Электричество (стр. 1 из 4)

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Электрический заряд. Взаимодействие заряженных тел.

Закон Кулона.Закон сохранения заряда

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц вступать в электромагнитное взаимодействие. Существует два вида зарядов, которые условно называют положительными и отрицательными. Единица измерения заряда в СИ -–кулон (Кл). Она выражается через основную единицу СИ – ампер (А).

.

Носителями заряда являются элементарные частицы. Электрический заряд любого тела состоит из целого числа n элементарных зарядов

,

где

- элементарный заряд.

Заряд электрона – е, заряд протона +е.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь. Закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов экспериментально установил Кулон.

Закон Кулона:

Сила электрического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

,(3.1)

где

- для вакуума;

- для среды;

- электрическая постоянная,

- относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются .

Закон сохранения электрического заряда.

Алгебраическая сумма электрических зарядов замкнутой системы тел остается постоянной при любых процессах в этой системе:

.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции полей.

Электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле.

Электрическое поле – вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов. Если электрические заряды неподвижны, то поле является электростатическим.

Напряженность поля – физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на точечный положительный (пробный) заряд q, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

(3.2)

вектор напряженности совпадает по направлению с вектором силы. Единица измерения напряженности

или (вольт на метр).

Напряженность электростатического поля точечного заряда Q можно определить, используя закон Кулона:

и формулу (3.2):

(3.3)

Здесь r – расстояние от заряда до точки, в которой определяется напряженность. Для изображения поля используют линии напряженности (силовые линии), касательные к которым в каждой точке дают направление вектора напряженности.

На рис. показаны силовые линии точечного положительного заряда, на рис. – отрицательного заряда. Густота силовых линий там больше, где больше напряженность поля.

Каждый электрический заряд создает электрическое поле независимо от наличия других зарядов.

Принцип суперпозиции:

напряженность поля, созданная двумя и более зарядами, находится как векторная сумма полей, созданных каждым зарядом в отдельности.

3.3 Электромагнитная индукция. Магнитный поток

В 1831 г. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, заключающееся в возникновении тока под действием переменного магнитного поля. Схема опытов Фарадея приведена на рисунках. Он установил, что ток в первой катушке возникает:

· при движении постоянного магнита относительно катушки (рис.);

· при изменении тока во второй катушке ;

· при движении катушек относительно друг друга (во второй при этом существует постоянный ток).

Отсюда можно сделать вывод:

в замкнутом контуре возникает ток при изменении магнитного потока, пронизывающего контур.

Магнитным потоком Ф через поверхность площадью S называется скалярная величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь S и косинус угла между нормалью к поверхности

и вектором (рис.):

Магнитный поток можно наглядно истолковать как величину, пропорциональную числу линий магнитной индукции, пронизывающих контур.

Единица измерения потока – вебер:

Величина индукционного тока пропорциональна скорости изменения магнитного потока, отсюда с учетом закона Ома следует закон для ЭДС индукции.

ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур (производной от потока по времени):

(3.20)

Знак минус в правой части отражает правило Ленца.

Правило Ленца гласит:

возникающий в замкнутом контуре ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он был вызван (то есть) противодействует причине, его породившей).

На рис. показан опыт с внесением магнита в замкнутое кольцо. Возникающий в кольце индукционный ток создает магнитное поле, препятствующее внесению магнита, и отталкивает кольцо от магнита. При внесении магнита в разрезанное кольцо эффект отсутствует.

Явление самоиндукции.Энергия магнитного поля

Явление возникновения ЭДС в проводнике с током при изменении собственного магнитного потока, создаваемого этим током, называется самоиндукцией, а возникающую ЭДС – ЭДС самоиндукции.

Магнитный поток, создаваемый магнитным полем любого проводника, пропорционален силе тока в проводнике (как и магнитная индукция – см. (3.18) и (3.19)):

где L – индуктивность проводника, величина, зависящая от его длины и формы.

С учетом закона электромагнитной индукции (3.20) получим:

(3.21).

Индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей в данном проводнике при изменении в нем тока за единицу времени, и в СИ измеряется в генри:

.

Для увеличения индуктивности проводник наматывается в виде катушки, индуктивность которой зависит:

· от числа витков

· магнитной проницаемости сердечника (если он помещен в катушку).

Явление самоиндукции можно наблюдать на опыте (рис.3.31).

При замыкании цепи лампа, включенная в цепь с катушкой индуктивности, загорается позже вследствие возникновения ЭДС самоиндукции, препятствующей быстрому нарастанию тока.

Для создания в проводнике с индуктивностью L силы тока I источник тока должен совершить работу против ЭДС самоиндукции. Из закона сохранения энергии следует, что при этом энергия источника тока превращается в энергию магнитного поля.

Эту энергию определяют по формуле:

После размыкания цепи ток не исчезнет мгновенно, а какое-то время существует за счет этой энергии.

Магнитные свойства вещества.Магнитная проницаемость.

Ферромагнетики

Электроны в атомах вещества представляют собой замкнутые токи, создающие собственное магнитное поле. Хаотические направления полей отдельных атомов дают в сумме собственное нулевое поле. Если вещество находится во внешнем магнитном поле, то электронные поля частично поворачиваются в направлении внешнего поля и усиливают его. Этот процесс называется намагничивание.

Индукция общего поля

где

и - векторы индукции внешнего и внутреннего полей.

Магнитная проницаемость – отношение модулей векторов индукции

показывает, во сколько раз поле в веществе больше внешнего поля.

Ферромагнетики:

· железо,

· кобальт,

· никель и др.

В ферромагнетиках существуют области сильного самопроизвольного намагничивания размерами порядка 0,01 мм (домены). При появлении внешнего поля направления полей доменов переключаются на направление поля

и значительно его усиливают (в 10000 – 100000 раз). У ферромагнетиков результирующее внешнее поле может сохраняться и при =0 (постоянные магниты). Ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам.