Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Физика, вопросы 20-39:
20. Свойства диэлектриков в электростатическом поле.
Внутри диэлектрика может существовать электрическое поле!
Электрические свойства нейтральных атомов и молекул:
Нейтральный атом -положительный заряд ( ядро) сосредоточен в центре;
- отрицательный заряд - электронная оболочка;
считается, что из-за большой скорости движения электронов по орбитам центр распределения отрицательного заряда совпадает с центром атома.
Молекула - чаще всего - это система ионов с зарядами противоположных знаков ,
т.к. внешние электроны слабо связаны с ядрами и могут переходить к другим атомам.
Электрический диполь - молекула, в целом нейтральная , но центры распределения
противоположных по знаку зарядов разнесены; рассматривается, как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку,
находящихся внутри молекулы на некотором расстоянии друг от друга.
Существуют 2 вида диэлектриков ( различаются строением молекул) :
1) полярные - молекулы, у которых центры положительного и отрицательного зарядов
не совпадают ( спирты, вода и др.);
2) неполярные - атомы и молекулы, у которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен и др.).
21. Условия существования электрического тока. Законы Ома, Кирхгофа, Джоуля-Ленца.
Условия существования электрического тока
Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:
-наличие в среде свободных электрических зарядов
-создание в среде электрического поля.
В разных средах носителями электрического тока являются разные заряженные частицы.
Электрическое поле в среде необходимо для создания направленного движения свободных зарядов. Как известно, на заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = q* E, которая и заставляет свободные заряды двигаться в направлении электрического поля. Признаком существования в проводнике электрического поля является наличие не равной нулю разности потенциалов между любыми двумя точками проводника,
Однако, электрические силы не могут длительное время поддерживать электрический ток. Направленное движение электрических зарядов через некоторое время приводит к выравниванию потенциалов на концах проводника и, следовательно, к исчезновению в нем электрического поля.
Для поддержания тока в электрической цепи на заряды кроме кулоновских сил должны действовать силы неэлектрической природы (сторонние силы).
Устройство, создающее сторонние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию, называется источником тока.
Для существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо включение в нее источника тока.
Основные характеристики:
Законы Ома
Для участка цепи:
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению:
I = U / R; [A = В / Ом]
Ом установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.
R = ρl / S,
где ρ - удельное сопротивление, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.
Закон Ома для электрической цепи. Согласно этому закону сила тока I в электрической цепи равна э. д. с. Е источника, поделенной на сопротивление цепи Rц, т. е.
I = E / Rц (7)
Полное сопротивление замкнутой электрической цепи (рис. 13) можно представить в виде суммы сопротивления внешней цепи R (например, какого-либо приемника электрической энергии) и внутреннего сопротивления Ro источника. Поэтому сила тока
I = E / (R+Ro) (8)
Чем больше э. д. с. Е источника и чем меньше сопротивление электрической цепи, тем больший ток проходит по этой цепи.
Из формулы (7) следует, что э. д. с. источника электрической энергии равна произведению силы тока на полное сопротивление электрической цепи:
E = IRц (7)
Правила Кирхгофа сформулированы немецким физиком Густавом Робертом Кирхгофом.
Первое правило Кирхгофа алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.
Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда, согласно которому ни в одной точке проводника не должны накапливаться или исчезать заряды.
Первое правило Кирхгофа можно сформулировать и так: количество зарядов, приходящих в данную точку проводника за некоторое время, равно количеству зарядов, уходящих из данной точки за то же время.
Второе правило Кирхгофа является обобщением закона Ома. Второе правило Кирхгофа - в любом замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме произведений токов на сопротивления соответствующих участков этого контура:
Правила Кирхгофа позволяют определить силу и направление тока в любой части разветвленной цепи, если известны сопротивления ее участков и включенные в них ЭДС.
Закон Джоуля-ленца
Переход электрической энергии в тепловую отражает закон Ленца — Джоуля
или закон теплового действия тока.
Русский ученый Ленц и английский физик Джоуль одновременно и независимо один от другого установили, что
при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику.
Это положение называется законом Ленца - Джоуля.
Если обозначить количество теплоты, создаваемое током, буквой Q (Дж), ток, протекающий по проводнику - I, сопротивление проводника - R и время, в течение которого ток протекал по проводнику - t, то закону Ленца - Джоуля можно придать следующее выражение:
Q = I2Rt.
Так как I = U/R и R = U/I, то Q = (U2/R) t = UIt.
22. Сопротивление проводников, причины его изменения.
Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.
Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.
Сопротивление обозначается латинскими буквами Rили r.
За единицу электрического сопротивления принят ом.
Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток.
Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/R,обозначается проводимость латинской буквой g.
23. Электрический ток в жидкостях. Методы повышения проводимости жидкости.
Жидкости по степени электропроводности делятся на:
диэлектрики (дистиллированная вода),
проводники (электролиты),
полупроводники (расплавленный селен).
Электрический ток в жидкостях обусловлен движением положительных и отрицательных ионов. В отличии от тока в проводниках где движутся электроны. Таким образом, если в жидкости нет ионов, то она является диэлектриком, например дистиллированная вода. Поскольку носителями заряда являются ионы, то есть молекулы и атомы вещества, то при прохождении через такую жидкость электрического тока неизбежно приведет к изменению химических свойств вещества.
Электрическая проводимость жидкости существенным образом зависит от температуры. Для водных растворов электролитов повышение температуры на 1 С приводит к возрастанию электрической проводимости на 1 - 25 %;
Проводимость воды существенно зависит от находящихся в ней примесей. Например, проводимость морской воды определяется преимущественно наличием в ней солей хлористого натрия.
24. Электрический ток в газах при различных напряжённостях электрического поля
Электрический ток в газах
1. Газы в обычных условиях—диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор: а) в линиях электропередач; б) между обкладками воздушных конденсаторов; в) в контактах выключателей.
2. При определенных условиях газы — проводники: молния, электрическая искра, дуга при сварке. Процесс протекания тока через газ называется газовым разрядом. Свободные заряды (ионы обоих знаков и электроны) возникают в газах только в процессе ионизации.
Ионизация газов Ионизацию вызывают:
1. Высокая температура.
2. Ультрафиолетовые лучи.
3. Рентгеновские лучи, g - лучи и т. п.
Ионизация осуществляется при условии: еЕl ³ W ионизации, где l — длина свободного пробега заряженных частиц.
Рекомбинация. Вследствие рекомбинации для поддержания длительного тока необходима постоянная ионизация.
Несамостоятельный и самостоятельный разряды
1. Несамостоятельный разряд происходит под действием внешнего ионизатора.
2. Самостоятельный разряд - разряд, происходящий без действия внешнего ионизатора (электронным ударом). Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, наз. напряжением пробоя (потенциал ионизации).
График:
ОА — только часть заряженных частиц доходит до электродов, часть рекомбинирует;
АВ—ток почти не увеличивается (ток насыщения);
ВС — самостоятельный разряд.
25. Электрический ток в вакууме. Методы регулирования.
Вакуум – состояние газа при давлении, меньшем атмосферного. Это понятие применяется к газу в замкнутом сосуде или в сосуде, из которого откачивают газ, а часто и к газу в свободном пространстве, например к космосу. Физической характеристикой вакуума есть соотношение между длиной свободного пробега молекул и размером сосуда, между электродами прибора и т.д.
Для существования электрического тока в вакууме нужно искусственно ввести в это пространство свободные электроны (с помощью эмиссионных явлений).
1.Термоэлектронная эмиссия Процесс испускания электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией. Интенсивность термоэлектронной эмиссии зависит от площади катода, температуры нагрева металла и свойств вещества. Если кинетическая энергия электронов больше энергии связи, то происходит термоэлектронная эмиссия.
2. Фотоэлектронная эмиссия (фотоэлектрический эффект, фотоэффект). Процесс испускания электронов металлами под воздействием света. Открыт Г. Герцем, исследован А. Г. Столетовым. Объяснен А. Эйнштейном.
3. Автоэлектронная эмиссия. Процесс испускания электронов под воздействием электрического поля.
Изобретен Т. А. Эдисоном.
Баллон — стекло или керамика,
Вакуум: 10-6 -10-7 мм рт. ст.
Катод — нить накала.
Анод — круглый или овальный цилиндр.
Катод: в виде вертикального металлического цилиндра, покрытого слоем оксидов щелочноземельных металлов.
(Позволяет увеличить долговечность катода. У таких катодов ток насыщения практически недостижим.)
Вольтамперные характеристики диода
С увеличением напряжения все большее количество электронов получает энергию, достаточную для того, чтобы достичь анода; ток возрастает. При некотором значении напряжения все электроны достигают анода. Ток перестает возрастать - ток насыщения. Для увеличения тока насыщения необходимо увеличить количество электронов (увеличить температуру катода). В приборах с косвенным накалом ток насыщения практически не достигается.
