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
27. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.
Работа тока - это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника;
Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.
Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:
По закону сохранения энергии:
работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия
равна работе тока.
В системе СИ:
ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА
При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.
В системе СИ:
[Q] = 1 Дж
МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
- отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.
В системе СИ:
28.Сторонние силы.ЭДС источника тока. Закон Ома для полной цепи.
СТОРО́ННИЕ СИ́ЛЫ в электродинамике, силы не электростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока и вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока. Сторонние силы совершают работу по разделению зарядов и поддержанию разности потенциалов на концах цепи.
Электрический ток возникает в замкнутой цепи под действием источника электрической энергии (источника тока).
Источник электрической энергии представляет собой прибор, преобразующий какой-либо вид энергии в электрическую. Он создает и поддерживает на своих зажимах разность потенциалов. Таким образом в проводящей среде создается электрическое поле, которое и вызывает упорядоченное, направленное движение носителей электрических зарядов, т. е. электрический ток.
Происхождение электрического тока сопровождается непрерывным расходованием энергии на преодоление сопротивления. Эту энергию доставляет источник электрической энергии, в котором происходит процесс преобразования механической, химической, тепловой или других видов энергии в электрическую.
Способность источника электрической энергии создавать и поддерживать на своих зажимах определенную разность потенциалов называется электродвижущей силой, сокращенно э. д. с.
Численно электродвижущая сила измеряется работой, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного положительного заряда по всей замкнутой цепи.
Если источник энергии, совершая работу A, обеспечивает перенос по всей замкнутой цепи заряда q, то его электродвижущая сила (Е) будет равна
За единицу измерения электродвижущей силы в системе СИ принимается вольт (в).
Из закона Ома для полной цепи вытекают следующие следствия:
Следствие 1 : При r < < R Сила тока в цепи обратно пропорциональна её сопротивлению. А сам источник в ряде случаев может быть назван источником напряжения
Следствие 2 : При r > > R Сила тока от свойств внешней цепи (от величины нагрузки) не зависит. И источник может быть назван источником тока.
Электродвижущая сила в замкнутой цепи, по которой течёт ток равняется:
То есть сумма падений напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока и на внешней цепи равна ЭДС источника. Последний член в этом равенстве специалисты называют «напряжением на зажимах», поскольку именно его показывает вольтметр, измеряющий напряжение источника между началом и концом присоединённой к нему замкнутой цепи. В таком случае оно всегда меньше ЭДС.
29.Электрический ток в поле. Самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.
Электрическое поле – это вид материи, образующийся вокруг заряженных тел, посредством которого они взаимодействуют друг с другом.
Сила взаимодействия двух точечных зарядов определяется законом Кулона: F = k·q1·q2/r2. При этом если заряженные тела имеют одинаковые заряды, то они отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются. Заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством их электрических полей.
Выделяют следующие характеристики электрического поля:
1. силовая характеристика – напряжённость электрического поля – это сила, которая действует на единицу заряда, помещённого в данное электрическое поле: E = F/q . Измеряется в [В/м]
Если определённый точечный заряд Q образует электрическое поле, то напряжённость этого поля в точке, находящейся на расстоянии r от заряда вычисляется по формуле: E = Q/(4πε0εr2) где Q– заряд, образующий данное электрическое поле; ε0 = 8,84*10-12 Ф/м- электрическая постоянная; ε- электрическая проницаемость среды, в которой образуется поле; r -расстояние от точечного заряда до точки, в которой исследуется напряжённость.
За направление напряжённости принимают направление силы, действующей на положительный заряд.
Величина напряжённости электрического поля графически изображается в виде силовых линий – тех линий, направление касательных к которым в любой точке совпадают с направлением напряжённости электрического поля. Чем больше линий – тем больше напряжённость.
2. энергетическая характеристика электрического поля – потенциал.
В каждой точке электрического поля на внесённый в это поле заряд действует определённая сила. При перемещении заряда в электрическом поле будет совершаться работа. При этом каждая точка электрического поля будет характеризоваться потенциалом.
Потенциал поля в данной точке – это потенциальная энергия электрического поля в этой точке, приходящаяся на единицу помещённого в эту точку заряда: φ = Wp/q [В] Потенциал поля характеризует возможную работу, которую совершает электрическое поле или которая совершается над электрическим полем при перемещении этого заряда в точку с другим потенциалом: Δφ = A/q.
