Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Частина 1.doc
Скачиваний:
14
Добавлен:
27.02.2016
Размер:
2.41 Mб
Скачать

Лекція 1 Основи теорії електромагнітного поля

1. Електромагнітне поле - особлива форма матерії.

2. Основні характеристики електричного поля.

3. Робота при переміщенні заряджених частинок у електричному полі.

Дом. завд. [1] стор. 4-20, зад 1.4; 1.7

1 Енергія - це кількісна міра руху і взаємодії усіх форм матерії.

У практичній діяльності людини найбільш широко використовується за нашого часу електромагнітна (електрична) енергія, носієм якої є електромагнітне поле.

Електромагнітне поле діє на електричне заряджені частини, причому сила дії залежить від швидкості переміщення і величини заряду частини.

Електрична енергія має цінні властивості: її відносно нескладно одержати шляхом перетворення інших видів енергії (механічної, теплової, ядерної, хімічної, та ін.), передавати з малими збитками на великі відстані, просто роздрібнюється та перетворюється у необхідні види енергії.

Наведіть приклади застосування електричної енергії.

2 У залежності від умов спостереження електромагнітне поле проявляється в цілому або як одне з двох його сторін: електричне або магнітне поле. Електричне поле характеризується дією на електричне заряджену частинку з силою, яка пропорціональна заряду частинки і не залежить від її швидкості.

Наведіть приклади елементарних заряджених частинок. Який зв'язок існує між частинкою і полем ?. Чому у звичайному стані тіла, які нас оточують електричне нейтральні? Яке тіло може отримати електричний заряд?

Електричний заряд тіла (системи тіл) завжди дорівнює алгебраїчній сумі елементарних електричних зарядів.

Електричне поле нерухомих заряджених тіл при відсутності в них електричних струмів має назву електростатичного.

Силовою характеристикою електричного поля є напруженість.

Закон Кулона

Величина сили, з якою на кожне з двох точечних заряджених тіл, які розташовані у вакуумі, діє їхнє загальне електричне поле, пропорційна добутку зарядів цих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між ними.

Fe=Q1*Q2/4πεo r2

де Q1, Q2 - заряджені тіла;

г — відстань між ними;

εo - електрична стала; εo= 1/4π9*109

Точеним зветься заряджене тіло, якщо його лінійні розміри дуже маленькі у порівнянні з відстанню від нього до точки, у якій розглядається його електричне поле.

Щоб визначити інтенсивність електричного поля треба взяти пробне тіло, розміри і заряд якого значно менші досліджуваного, щоб заряд і електричне поле практично не змінювались при занесенні пробного заряду.

-2-

Через те, що сила пропорційна величині пробного заряду, інтенсивність електричного поля в заданій точці зручно оцінювати величиною сили, яка припадає на одиницю позитивного заряду пробного тіла, яке розташовано у цій точці, т.ч. Fe/Q2

Напруженість електричного поля кількісно дорівнює відношенню сили, яка діє на заряджену частинку, до її заряду:

Е= Fe/Q [Н/Кл=В/м ]

Напруженість - це векторна велична, напрям якої збігається з напрямом сили, яка діє на частинку з позитивним зарядом.

На кожне з двох заряджених тіл діють однакові сили Fе, які спрямовані так, що тіла із зарядами однакового знака відштовхуються, а з зарядами різних знаків притягуються.

Лінії напруженості електричного поля використовують для наочного зображення електричного поля і проводять їх так, щоб вектор напруженості збігався з дотичною в кожній точці цієї лінії.

Електричне поле має назву однорідного (рівномірного), якщо напруженість його у всіх точках однакова за величиною і напрямом.

Задача 1.2

Fе Fе Задано: Fе = 0,144 Н, r = 5 * 10-2 м

Знайти: Q

Рішення: Fе = Q1*Q2/4πεo r2 => Q = ; Q=;

Q = =2*10-7 Кл

Задача 1.3

Задано: r = 20 см = 0,2 м; Q = 8*10-7 Кл

Знайти: Fе

Рішення: F12=F21= … =F32=F23=(Q1*Q2)/4πεor2= Q2/ 4πεor2 ;

F12=144*10-3 (H)

-3-

Теорема косинусів: а2 =b2 + с2 – 2bс cosа

Fx2 = 2F122-2 F132 cos120°;

Fx = F13 =F13 = F13 *2sin60°=

=F13 * 2 = 144 * 10-3 * 1,73 = 0,249 (H)

Задача 1.4

Задано: с = 0,2 м; а = 30°; β = 60°;

