіднику, то напрям обертання ручки свердлика збігається з напрямом вектора магнітної індукції.Магнітне поле створить максимальний обертальний момент Mmax для рамки зі струмом, який зростає зі збільшенням індукції магнітного поля, сили струму I і площі рамки S,разом з тим модуль вектора магнітної індукції рівний відношенню максимальної сили, що діє з боку магнітного поля на ділянку провідника зі струмом, до добутку сили струму I на довжину цієї ділянки Δl:
Одиниця магнітної індукції - тесла (Тл); її названо на честь вченого Н. Тесла.
Принцип суперпозиції магнітних полів: магнітна індукція поля системи струмів рівна геометричній сумі магнітних індукцій полів кожного із струмів окремо.
Рамка зі струмом у магнітному полі повертається внаслідок дії поля спочатку на кожну ділянку рамки зі струмом. До такого висновку вперше дійшов 1820 року французький фізик Ампер. Провівши багато дослідів, він встановив закон, названий його іменем,
FA = BIl sina.
Сила Ампера дорівнює добутку модуля вектора магнітної індукції на силу струму I, довжину ділянки провідника l і на синус кута a між вектором і напрямом струму.
Напрям сили Ампера визначають за правилом лівої руки. Якщо ліву руку розташувати так, щоб перпендикулярна до провідника складова вектора магнітної індукції входила в долоню, а чотири витягнутих пальці були напрямлені так само, як струм, то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили, що діє на відрізок провідника.
Закон Ампера використовують для розрахунку сил, що діють на провідники зі струмом, у багатьох технічних пристроях, зокрема в електродвигунах.
Силу, яка діє на кожен рухомий заряд з боку магнітного поля, називають силою Лоренца. Її можна знайти за формулою:
де a - кут між векторами швидкості вільних носіїв заряду і магнітної індукції.
Напрям сили Лоренца, як і напрям сили Ампера визначається за допомогою правила лівої руки. Якщо ліву руку розмістити так, щоб складова магнітної індукції, перпендикулярна до швидкості заряду, входила у долоню, а чотири пальці були напрямлені за рухом позитивного заряду (проти руху негативного), то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили Лоренца Fл, що діє на заряд.
Дію магнітного поля на рухомий заряд широко використовують у сучасній техніці. У кінескопах телевізорів електрони, що летять до екрана, відхиляються магнітним полем. Дію сили Лоренца застосовують у мас-спектрографах - приладах, що дозволяють визначати маси частинок за знайденими значеннями їх питомих зарядів.
Наочну картину магнітного поля можна отримати, якщо побудувати силові лінії поля - лінії, дотична до яких в кожній точці збігається за напрямом з вектором магнітної індукції. У наявності силових ліній магнітного поля можна переконатися з дослідів з металевими ошурками, які можна розглядати як маленькі магнітні стрілки.
Важливою особливістю ліній магнітної індукції є те, що вони не мають ні початку, ні кінця. Вони завжди замкнені. Поля із замкненими силовими лініями називають вихровими. Магнітне поле є вихровим, воно не має джерел.
22. Електромагнітна індукція. …
Магнітний потік Ф через поверхню з площею S – це скалярна фізична величина, що дорівнює добутку модуля вектора магнітної індукції на площу поверхні S та косинус кута між вектором і вектором нормалі до поверхні. Ф=BS cosa.
Магнітний потік наочно можна подати як величину, пропорційну кількості ліній магнітної індукції, що пронизують поверхню площею S.
Одиниця магнітного потоку - вебер. М.Фарадей виконував досліди з постійним магнітом і котушкою, до якої приєднаний гальванометр. Якщо постійний магніт вводити всередину котушки одним із полюсів, то гальванометр фіксує струм в колі, причому фарадей помітив що стрілка завжди відхилялась в один бік. Як що магніт виймати з котушки, то струм знову фіксується, але напрям відхилення стрілки буде в інший бік. Струм також фіксували, якщо рухали котушку відносно магніта. Тому неважко зробити висновок, що струм в колі виникає при зміні магнітного потоку, що пронизує котушку.
Явище виникнення електрорушійної сили (ЕРС) в провідному контурі (струму, якщо контур замкнутий), при зміні магнітного потоку, який пронизує контур, називають явищем електромагнітної індукції.
