Физика: Электричество и Магнетизм | Новый физтех. Университет ИТМО
Содержание программы
Лекция 1 «Экспериментальные основы электромагнетизма. Базовые понятия. Системы единиц.
Элементы векторного анализа, скалярные и векторные поля, градиент функции, дивергенция, ротор, поток вектора, циркуляция вектора, теорема Остроградского-Гаусса, Теорема Стокса»
Лекция 2 Электростатика: заряды, напряженность, закон Кулона, опыт Милликена, теорема Гаусса
Лекция 3 Потенциал и разность потенциалов. Диполь (напряженность, энергия и поляризация). Теорема о циркуляции.
Лекция 4 Металлы и диэлектрики. Экранировка. Граничные условия. Модели диэлектриков. Поле в веществе. Теорема Гаусса в веществе.
Лекция 5 Уравнение Пуассона. Основная задача электростатики. Метод изображений. Диэлектрическая сфера во внешнем поле. Среднее поле. Формула Клаузиуса-Мосотти
Лекция 6 Энергия системы зарядов. Конденсатор. Емкостные коэффициенты. Плотность энергии поля. Энергетический метод вычисления сил.
Физика в опытах. Часть 2. Электричество и магнетизм
Наглядно – интересно – просто – понятно!
Физика в опытах. Часть 2. Электричество и магнетизм
Наглядно – интересно – просто – понятно!
Данный курс представляет собой серию физических опытов, наглядно демонстрирующих работу основных законов механики. Демонстрацию физических явлений проводит незаурядный преподаватель, доцент кафедры общей физики НИЯУ «МИФИ» — Валериан Иванович Гервидс, глубокие знания и огромный преподавательский опыт которого делает курс «Физика в опытах. Электричество и магнетизм» уникальным.
Курс состоит из девяти модулей по основным разделам: Электрическое поле, Проводники в электрическом поле, Энергия электрического поля, Постоянный электрический ток, Магнитное поле, Магнитное поле в веществе, Электромагнитная индукция, Квазистационарные токи, Электрический ток в газах.
3. Электричество и электромагнитная теория. Революция в физике
3. Электричество и электромагнитная теория
Механика и связанные с ней области, а также акустика и оптика возникли очень давно, поскольку они изучают явления, с которыми человек непрерывно сталкивается в своей повседневной жизни. Наука же об электричестве, напротив, появилась сравнительно недавно. Конечно, некоторые факты, как например, электризация тел трением или свойства природных магнитов, были известны уже и раньше. Не могли не обратить на себя внимания и такие величественные и странные явления природы, как грозы.
Однако вряд ли эти факты в достаточной степени исследовались и сопоставлялись до конца XVIII в.
и вряд ли кто-либо четко представлял себе в то время, что они станут объектом изучения новой науки, составляющей одну из важнейших областей современной физики. Это стало ясно лишь в конце XVIII и начале XIX в. Интересно отметить, что в то же самое время были открыты явления интерференции и построена волновая теория. Этот замечательный период в истории развития науки, когда возникла волновая оптика и современная теория электричества, был для макроскопической физики тем же, чем были последние 50 лет для атомной физики.
Мы не будем здесь ни следовать в деталях истории развития теории электричества, ни отмечать специально вклады таких ученых, как Вольта, Кулон, Эрстед, Био, Лаплас, Гаусс, Ампер, Фарадей и многих других, живших и работавших в период становления этой новой области науки. Хотя это и было бы очень интересно, но увело бы нас слишком далеко в сторону от задач, которые мы себе поставили. Поэтому ограничимся лишь замечанием, что во второй половине XIX в. законы электрических явлений были уже настолько хорошо известны, что оказалось возможным попытаться перейти к объединению большого числа различных фактов и утверждений и к поискам единой стройной теории.
Эту огромную работу проделал Джеймс Клерк Максвелл. Руководствуясь открытиями своих предшественников и своим огромным дарованием, он сумел построить полную теорию электромагнитных явлений, которая носит теперь его имя. Все разнообразие этих явлений, всю совокупность законов, которым они подчиняются, ему удалось свести в одну систему уравнений, которые называют уравнениями Максвелла. Уравнения Максвелла состоят из двух векторных уравнений, эквивалентных шести уравнениям для компонент, и двух скалярных уравнений. Эти уравнения связывают компоненты векторов электрического и магнитного полей и векторов электрической и магнитной индукции между собой и с плотностями электрического заряда и тока. Одно из векторных уравнений выражает закон индукции, открытый Фарадеем. Одно из скалярных уравнений отражает невозможность выделения магнитных зарядов или полюсов одного знака, другое формулирует электростатическую теорему Гаусса. Эти уравнения стали обобщением уже известных законов. Однако второе векторное уравнение содержит существенно новый элемент, внесенный в теорию собственно Максвеллом.