Поскольку работа будет совершаться только при перемещении заряда между точками, обладающими неодинаковыми потенциалами, то физический смысл имеет лишь разность потенциалов, или напряжение между двумя точками электрического поля. Поэтому, когда употребляют термин ″потенциал″, имеют в виду разность потенциалов между данной точкой, потенциал которой измеряют, и бесконечно удалённой точкой пространства, потенциал которой можно считать равным 0. При этом потенциал в данной точке поля, созданного точечным зарядом Q, равен: φ = Q/(4πε0εγ) и , если потенциал создается большим числом зарядов, то φ = ∑φ.
Только разность потенциалов можно измерить с помощью вольтметра. Считают, что напряженность электрического поля – отрицательный градиент потенциала.
Газовый разряд – процесс прохождения тока через газ. Газовый разряд происходит под действием ионизатора. Но и без него он тоже может происходить.
Существует два типа разрядов: самостоятельный и несамостоятельный. Рассмотрим следующий прибор.
Стеклянная трубка с катодом и анодом.
Несамостоятельный разряд
С помощью некоторого ионизатора в газе в каждую единицу времени образуется определенное число заряженных частиц: положительных ионов и электронов. При небольшой разности потенциалов между электродами, в трубке возникнет электрический ток.
Положительно заряженные ионы начнут двигаться к положительно заряженному электрону, а отрицательно заряженные ионы и электроны – к положительно заряженному электроду. Так как возникает электрический ток, следовательно, возникает и газовый разряд.
Мы уже знаем, что не все ионы будут достигать электродов, некоторые из них будут рекомбинироваться, то есть образовывать в результате соединения нейтральные молекулы. Чем сильнее будет разность потенциалов, тем большее количество ионов будет достигать электродов, и тем меньшее количество ионов будут рекомбинироваться.
При этом будет возрастать сила тока в цепи. С течение времени наступит момент насыщения, когда все появляющиеся ионы будут достигать электродов. Дальнейший рост силы тока становится невозможным.Если в этом опыте прекратить в любой момент действие ионизатора, то ток тоже прекратится, так как он зависит от ионизатора. По этой причине данный вид разряда называют несамостоятельным разрядом.
Самостоятельный разряд
Попробуем теперь продолжать увеличивать напряжение. По идее сила тока не должна увеличиваться. Но в газах в таком случае, начиная с некоторого момента, сила тока снова увеличится.Следовательно, в газе появились какие-то новые проводники тока, которые образуются помимо тех, что появляются под действием ионизатора. Увеличение силы тока может быть очень большим, а число ионов, которые будут возникать в процессе разряда, может стать таким большим, что действие внешнего ионизатора больше не потребуется.
В этом случае, если убрать внешний ионизатор, то заряд не прекратится, так как он больше не будет зависеть от ионизатора. Такой разряд называют самостоятельным газовым разрядом.
30.Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Принцип суперпозиции/ Магнитные явления были известны еще в древнем мире. Компас был изобретен более 4500 лет тому назад. В Европе он появился приблизительно в XII веке новой эры. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом и возникло представление о магнитном поле.Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физикаХHYPERLINK "http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/scientist/orsted.html". Эрстеда. Эти опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся ее повернуть. В том же году французский физик А. Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов.По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля.
Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера).
Ученые XIX века пытались создать теорию магнитного поля по аналогии с электростатикой, вводя в рассмотрение так называемые магнитные заряды двух знаков (например, северный N и южный S полюса магнитной стрелки). Однако опыт показывает, что изолированных магнитных зарядов не существует.
Магнитное поле токов принципиально отличается от электрического поля. Магнитное поле, в отличие от электрического, оказывает силовое действие только на движущиеся заряды (токи).
Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности (E) электрического поля. Такой характеристикой является вектор магнитной индукции (B) который определяет силы, действующие на токи или движущиеся заряды в магнитном поле.
За положительное направление вектора (B) принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно ориентирующийся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора (B) Такое исследование позволяет наглядно представить пространственную структуру магнитного поля. Аналогично силовым линиям в электростатике можно построить линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор (B) направлен по касательной.