26. Термоэлектрические явления на спаях проводников. Термопара и её работа.
1.явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Термин "термоэлектричество" охватывает три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона. Все они характеризуются соответствующими коэффициентами, различными для разных материалов. Эти коэффициенты связаны между собой так называемыми соотношениями Кельвина. Они определяются как параметрами спаев, так и свойствами самих материалов
Термоэлектрический эффект Зеебека.
В 1820 появилось сообщение Г.Эрстеда о том, что магнитная стрелка отклоняется вблизи провода с электрическим током. В 1821 Т.Зеебек отметил, что стрелка отклоняется также, когда два стыка замкнутой электрической цепи, составленной из двух разных проводящих материалов, поддерживаются при разной температуре. Зеебек сначала полагал, что это чисто магнитный эффект. Но впоследствии стало ясно, что разность температур вызывает появление электрического тока в цепи (рис. 1). Важной характеристикой термоэлектрических свойств материалов, составляющих цепь, является напряжение на концах разомкнутой цепи (т.е. когда один из стыков электрически разъединен), так как в замкнутой цепи ток и напряжение зависят от удельного электросопротивления проводов. Это напряжение разомкнутой цепи VAB (T1, T2), зависящее от температур T1 и T2 спаев (рис. 2), называется термоэлектрической электродвижущей силой (термо-ЭДС). Зеебек заложил основы для дальнейших работ в области термоэлектричества, измерив термо-ЭДС широкого круга твердых и жидких металлов, сплавов, минералов и даже ряда веществ, ныне называемых полупроводниками.
Электротермический эффект Пельтье. В 1834 французский часовщик Ж.Пельтье заметил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. Как и Зеебек, Пельтье сначала не усмотрел в этом электротермического эффекта. Но в 1838 Э.Х.Ленц, член Петербургской академии наук, показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном - охлаждается. В этом и состоит эффект Пельтье (рис. 3), обратный эффекту Зеебека.
Электротермический эффект Томсона. В 1854 У. Томсон (Кельвин) обнаружил, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева (рис. 4), возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, - повышается. Коэффициент Томсона - единственный термоэлектрический коэффициент, который может быть измерен на однородном проводнике. Позднее Томсон показал, что все три явления термоэлектричества связаны между собой уже упоминавшимися выше соотношениями Кельвина.
Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.
Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.
27. понятие полупроводников и механизмов их проводимости
Полупроводник - вещество, обладающее электронной и дырочной проводимостью и по значению удельного электросопротивления занимающие промежуточное положение между проводниками (металлами) и изоляторами (диэлектриками). Электрические свойства полупроводников очень чувствительны к внешним воздействиям (нагреванию, облучению, освещению и др.).
Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает
Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.
У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. 2).
Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T.
Такой ход зависимости ρ(T) показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов
28. Дырочно-электронный переход в полупроводниках
p-n-Переход или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.
В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.
Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие и перетекание зарядов прекращается
29. Понятие магнитного поля. Сила Лоренца и сила Ампера
Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения магнитная составляющая электромагнитного поля
Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).
Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.
Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля) С математической точки зрения — векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем
Сила Лоренца
Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, то действие магнитного поля на проводник с током есть результат его действия на отдельные движущиеся заряды.
Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущиеся в нем заряды, называют силой Лоренца.
Сила Лоренца определяется соотношением:
Fл = q·V·B·sina
где q - величина движущегося заряда;
V - модуль его скорости;
B - модуль вектора индукции магнитного поля;
a - угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.
сила Лоренца перпендикулярна скорости и поэтому она не совершает работы, не изменяет модуль скорости заряда и его кинетической энергии. Но направление скорости изменяется непрерывно
Сила Лоренца зависит от модулей скорости частицы и индукции магнитного поля. Эта сила перпендикулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ускорение частицы. Частица равномерно движется по окружности радиуса r.
сила Ампера это та сила, с которой магнитное поле действует на проводник, с током помещённый в это поле. Величину этой силы можно определить с помощью закона Ампера. В этом законе определяется бесконечно малая сила для бесконечно малого участка проводника. Что дает возможность применять этот закон для проводников различной формы.
F=B.I.ℓ. sin a
Закон Ампера
B индукция магнитного поля, в котором находится проводник с током
I -сила тока в проводнике
dl -бесконечно малый элемент длинны проводника с током
альфа -угол между индукцией внешнего магнитного поля и направлением тока в проводнике
Направление силы Ампера находится по правилу левой руки. Формулировка этого правела, звучит так. Когда левая рука расположена таким образом, что лини магнитной индукции внешнего поля входят в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывают направление движения тока в проводнике, при этом отогнутый под прямым углом большой палец будет указывать направление силы, которая действует на элемент проводника.
30. Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.
Движение заряженных частиц
В однородном электрическом поле
Если частица, обладающая зарядом е, движется в пространстве, где имеется электрическое поле с напряжённостью E то на неё действует сила eE. Если, кроме электрического, имеется магнитное поле, то на частицу действует ещё сила Лоренца, равная e[uB] , где u - скорость движения частицы относительно поля, B - магнитная индукция. Поэтому согласно второму закону Ньютона уравнение движения частиц имеет вид:
Написанное векторное уравнение распадается на три скалярных уравнения, каждое из которых описывает движение вдоль соответствующей координатной оси.
В дальнейшем мы будем интересоваться только некоторыми частными случаями движения. Предположим, что заряженные частицы, двигавшиеся первоначально вдоль оси Х со скоростью попадают в электрическое поле плоского конденсатора.
Если зазор между пластинами мал по сравнению с их длиной, то краевыми эффектами можно пренебречь и считать электрическое поле между пластинами однородным. Направляя ось Y параллельно полю, мы имеем: . Так как магнитного поля нет, то . В рассматриваемом случае на заряженные частицы действует только сила со стороны электрического поля, которая при выбранном направлении координатных осей целиком направлена по оси Y. Поэтому траектория движения частиц лежит в плоскости XY и уравнения движения принимают вид:
Движение заряженной частицы в магнитном поле
Выражение для силы Лоренца позволяет найти ряд закономерностей движения заряженных частиц в магнитном поле. Направление силы Лоренца и направление вызываемого ею отклонения заряженной частицы в магнитном поле зависят от знака заряда Q частицы. На этом основано определение знака заряда частиц, движущихся в магнитных полях.
Если заряженная частица движется в магнитном поле со скоростью v, перпендикулярной вектору В, то сила Лоренца F=Q[vB] постоянна по модулю и нормальна к траектории частицы. Согласно второму закону Ньютона, эта сила создает центростремительное ускорение. Отсюда следует, что частица будет двигаться по окружности, радиус r которой определяется из условия QvB=mv2/r откуда
Период вращения частицы, т. е. время Т, за которое она совершает один полный оборот,
Подставив сюда выражение, получим
т. е. период вращения частицы в однородном магнитном поле определяется только величиной, обратной удельному заряду (Q/m) частицы, и магнитной индукцией поля, но не зависит от ее скорости (при v<<c). На этом основано действие циклических ускорителей заряженных частиц.
31. Закон Био-Савара-Лапласа для расчёта магнитных полей токов.
32. Явления электромагнитной индукции. Правило Ленца.
лектромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.
Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем в 1831 году. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.
Закон Фарадея
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в системе СИ):
где
— электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,
— магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.
Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:
Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.
Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:
где
— электродвижущая сила,
— число витков,
— магнитный поток через один виток,
— потокосцепление катушки.
33. Взаимная индукция соленоидов. Работа трансформатора.
Рассмотрим два соленоида с индуктивностями и . Поставим вопрос, чему равна индуктивность системы, состоящей из этих последовательно соединенных соленоидов, если их магнитные поля располагаются в одних и тех же точках пространства.
Индуктивность системы определяется потокосцеплением, т.е. общим потоком через все витки:
где I - сила тока в соленоидах.
Суммарный магнитный поток равен алгебраической сумме потоков, пронизывающих все витки соленоида. Все витки первого соленоида пронизываются собственным потоком и потоком , созданным вторым соленоидом. Второй соленоид пронизывается также собственным потоком и потоком , созданным первым соленоидом. Таким образом,
Собственные потоки всегда положительны:
"Чужие" потоки могут быть как положительными, так и отрицательными в зависимости от направления вектора магнитной индукции поля, созданного одним соленоидом в витках другого. При этом знаки магнитных потоков и всегда совпадают. Согласно теореме взаимности, которая выполняется если отсутствуют ферромагнетики
где коэффициенты пропорциональности , L21 называются взаимными индуктивностями второго и первого контуров.
Смысл знаков определяется характером соединения и расположения соленоидов. Если магнитные поля соленоидов сонаправлены, то "чужие" потоки положительны: если поля направлены навстречу друг другу, то - отрицательны: .
Учитывая сказанное, для индуктивности системы двух соленоидов получим:
где знак плюс соответствует случаю сонаправленных полей, а минус - полям, направленным навстречу друг другу.
Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предуготовленное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной системы переменного тока в другую систему переменного тока (без изменения частоты). Трансформатор сконструирован из обмоток и магнитной системы.
В трансформаторе могут находится две или несколько обмоток. Под обмотками в трехфазном трансформаторе подразумевают совокупность трех фаз, соединенных треугольником или звездой. На момент подключения к источнику переменного тока одну из обмоток (её называют первичной) в этой обмотке возникает ЭДС самоиндукции E1, а в другой (её называют вторичной) – ЭДС индукции Е2.
Если же игнорировать падение напряжения в обмотках трансформатора, значение которого очень мало, то формулы можно записать так: E1 = U1 и E2 = U2
U1 – напряжение на первичной обмотке;
U2 – напряжение на вторичной обмотке.
Нам известно, из науки физики что
В первичной и во вторичной обмотках мощности тока одинаковы лишь при идеальном случае. Практически же на нагревание магнитопровода и обмоток часть электрической энергии бесполезно тратится. В таком случае часто сообщают о потере энергии. Конечно, энергия не теряется, а расходуется напрасно на нагревание трансформатора.
Потерями в меди называют потери энергии в обмотках, которые в свою очередь согласно закону Джоуля – Ленца зависят от электрического сопротивления обмоток и силы тока, проходящего по ним. Принято говорить о мощности потерь в меди – Рм.
При работе трансформатора перемагничивается его сердечник (это явление гистерезиса), на что также потребляется и тратится энергия. Впоследствии индуцируются вихревые токи в сердечнике, тем самым, нагревая его. Трата энергии на потери, перемагничивание сердечника и на нагревание вихревыми токами сердечника (на вихревые токи) имеют названия как потери в стали. Обусловлено сообщать о мощности потерь в стали – Рст. Из-за того, что теряется часть энергии в трансформаторе, мощность тока в первичной обмотке больше мощности тока во вторичной обмотке.
Связь мощности тока во вторичной обмотке касательно мощности тока в первичной обмотке именуют коэффициентом полезного действия трансформатора – КПД трансформатора. КПД трансформатора значительный – примерно 98-99,5%.
Производя замер мощности тока в обмотках или мощности потерь энергии в обмотках и магнитопроводе, тем самым находят КПД трансформатора. Вследствие этого формула для нахождения КПД трансформатора
выглядит так:
Распознают всего два режима работы трансформатора: эта работа под нагрузкой и работа без нагрузки – холостой ход. На момент работы трансформатора, при котором первичная обмотка находится под номинальным напряжением, а вторичная просто разомкнута, то есть мощность и сила тока в ней равны нулю, называют холостым ходом трансформатора. На время холостого хода сила тока в первичной обмотке в десятки раз меньше номинальной. Отчего значительно малы и потери энергии в меди. От того, что напряжение на первичной обмотке номинальное, то на момент холостого хода потери в стали те же самые, как и на время номинального режима работы трансформатора под нагрузкой.
При включении электроприемника в цепь вторичной обмотки, то есть, на момент работы трансформатора под нагрузкой, напряжение на его первичной обмотке остается практически неизменным, а пропорционально изменению силы тока во вторичной обмотке изменяется сила тока в ней. Таким образом, к примеру в увеличении силы тока во вторичной обмотке увеличивается энергия используемая электроприемником, а это значит мощность тоже увеличивается, используемая трансформатором от источника тока, то есть от электрической сети, в которую подключена первичная обмотка трансформатора.
Такое явление поясняют следующим образом: полное значение в сердечнике суммарного магнитного потока – постоянная величина; ток, идущий по вторичной обмотке, образовывает магнитный поток, который в соответствии правилу Ленца сориентирован против магнитного потока, образовываемого током первичной обмотки; например, если возрастет сила тока во вторичной обмотке, то усилится и магнитный поток в ней, а это значит, должен увеличиться и магнитный поток, формируемый током первичной обмотки; последнее может произойти лишь при увеличении силы тока в первичной обмотке.
34. Причины существования ферромагнетиков, парамагнетиков, диамагнетиков.
У ферромагнитных веществ имеются неспаренные ( ответственные за ферромагнетизм) электроны, спины которых в сравнительно больших областях ориентируются в одном направлении. Каждая из таких областей, или, как их обычно называют, доменов, намагничена до насыщения. Разные состояния намагниченности всего образца отличаются взаимной ориентацией векторов намагниченности отдельных доменов: в размагниченном веществе они расположены хаотически, а в намагниченном направлены в одну сторону.