Второе векторное уравнение должно было отразить связь, существующую между магнитным полем и электрическим током, согласно закону Ампера. Согласно этому закону, ротор от вектора напряженности магнитного поля должен быть равен (с точностью до постоянной, зависящей от выбора системы единиц измерений) плотности электрического тока. Но Максвелл заметил, что если определить входящую в это уравнение плотность тока как плотность только тока, связанного с переносом заряда, то это приводит к целому ряду трудностей. Чтобы избежать их, он выдвинул блестящую идею – обобщить выражение для плотности тока, добавив к так называемому току проводимости, обусловленному переносом заряда, слагаемое, пропорциональное скорости изменения во времени вектора электрической индукции. Это слагаемое представляет собой новый вид тока, ток смещения, который в отличие от тока проводимости вовсе не обязательно связан с перемещением электрических зарядов. Так, например, в поляризуемой среде часть тока смещения связана с перемещением электрических зарядов, другая же его часть, отличная от нуля даже в пустоте, если электрическое поле переменно во времени, совершенно не связана с движением зарядов.
Благодаря введению токов смещения трудности, о которых мы упоминали, исчезли. Сложный вопрос о замкнутых и незамкнутых токах, занимавший теоретиков того времени, разрешился сам собой, поскольку, если принять во внимание токи смещения, то все эти токи окажутся замкнутыми.
Но самая гениальная идея Максвелла, выдвинутая после написания общих уравнений электромагнитных явлений, состояла в том, что эти уравнения дают возможность рассматривать свет как электромагнитное возмущение. Это в свою очередь позволило объединить две казавшиеся столь различными области физики и рассматривать всю оптику как частный случай электродинамики – один из наиболее замечательных примеров синтеза, который дает нам история развития физики.
Что же помогло Максвеллу выдвинуть эту радикальную идею? Уравнения электродинамики содержат некоторую константу, равную отношению электромагнитной единицы заряда или поля к соответствующей электростатической единице. С помощью несложных преобразований основных уравнений легко показать, что распространение электромагнитного поля в пустоте описывается волновым уравнением, содержащим указанную постоянную в качестве скорости распространения.
Таким образом, если предположим, вслед за Максвеллом, что световые волны представляют собой электромагнитные возмущения, то отсюда следует: скорость распространения света в пустоте, обозначаемая обычно буквой c, должна быть равна по величине отношению, например, единиц заряда в электромагнитной и электростатической системах. И действительно, результаты соответствующих измерений, уже известные к тому времени, говорят о соблюдении этого равенства с точностью до 3…4%. Все же последующие измерения указывают на то, что это равенство, по видимому, выполняется с любой точностью. Этот факт явился блестящим подтверждением выдвинутой Максвеллом гипотезы об электромагнитной природе света.
Согласно теории Максвелла, плоская монохроматическая световая волна, распространяющаяся в пустоте, определяется двумя векторами; вектором электрического и вектором магнитного полей, колеблющимися с частотой волны. Они равны между собой по величине, перпендикулярны друг другу и направлению распространения и колеблются в одной фазе.
Все результаты, следующие из теории Френеля, могут быть получены, если заменить колебания эфира электромагнитными колебаниями и повторить прежние рассуждения, но уже на другом языке – языке электромагнитной теории. Эта теория превосходно позволяет обойтись без эфира: для этого достаточно предположить, что свойства пустого пространства определяются в каждой точке заданием двух векторов электрического и магнитного полей. При этом теория принимает довольно абстрактный характер, что, впрочем, обычно для современных физических теорией. Она оказывается в основном математической теорией.
Этот отвлеченный характер электромагнитной теории становится особенно заметным в той форме, которую придал ей несколько позже Герц. И тем не менее многие из физиков того времени все еще испытывали потребность ввести некоторую среду – носитель электромагнитного поля – и рассматривать поле как некоторое состояние возбуждения этой среды. Многие, и в особенности лорд Кельвин, потратили много усилий, пытаясь получить механическое объяснение электромагнитных явлений, сводя их к натяжению или упругим деформациям эфира.