31.Закон Ампера.Работа совершаемая при перемещении тока в магнитное поле.
Зако́н Ампе́ра — закон взаимодействия электрических токов. Впервые был установлен Андре Мари Ампером в 1820 для постоянного тока. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током. Выражение для силы (dF), с которой магнитное поле действует на элемент объёма (dV) проводника с током плотности i , находящегося в магнитном поле с индукцией (B), в Международной системе единиц (СИ) имеет вид:
.
Обратите внимание на аналогию магнитных полей постоянного магнита и катушки с током. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Это означает, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов. Силовые поля, обладающие этим свойством, называются вихревыми. Картину магнитной индукции можно наблюдать с помощью мелких железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируются вдоль линий индукции.
Для того, чтобы количественно описать магнитное поле, нужно указать способ определения не только направления вектора (B) но и его модуля. Проще всего это сделать, внося в исследуемое магнитное поле проводник с током и измеряя силу, действующую на отдельный прямолинейный участок этого проводника. Этот участок проводника должен иметь длину Δl, достаточно малую по сравнению с размерами областей неоднородности магнитного поля. Как показали опыты Ампера, сила, действующая на участок проводника, пропорциональна силе тока I, длине Δl этого участка и синусу угла α между направлениями тока и вектора магнитной индукции:
|
F ~ IΔl sin α. |
Эта сила называется силой Ампера. Она достигает максимального по модулю значения Fmax, когда проводник с током ориентирован перпендикулярно линиям магнитной индукции. Модуль вектора (B) определяется следующим образом:
Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы Ампера, действующей на прямой проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине Δl:
В общем случае сила Ампера выражается соотношением:
|
F = IBΔl sin α. |
Это соотношение принято называть законом Ампера.
В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принята индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (Тл).
Тесла – очень крупная единица. Магнитное поле Земли приблизительно равно 0,5·10–4 Тл. Большой лабораторный электромагнит может создать поле не более 5 Тл.
Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции (B) и направлению тока, текущего по проводнику. Для определения направления силы Ампера обычно используют правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции B входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник
2) Рассмотрим контур с током, образованный неподвижными проводами и скользящей по ним подвижной перемычкой длины l (рис. 48.1). Допустим, что этот контур находится во внешнем магнитном поле, которое мы будем предполагать однородным и перпендикулярным к плоскости контура. При указанных на рис. 48.1, а направлениях тока и поля сила F, действующая на перемычку, будет направлена вправо и равна
При перемещении перемычки вправо на (2) эта сила совершит положительную работу
Рис. 47.3.
Работа при перемещении тока в магнитном поле
Пусть мы имеем такую электрическую схему – два жёстких провода с током, по которым может скользить ещё один кусок провода.
Внешнее магнитное поле В направлено перпендикулярно плоскости чертежа. Сила Ампера f = I Bℓ направлена вправо, туда и начнёт скользить подвижный провод. При прохождении им пути ds работа силы будет равна dA = f ds = I Bℓ ds . Но произведение Bℓ ds является потоком вектора индукции В через заштрихованную площадку. Таким образом, dA = I dΦ .
Итак, работа, совершаемая при перемещении проводника в магнитном поле, равна произведению тока на магнитный поток, пересечённый движущимся проводником.
Можно показать, что полученная формула справедлива при любом движении любого проводника в произвольном магнитном поле. Кроме того, формула справедлива и для замкнутого движущегося контура с током.
32.Поток вектора магнитной индукции.Индукция магнитного поля соленоида.
Поток вектора магнитной индукции
Магнитным потоком Ф через площадку S называется скалярная величина Ф= В ∙ S или где – проекция вектора В на направление нормали n к площадке S; – угол между векторами В и n.
Поток вектора В может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знака cos. _ Теорема Гаусса для магнитного поля: поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю:
, (4.19)
где dS – элемент замкнутой поверхности S, Вn – проекция В на нормаль к этой поверхности.
Эта теорема говорит о том, что в природе отсутствуют магнитные заряды, а линии магнитной индукции замкнуты, то есть магнитное поле является вихревым (соленоидальным).
Магнитный поток через соленоид:
где . Отметим, что ВS умножено на N, т. е. каждый виток соленоида создает магнитный поток ВS, а витков N, т. е. магнитный поток увеличивается в N раз.