Закон електромагнітної індукції сформульовано саме для ЕРС, оскільки за такого формулювання він виражає суть явища, незалежного від властивостей провідників, у яких виникає індукційний струм:
ЕРС індукції в замкненому контурі дорівнює за модулем швидкості зміни магнітного потоку через поверхню обмежену контуром:
Якщо в з'єднаних послідовно контурах відбуваються однакові зміни магнітного потоку, то ЕРС індукції в них дорівнює сумі ЕРС індукції в кожному із контурів. Тому, якщо змінюється магнітний потік у котушці, що складається із N однакових витків провідника, загальна ЕРС індукції буде в N разів більшою від ЕРС індукції в окремому контурі:
Російський вчений Ленц застосував до явища електромагнітної індукції закон збереження і перетворення енергії і сформулював правило, користуючись яким можна визначити напрям індукційного струму: індукційний струм, що виникає в замкненому контурі, протидіє зміні магнітного потоку, який збуджує цей струм.
Явище електромагнітної індукції використовують у механічних джерелах електричної енергії – генераторах електричної енергії (пристроях, в яких механічна енегрія перетворюється на електричну).
Важливим окремим випадком електромагнітної індукції є самоіндукція. Під час самоіндукції змінне магнітне поле індукує ЕРС у тому самому провіднику, по якому проходить струм, що створює це поле.
Самоіндукція була відкрита у 1832 р. Д.Генрі і незалежно М.Фарадеєм у 1835 р.
Електрорушійна сила самоіндукції прямо пропорційна швидкості зміни сили струму в провіднику:
Коефіцієнт пропорційності L називають індуктивністю.
Індуктивність – це фізична величина, яка рівна електрорушійній силі самоіндукції, що виникає в контурі під час одиничної зміни сили струму за одиницю часу. Її вимірюють в генрі:
.Індуктивність залежить від розмірів і форми провідника, а також від магнітних властивостей середовища, в якому міститься провідник:
де μ – магнітна проникненість, μо=4π∙10-7 Гн/м – магнітна стала, N - кількість витків соленоїда, S - площа витка, l - довжина соленоїда.
Енергія магнітного поля струму дорівнює роботі, яку має виконати джерело, щоб створити цей струм.
24. Вимушені електричні коливання. …
Процеси, що виникають в електричних ланцюгах під дією зовнішнього періодичного джерела струму, називаються вимушеними коливаннями.
Змінний струм - електричний струм, сила якого напруга змінюються з часом за гармонічним законом.
,де I0 - амплітуда струму, ν - частота,
- фаза струму.Змінний струм виникає в електричному колі зі змінною напругою. Коливання напруги відбуваються за подібним законом, проте, в загальному випадку із зсувом фази
Перевагою змінного струму є те, що його легше виробляти й передавати до споживача. Постійний струм можна отримати зі змінного за допомогою випрямлення.
Електричний генератор - пристрій, призначений для перетворення енергії механічного руху в енергію електричного струму, здебільшого використовуючи принцип електромагнітної індукції. Електричний генератор є електричною машиною з функцією, протилежною функції електродвигуна. Роль джерела механічної енергії для генератора можуть виконувати парова машина чи парова турбіна, потік води, що обертає колесо, вітер, двигун внутрішнього згорання або навіть сила людини.
Генератор змінного струму - система з нерухомого статора (складається із сталевого осердя та обмотки) і ротора (електромагніт із сталевим осердям), який обертається всередині нього.
Трансформатор - пристрій, що використовується для перетворення змінного струму, за якого напруга збільшується чи зменшується майже без затрат потужності.
Трансформатор складається із замкненого осердя із феромагнетика, на якому розміщують дві (інколи більше) котушки у вигляді обмоток із дроту. Одну обмотку, яку вмикають у джерело змінної напруги, називають первинною, другу обмотку, до якої приєднують "навантаження", що споживає енергію, називають вторинною. Дія трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. Трансформатори широко використовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях, при цьому передача електроенергії відбувається з меншими втратами при високій напрузі й малій силі струму.
Трансформатори характеризуються коефіцієнтом трансформації k: k=N1/N2. Якщо k>1, трансформатор буде знижувальним; якщо k<1 – підвищувальним і дуже високим коефіцієнтом корисної дії
У колах змінного струму спостерігається резонанс - явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань струму у разі збігу частоти зовнішньої змінної напруги із власною частотою коливального контуру. При цьому контур протягом всього періоду буде використовувати енергію від джерела, нічого не повертаючи йому. Це призведе до різкого збільшення струму і напруги.
1 2 3 4 5 6 7