Однако эти попытки никогда не приводили к удовлетворительным результатам, и со временем подобные теории эфира себя полностью дискредитировали. Эфир стал рассматриваться теперь как некоторая гипотетическая среда, позволяющая определять лишь системы координат, в которых справедлива обычная форма уравнений Максвелла. Но даже после того, как за эфиром была оставлена столь скромная роль, это понятие все еще приводило к ряду трудностей. В частности, электродинамика движущихся сред, базирующаяся на предположении, что эфир может служить для определения движения по отношению к абсолютному пространству, оказывалась весьма сложной и привела в конце концов к противоречию с экспериментом. И только теория относительности внесла полную ясность в этот вопрос, совершенно устранив из физических теорий понятие эфира.
Одним из наиболее блестящих подтверждений теории Максвелла было открытие Герцем электромагнитных волн, названных в его честь волнами Герца. Электромагнитная теория предсказывала, что при достаточно быстром изменении электрического тока в цепи возможно излучение и окружающее пространство электромагнитной волны, которая, согласно идеям Максвелла, должна иметь структуру, совершенно аналогичную структуре световой волны.
Но волны, которые можно было бы получать с помощью соответствующего электрического контура, обладали всегда частотой, гораздо меньшей, и соответственно длиной волны, гораздо большей, чем частота и длина световых волн. Отсюда, естественно, вытекало и различие между свойствами этих волн: волны Герца не воздействуют на наши органы чувств и, что связано с большой длины волны, легко огибают непрозрачные препятствия, встречающиеся на их пути. Однако, несмотря на эти различия, имелась и большая общность между световыми волнами и волнами Герца. В частности, с последними можно было повторить ставшие классическими эксперименты по отражению, преломлению, интерференции или дифракции волн. Необходимые для этого экспериментальные установки должны в основном быть такими же, хотя, разумеется, и гораздо больших масштабов в соответствии с изменившейся длиной волны.
Это памятное открытие волн Герца и их свойств не оставило больше никаких сомнений в правильности основных идей Максвелла, касающихся электромагнитной природы света.
И нет, пожалуй, нужды напоминать, что именно открытие волн Герца позволило осуществить беспроволочный телеграф, а позднее способствовало развитию других средств связи на расстоянии.
Электромагнитная теория позволяет также рассматривать распространение света в материальных средах. Она привела к знаменитому соотношению, связывающему диэлектрическую постоянную однородной среды с ее показателем преломления, и позволила изучить поглощение света в проводящих средах. Но только после того, как она была дополнена гипотезой о дискретной электрической структуре материи (гипотеза электронов), электромагнитная теория дала возможность по настоящему глубоко исследовать характер распространения света в материальных средах.
Онлайн калькулятор: Работа и мощность тока
Данный калькулятор можно использовать для проверки решений задач на тему «Постоянный ток. Работа и мощность тока», которая изучается в школьном курсе физики.
Чтобы воспользоваться калькулятором, надо ввести известные в задаче значения, и оставить пустыми поля для неизвестных значений. Калькулятор, если ему хватает введенных данных, рассчитает и отобразит неизвестные значения.
Пример задачи: Подъемный кран потребляет ток силой 40А из сети с напряжением 380В. На подъем бетонной плиты кран затратил 3.5 минуты. Определите работу, которую совершил кран.
Для проверки решения этой задачи калькулятором надо ввести 40 в поле «Сила тока», 380 — в поле «Напряжение» и 3.5 — в поле «Время», поставив значение единиц времени в «минуты». В результате калькулятор рассчитает величину работы, а также мощности и сопротивления. Формулы расчета приведены под калькулятором.
Работа и мощность тока
ЕдиницымААмперкАМАЕдиницымВВольткВМВЕдиницымОмОмкОмМОмЕдиницыДжоульМДжкВт•часЕдиницыВатткВтМВтЕдиницысекундыминутычасыТочность вычисленияЗнаков после запятой: 2
Сила тока, Ампер
Напряжение, Вольт
Сопротивление, Ом
Работа, Джоуль
Мощность, Ватт
Время, секунд
content_copy Ссылка save Сохранить extension Виджет
Работа и мощность тока
Под работой тока понимают работу, совершаемую электрическими силами по переносу заряженных частиц.