Q=0,6*10-6 Кл

Знайти: Fe1, Fe2 ,Fe3

Рішення: а =с*sin30°=*0,2=0,1 м

b = с*sin60°=*0,2=0,173 м

F31=F13==36*9*10-12*109=0,324 Кл

F23=F32==0,081 Кл

F12=F21==0,108 Кл

Fe1==0,341 H

З Якщо вільна частинка з позитивним зарядом Q у рівномірному електричному полі буде переміщюватись під дією сили Fе з точки 1 до точки 2 на відстань l, то при

Цьому здійснюється робота А12 = Fе*l

-4-

Через напруженість електричного поля А12 = Е*Q*L, таким чином кількісно робота пропорційна заряду і напруженості електричного поля.

Робота вважається позитивною, якщо заряджена частинка переміщується у напрямку сили поля, і негативною, якщо переміщення відбувається під дією зовнішніх сил проти напрямку сил електричного поля.

Якщо поле нерівномірне, шлях поділяють на dl, де напруженість можливо вважати постійною.

А12=Q En dl,

де Еn - проекція вектора напруженості поля на напрям руху зарядженої частинки. Загальна робота на замкненому шляху А = 0.

Робота, яка виконується силами електричного поля при переміщенні зарядженої частинки між точками 1 і 2, не залежить від того, який шлях вибраний, а визначається тільки відстанню між цими точками.

Електрична напруга - характеризується роботою, яка припадає на одиницю заряду

U12=F12/Q

U=A/Q=Fl /Q=EQl /Q=El [Дж/Кл=В]

Електричний потенціал - відношення потенціальної енергії зарядженої частинки, яка розташована у даній точці електричного поля, до величини електричного заряду:

V11/Q; V22/Q

V12=A12/Q=A1-A2/Q=V1-V2

Потенціальна енергія зарядженої частинки у електричному полі зменшується, при переміщуванні її у напрямку ліній напруженості.

Геометричне місце точок з однаковим потенціалом зветься еквіпотенціальною поверхнею.

У електричному полі лінії напруженості та еквіпотенціальні поверхні перехрещуються перпендикулярно.

Якщо розташувати у електричному полі металеве тіло, то вільні електрони перемістяться під його дією до однієї поверхні, яка одержить негативний заряд, протилежна поверхня одержить позитивній заряд.

Зміщення вільних заряджених частинок на поверхню провідника, розташованого у електричному полі, має назву електростатичної індукції.

Внаслідок розподілу зарядів всередині провідника з'являється своє електричне поле з напруженістю Е2. Рух вільних електронів буде відбуватись доки Е2=E1, таким чином сумарна напруженість електричного поля буде дорівнювати „О".

Напруга між двома будь - якими точками провідника дорівнює „О", таким чином потенціал у будь - якій точці один і той же і провідник являє собою еквіпотенціальній об' єм.

Якщо провідник має порожнину всередині, то заряджені частинки розташовуються тільки на поверхні, всередині метала і порожнини електричне поле відсутнє.

-5-

Лекція 2 Електричний струм, опір. Закон Ома, елементи електричних кіл.

1. Провідники, ізолятори, напівпровідники.

2. Електричний струм і його густина.

3. Опір і закон Ома.

4. Електричне коло і його основні елементи.

Дом. Завд. [1] стор. 21 - 27, 39 - 41, зад. 2.8, 3.4

1 Будь - яка речовина складається з атомів та молекул. Електрони атомів перебувають на певних орбітах. Електрони зовнішніх орбіт (валентні електрони) порівняно легко відділяються від атома, потому стають „вільними" або приєднуються до другого атому або до молекули, утворюючі іони. Кількість носіїв заряду - вільних електронів або іонів - у одиниці об'єму речовини - концентрація носіїв заряду.

Електричний струм (провідності) - це явище упорядкованого (спрямованого) руху заряджених частинок.

Електропровідність - властивість речовини проводити електричний струм під дією електричного поля. Вона залежить від концентрації носіїв заряду. У залежності від електропровідності всі речовини поділяються на провідники, напівпровідники та ізолятори (діелектрики)

Провідники мають високу електропровідність і поділяються на два типи.

До провідників першого типу належать усі метали та їхні сплави, електричний струм утворюється тільки переміщенням електронів. Виникнення струму не супроводжується хімічними змінами матеріалу провідника.

Провідники другого роду з іонною провідністю - розплави деяких солей та водні розчини солей, кислот, лугів та ін. У розплавах та розчинах незалежно від наявності струму відбувається розпад нейтральних молекул на іони (електролітична дисоціація). Іони металів і водень -позитивні, іони кислотних залишків та гідроксид на група - негативні. Якщо у такому провіднику створити електричне поле, то упорядкований рух позитивних іонів у напрямку поля, а негативних - у протилежному і є струм (провідності) у електроліті.