Природа ферромагнетизма была в основном выяснена в связи с развитием атомной физики. В 1928 г. Я. И. Френкель впервые отметил, что самопроизвольное намагничение может быть обусловлено так называемыми обменными силами, рассматриваемыми в квантовой механике. При известных условиях эти силы стремятся установить собственные магнитные моменты электронов параллельно друг другу, что и ведет к возникновению областей самопроизвольного намагничения. Эта идея была подробно разработана Гейзенбергом. [3]
Парамагнетизм (от пара... и магнетизм), свойство тел, помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться (приобретать магнитный момент)в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Т. о., внутри парамагнитного тела (парамагнетика) к действию внешнего поля прибавляется действие возникшей намагниченности J. В этом отношении П. противоположен диамагнетизму, при котором возникающий в теле под действием поля магнитный момент ориентирован навстречу направлению напряжённости внешнего магнитного поля Н.Поэтому парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита (откуда название "П."), а диамагнитные — отталкиваются. Характерным для парамагнетиков свойством намагничиваться по полю обладают также ферромагнетики и антиферромагнетики. Однако в отсутствие внешнего поля намагниченность парамагнетиков равна нулю и они не обладают магнитной структурой (взаимной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов), в то время как при Н = 0 ферро- и антиферромагнетики сохраняют магнитную структуру. Термин "П." ввёл в 1845 М. Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные. П. характерен для веществ, частицы которого (атомы, молекулы, ионы, ядра атомов) обладают собственным магнитным моментом, но в отсутствие внешнего поля эти моменты ориентированы хаотически, так что J = 0. Во внешнем поле магнитные моменты атомов парамагнитных веществ ориентируются преимущественно по полю. В слабых полях намагниченность парамагнетиков растет с ростом поля по закону J = c Н, где c — магнитная восприимчивость 1 моля вещества, для парамагнетиков всегда положительная и обычно равная по порядку величины 10-5 — 10-3. Если поле очень велико, то все магнитные моменты парамагнитных частиц ориентируются строго по полю (достигается магнитное насыщение). С повышением температуры Т при неизменной напряжённости поля возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц и магнитная восприимчивость убывает — в простейшем случае по Кюри закону c = С/Т (С — постоянная Кюри, зависящая от природы вещества). Отклонения от закона Кюри (см. Кюри — Вейса закон) в основном связаны с взаимодействием частиц (влиянием кристаллического поля). П. свойствен: многим чистым элементам в металлическом состоянии (щелочные металлы, щёлочноземельные металлы, некоторые металлы переходных групп с незаполненным d-слоем или f-слоем электронной оболочки — группы железа, палладия, платины, редкоземельных элементов, актиноидов; а также сплавы этих металлов); солям группы железа, группы редкоземельных элементов от Ce до Yb и актиноидов и их водным растворам; парам щелочных металлов и молекулам газов (например, O2 и NO); небольшому числу органических молекул ("бирадикалам"); ряду комплексных соединений. Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).
Диамагнетизм является одним из основных свойств любого вещества. Очень многие органические и неорганические соединения при взаимодействии с магнитным полем ведут себя как диамагнетики (выталкиваются из поля). И лишь те вещества, молекулы которых содержат неспаренные электроны, ведут себя как парамагнетики (втягиваются в магнитное поле), поскольку их диамагнетизм значительно перекрывается парамагнетизмом. Иначе говоря, диамагнитная составляющая магнитной восприимчивости присуща всем без исключения веществам, независимо от того, будет ли она превалирующей (в диамагнетиках) или нет (в парамагнетиках).
Это обстоятельство становится понятным при рассмотрении причин возникновения диамагнетизма. В любой молекуле (атоме) спиновые и орбитальные моменты электронов на замкнутых оболочках всегда скомпенсированы таким образом, что их суммарный момент равен нулю. Однако во внешнем магнитном поле все электроны начнут прецессировать вокруг оси, совпадающей с направлением поля, с постоянной угловой скоростью ( ω = eH/2mc ). Индуцированный при этом магнитный момент в соответствие с правилом Ленца будет иметь направление, противоположное внешнему полю. Величина индуцированного момента прямо пропорциональна напряжённости магнитного поля и не зависит от температуры. Последнее обстоятельство легко понять, поскольку индуцированный момент определяется лишь размерами замкнутых оболочек, а их характеристики не зависят от температуры.