Эта работа оценивается как произведение величины перенесенного заряда на величину разности потенциалов (напряжения) между начальной и конечной точками переноса.
С другой стороны, силу тока можно также выразить через величину перенесенного заряда
Откуда можно выразить работу тока, как скалярную величину, равную произведению силы тока, напряжения и времени, в течении которого шел ток
Кстати, исходя из этого соотношения, 1Дж = 1В·1А·1с
Применяя закон Ома для участка цепи
Можно получить производные формулы для работы:
Так как мощность это работа, совершенная за единицу времени, соответственно, мощность тока — это работа тока, совершенная за единицу времени.
Соответственно, мощность можно выразить как
Что такое электрическая цепь?
В Уроке 1 обсуждалась концепция разности электрических потенциалов. Электрический потенциал — это количество электрической потенциальной энергии на единицу заряда, которым обладал бы заряженный объект, если бы он был помещен в электрическое поле в заданном месте.
Концепция потенциала — это величина, зависящая от местоположения — она выражает количество потенциальной энергии на основе заряда, так что оно не зависит от количества заряда, фактически присутствующего на объекте, обладающем электрическим потенциалом.Разность электрических потенциалов — это просто разница электрических потенциалов между двумя разными точками в пределах электрического поля.
Чтобы проиллюстрировать концепцию разности электрических потенциалов и природу электрической цепи, рассмотрим следующую ситуацию. Предположим, что есть две металлические пластины, ориентированные параллельно друг другу, и каждая заряжена зарядом противоположного типа — одна положительная, а другая отрицательная. Такое расположение заряженных пластин создаст электрическое поле в области между пластинами, которое направлено от положительной пластины к отрицательной пластине.Положительный тестовый заряд, помещенный между пластинами, будет перемещаться от положительной пластины к отрицательной пластине.
Это движение положительного испытательного заряда от положительной пластины к отрицательной могло бы происходить без потребности в подаче энергии в виде работы; это произойдет естественным образом и, таким образом, снизит потенциальную энергию заряда. Положительная пластина будет местом с высоким потенциалом, а отрицательная пластина — местом с низким потенциалом. Между этими двумя точками будет разница в электрическом потенциале.
Теперь предположим, что две противоположно заряженные пластины соединены металлической проволокой. Что случилось бы? Проволока служит своего рода зарядной трубкой, по которой может течь заряд. Со временем можно было представить себе положительные заряды, перемещающиеся от положительной пластины через зарядную трубку (провод) к отрицательной пластине. То есть положительный заряд естественным образом двигался бы в направлении электрического поля, которое было создано расположением двух противоположно заряженных пластин.По мере того, как положительный заряд покидает верхнюю пластину, пластина будет становиться менее заряженной, как показано на анимации справа.
Когда положительный заряд достигнет отрицательной пластины, эта пластина станет менее отрицательно заряженной. Со временем количество положительного и отрицательного заряда на двух пластинах будет постепенно уменьшаться. Поскольку электрическое поле зависит от количества заряда, присутствующего на объекте, создающем электрическое поле, электрическое поле, создаваемое двумя пластинами, будет постепенно уменьшаться в силе с течением времени.В конце концов, электрическое поле между пластинами станет настолько маленьким, что не будет наблюдаемого движения заряда между двумя пластинами. Пластины в конечном итоге теряют заряд и достигают того же электрического потенциала. При отсутствии разности электрических потенциалов не будет потока заряда.
Приведенный выше рисунок приближается к демонстрации значения электрической цепи. Однако, чтобы быть истинной цепью, заряды должны постоянно проходить через полный цикл, возвращаясь в свое исходное положение и снова циклически проходя через него.
Если бы существовало средство перемещения положительного заряда с отрицательной пластины обратно вверх на положительную пластину, то движение положительного заряда вниз через зарядную трубку (то есть провод) происходило бы непрерывно. В таком случае будет создана цепь или петля.
Обычная лабораторная работа, которая иллюстрирует необходимость полного цикла, использует аккумуляторный блок (набор D-ячеек), лампочку и некоторые соединительные провода. Это упражнение включает наблюдение за эффектом подключения и отключения провода при простом расположении аккумуляторной батареи, лампочек и проводов.Когда все подключения к аккумуляторной батарее выполнены, лампочка загорится. Фактически, зажигание лампочки происходит сразу после окончательного подключения. Нет заметной временной задержки между моментом последнего подключения и моментом, когда лампочка загорается.