Діелектриками (ізоляторами) називають речовини, у яких при нормальних умовах є дуже мала кількість вільних електричне заряджених частинок, внаслідок чого вони мають незначну електропровідність.

Напівпровідники по електропровідності займають проміжне місце між провідниками та ізоляторами. У них концентрація вільних носіїв заряду у великій мірі залежить від температури, освітлення, електричних полів та ін. Помимо електронної вони мають ще „дірчану" провідність.

2. Щоб виник і існував електричний струм у провіднику необхідно:

1) наявність у провіднику вільних носіїв заряду;

2) наявність у провіднику електричного поля.

Електричне поле у провіднику існувати не може тому, що вільні носії заряду будуть розташовуватись так, що сумарне поле усередині провідника буде дорівнювати нулю. Для піддержування спрямованого руху зарядів у провіднику необхідно підтримувати електричне поле, підключивши до провідника два електрода джерела енергії, наприклад акумулятора. Електричний струм існує у провіднику, якщо провідник разом з джерелом електричної енергії утворює хоч би найпростіше електричне коло. У електротехніці кажуть, що між електродами, до яких підключене джерело енергії прикладена напруга цього джерела. Позитивно заряджений електрод (анод) позначають знаком „плюс", а негативно заряджений електрод (катод) - знаком „мінус".

Електричне поле в провіднику, якщо струм не змінюється з бігом часу, називають стаціонарним електричним полем. Стаціонарне електричне поле, також як і електростатичне, характеризується напруженістю, яка не змінюється з часом.

Напрям струму І у провіднику вважають збіжним з напрямом напруженості поля, отже з напрямом сили, яка діє на позитивний заряд, і напрямом руху позитивних зарядів. Тому за напрям струму заведено вважати напрям, протилежний напряму руху електронів. Струм, який не змінюється з часом, називають постійним.

Постійний струм визначають кількістю електрики (зарядом), яка проходить крізь виділену поверхню провідника (поперечний переріз провідника) у одиницю часу.

-6-

I=Q/t

Де Q - заряд, який проходить крізь поперечний переріз за час t

Постійний струм у провіднику дорівнює 1А, якщо крізь поперечний переріз за 1с проходить електричний заряд, який дорівнює 1Кл, отже 1А = 1Кл/1с.

При рівномірному розподіленні струму по виділеній поверхні провідника відношення струму І до площі S цієї поверхні визначає густину струму.

j = I/S (А/мм2)

Вектор густини струму спрямований паралельно до площини поперечного перерізу проводу, постійного перерізу. Якщо провід має змінний поперечний переріз, то:

j1/j2 =S2/S1

3. Дослідним шляхом виявлено, що інтенсивність електричного струму пропорційна напруженості електричного поля і залежить від властивостей речовини, яка проводить струм.

Густина електричного струму у провіднику виражається добутком напруженості електричного поля Е та питомої електричної провідності γ:

J= γЕ

Питома електрична провідність у характеризує електропровідність речовини, отже здатність до утворення усередині речовини електричного струму під дією електричного поля.

Розглянемо відрізок провідника довжиною L та поперечним перерізом S, по якому тече струм І. Якщо І = const t, поле буде рівномірним, потенціал його змінюється по довжині від точки до точки. Різниця потенціалів між його кінцями:

U=Е*L

Вважаючи струм рівномірно розподіленим по перерізу, будемо мати:

I/S=γU/L, звідки I=γ(U*S/KL)

Відношення І/U називають електричною провідністю провідника G

G=I/U=γS/L [См]

Одиниця вимірювання електричної провідності - сименс, См. Величина обернена електричній провідності має назву - електричний опір провідника:

R=I/U=1/G [Вольт/Ампер=Ом]

Властивості матеріалу, який проводить струм, характеризується величиною, оберненою питомій електричній провідності у, яка має назву питомого опору ρ:

ρ=1/γ, R=I/U=1/γS=ρL/S

Зі збільшенням температури провідника посилюється хаотичний рух частинок, що збільшує кількість зіткнень електронів з іонами кристалічної решітки і ускладнює упорядкований рух електронів, цим пояснюється збільшення питомого опору металів зі збільшенням температури.

ρ21[1+α (t2-t1)],

де а - температурний коефіцієнт опору. Для провідників будь - якого розміру:

R2=R1[1+α(t2-t1)]

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]