Для атомов или молекул, обладающих шаровой или осевой симметрией, диамагнитная восприимчивость связана с радиусом орбитали электрона соотношением (12):
диамагнитная восприимчивость будет функцией атомного или молекулярного радиуса. Поскольку восприимчивость обладает свойством аддитивности, её молекулярная величина может быть рассчитана с помощью аддитивной схемы Паскаля, представляющей молекулярную восприимчивость как сумму атомных восприимчивостей и конститутивных поправок.
35. Формирование электромагнитных колебаний в колебательном контуре.
Электромагнитные колебания — это колебания электрических и магнитных полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать электромагнитные колебания, является колебательный контур. Колебательный контур — это система, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 41, а). Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечет ток (рис. 41, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндукции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет течь в ту же сторону и перезарядит конденсатор (рис. 41, в). Ток в данном направлении прекратится, и процесс повторится в обратном направлении (рис. 41, г). Таким образом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки с током , и наоборот.
Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по
формуле Томсона . Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью
В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов. Для практического применения важно получить незатухающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять электроэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний применяют генератор незатухающих колебаний, который является примером автоколебательной системы.
36. Понятие электромагнитных волн, волновое уравнение для световой волны.
Электромагнитная волна - процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.
Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.
Волновое уравнение
По своей физической природе световые волны являются волнами электромагнитными. Поэтому волновая оптика непосредственно основывается на уравнениях Максвелла.
Уравнения Максвелла связывают вектор напряженности электрического поля E и вектор электрической индукции D с вектором напряженности магнитного поля H и вектором индукции B. В отсутствие токов и свободных электрических зарядов они имеют вид:
где и - соответственно электрическая и магнитная постоянные, и - относительные соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.
37. Связь параметров электрических и магнитных процессов в теории Максвелла
Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл проанализировал все известные к тому времени законы электродинамики и сделал попытку применить их к изменяющимся во времени электрическому и магнитному полям. Он обратил внимание на ассиметрию взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку закона электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1831 г.:
Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.
Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:
Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.
Рис. 2.6.1 и 2.6.2 иллюстрируют взаимное превращение электрического и магнитного полей.
Эта гипотеза была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Из теории Максвелла вытекает ряд важных выводов:
1. Существуют электромагнитные волны, то есть распространяющееся в пространстве и во времени электромагнитное поле. Электромагнитные волны поперечны – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны
38. Законы отражения и преломления света
На границе раздела двух различных сред, если эта граница раздела значительно превышает длину волны, происходит изменение направления распространения света: часть световой энергии возвращается в первую среду, то есть отражается, а часть проникает во вторую среду и при этом преломляется. Луч АО носит название падающий луч, а луч OD – отраженный луч (см. рис. 1.3). Взаимное расположение этих лучей определяют законы отражения и преломления света.
Угол α между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным к поверхности в точке падения луча, носит название угол падения.
Угол γ между отражённым лучом и тем же перпендикуляром, носит название угол отражения.
Каждая среда в определённой степени (то есть по своему) отражает и поглощает световое излучение. Величина, которая характеризует отражательную способность поверхности вещества, называется коэффициент отражения. Коэффициент отражения показывает, какую часть принесённой излучением на поверхность тела энергии составляет энергия, унесённая от этой поверхности отражённым излучением. Этот коэффициент зависит от многих причин, например, от состава излучения и от угла падения. Свет полностью отражается от тонкой плёнки серебра или жидкой ртути, нанесённой на лист стекла.
Падающий луч, отражающий луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2 Угол отражения γ равен углу падения α:
γ = α
Законы отражения света были найдены экспериментально ещё в 3 веке до нашей эры древнегреческим учёным Евклидом. Также эти законы могут быть получены как следствие принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка среды, до которой дошло возмущение, является источником вторичных волн. Волновая поверхность (фронт волны) в следующий момент представляет собой касательную поверхность ко всем вторичным волнам. Принцип Гюйгенса является чисто геометрическим.
На гладкую отражательную поверхность КМ (рис. 1.4) падает плоская волна, то есть волна, волновые поверхности которой представляют собой полоски.
Зеркальное отражение света – это когда падающие на гладкую поверхность под определённым углом лучи света отражаются преимущественно в одном направлении (рис. 1.6). Отражающая поверхность в этом случае называется зеркало (или зеркальная поверхность). Зеркальные поверхности можно считать оптически гладкими, если размеры неровностей и неоднородностей на них не превышают длины световой волны (меньше 1 мкм). Для таких поверхностей выполняется закон отражения света.
З-н отражения
Луч движется прямолинейно до тех пор, пока среда является однородной. При переходе луча из одной среды в другую, на границе раздела луч меняет свое направление. Часть света, а иногда и весь свет (явление полного внутреннего отражения) возвращается в исходную среду.
Таким образом, при падении световых лучей на границу раздела двух сред, размеры которой значительно превышают длину волны, происходит явления отражения и преломления света. Углом падения называется угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела. Углом отражения называется угол между отраженным лучом и тем же перпендикуляром. Углом преломления называется угол между преломленным лучом и тем же перпендикуляром.
Законы отражения света описывают взаимное расположение падающего луча , отраженного луча и перпендикуляра, опущенного к плоскости в точке падения . Для отраженного света, справедливы следующие утверждения:
луч, падающий, отраженный и перпендикуляр из точки падения лежат в одной плоскости
угол падения равен углу отражения
Законы отражения справедливы и при обратном направлении хода световых лучей. Луч, распространяющийся по пути отраженного, отражается по пути падающего луча. Это означает обратимость хода световых лучей. Пример обратимости можно увидеть на примере двух анимаций. Меняя угол падения от 0 до 90, можно наблюдать за изменением угла падения.
Виды отражения света.
От различных поверхностей световые лучи отражаются по-разному. Существуют два вида отражения лучей: зеркальное отражение и диффузное отражение.
При попадании световых лучей на идеально плоскую отражающую поверхность, размеры неровностей которой не превышают длину световой волны наблюдается зеркальное отражение. При этом лучи, входящие в световой пучок, отражаясь остаются взаимно параллельными. Примерами поверхностей, по свойствам приближающимся к зеркальным, могут служить поверхность капли ртути, поверхность гладкого стекла, хорошо отполированная металлическая поверхность, или обыкновенное зеркало.
При попадании световых лучей на неровную, шероховатую отражающую поверхность (размеры неровностей превышают длину световой волны) наблюдается диффузное отражение. В этом случае отраженные лучи направлены хаотично относительно друг друга. Именно благодаря явлению диффузного (рассеянного) отражения мы можем различать предмеры, которые сами не способны испускать свет. Предмет будет абсолютно невидимым, если рассеяние световых лучей равно нулю. На данный момент, даже идеально отполированные зеркала рассеивают незначительную часть световых лучей.
39. Понятия геометрической оптики. Тонкие линзы, их фокусное расстояние, оптическая сила.
Геометри́ческая о́птика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.
ОПТИЧЕСКАЯ СИЛА ЛИНЗЫ - величина, характеризующая степень отклонения линзой проходящих через нее лучей. Чем сильнее отклоняются лучи от первоначального направления, тем большей считается оптическая сила. Оптическая сила собирательной линзы считается положительной, рассеивающей - отрицательной.
В отличие от фокусного расстояния, определяющего в основном масштаб изображения, оптическая сила определяет сходимость пучка, т. е. величину, обратную фокусному расстоянию. Оптическая сила измеряется в диоптриях. Если фокусное расстояние дано в сантиметрах, оптическая сила в диоптриях получается делением числа 100 на фокусное расстояние, и точно так же по данной оптической силе можно найти фокусное расстояние, разделив 100 на оптическую силу, выраженную в диоптриях:
Главное фокусное расстояние тонких линз
Для пересчета оптической силы в фокусное расстояние и на оборот может служить следующая таблица:
Если вблизи от линзы находится точечный источник света и лучи от него падают на линзу расходящимся пучком, то после преломления они соберутся в точке 5, называемой сопряженным фокусом. Принцип построения главных плоскостей в двояковыпуклой линзе. Луч АВ попадает на переднюю поверхность линзы и, преломившись, выходит со стороны ее задней поверхности в точке С. Затем луч проходит через главный фокус F'. Лучи АВ и CF' при их продолжении пересекутся в точке h'. Проведенная через эту точку плоскость Н' называется задней главной плоскостью. Точка пересечения этой плоскости с оптической осью линзы называется задней главной точкой. Расстояние от этой точки до заднего главного фокуса называется задним главным фокусным расстоянием линзы.
Таким же способом при преломлении луча ДЕ находят переднюю главную плоскость Я, переднюю главную точку и переднее главное фокусное расстояние.
Главное фокусное расстояние тонких линз принято отсчитывать от оптического центра линзы 0 до ее главного фокуса F
Величина главного фокусного расстояния зависит от радиусов кривизны линзы и их направления, а также от показателя преломления стекла.