Тот факт, что лампочка горит и продолжает гореть, свидетельствует о том, что через нить накаливания лампы проходит заряд и что электрическая цепь была установлена.
Цепь — это просто замкнутый контур, по которому могут непрерывно перемещаться заряды. Чтобы продемонстрировать, что заряды движутся не только через нить накаливания лампочки, но и по проводам, соединяющим аккумулятор и лампочку, мы изменили описанное выше действие. Компас помещают под проволоку в любом месте так, чтобы его стрелка совпадала с проволокой. После окончательного подключения к аккумуляторной батарее загорается лампочка, и стрелка компаса отклоняется. Игла служит детектором движущихся зарядов внутри провода.Когда он отклоняется, заряды движутся по проводу. А если отсоединить провод от аккумуляторной батареи, лампочка больше не горит, а стрелка компаса вернется в исходное положение. Когда загорается лампочка, заряд проходит через электрохимические элементы батареи, провода и нити накаливания лампочки; стрелка компаса определяет движение этого заряда. Можно сказать, что есть ток , — поток заряда в цепи.
Электрическая схема, представленная комбинацией батареи, лампочки и проводов, состоит из двух отдельных частей: внутренней и внешней цепи.
Часть схемы, содержащая электрохимические элементы батареи, является внутренней схемой. Часть схемы, в которой заряд перемещается за пределы аккумуляторной батареи через провода и лампочку, является внешней схемой. В Уроке 2 мы сосредоточимся на движении заряда по внешней цепи. В следующей части Урока 2 мы исследуем требования, которые должны быть выполнены, чтобы заряд протекал через внешнюю цепь.
Что такое электричество? — Чудеса физики — UW – Madison
Большинство людей знают, что такое электричество.Он выходит из розеток в наших домах и заставляет свет включаться. Если вы дотронетесь до него, это может навредить. Это почему? Почему вы испытываете шок, когда дотрагиваетесь до дверной ручки? Молния похожа на электричество. Это почему?
Все в мире состоит из крошечных частиц, называемых атомами. Они настолько малы, что их невозможно увидеть даже в микроскоп. Атомы состоят из двух видов электрического заряда.
В середине атомов находятся положительные заряды, а с внешней стороны — отрицательные.В большинстве случаев положительных зарядов столько же, сколько отрицательных. У каждого положительного заряда есть отрицательный партнер. Однако иногда бывает слишком много зарядов одного вида. Эти дополнительные расходы идут на поиски компаньона. Эти отрицательные заряды называются электронами и не удерживаются в атоме очень плотно, поэтому им легко перемещаться. Движущиеся электроны составляют то, что мы называем электричеством. Есть два вида электричества: статическое и текущее.
Статическое электричество — это то, что заставляет ваши волосы встать дыбом, когда вы терзаете их воздушным шаром или ударяете вас дверной ручкой.В статическом электричестве электроны перемещаются механически (т. Е. Когда кто-то трет два предмета друг о друга). Когда вы волочите ноги по ковру, с ковра соскребает лишний заряд, который накапливается на вашем теле. Когда вы касаетесь дверной ручки, весь заряд хочет покинуть вас и перейти к дверной ручке.
Вы видите искру и получаете ток, когда электроны покидают вас.
Молния является результатом статического электричества. Во время грозы отрицательно заряженные частицы могут накапливаться в облаке. Электроны отталкиваются друг от друга; они действительно не любят друг друга и хотят уйти друг от друга как можно дальше.Наибольшее расстояние, на которое они могут уйти друг от друга, — это войти в землю, потому что это самая большая вещь вокруг. Когда электроны прыгают в группу, мы видим молнию. Это похоже на большую искру. Бенджамин Франклин обнаружил, что молния может быть очень опасной. У молнии более 20 миллионов вольт!
В современном электричестве электричество должно течь по замкнутому контуру, который называется контуром. Если петля где-нибудь разорвется, электричество не пройдет. Это похоже на кровь в теле.Кровь прокачивается сердцем по артериям и в конечном итоге возвращается к сердцу по венам. В цепи электрические заряды — это кровь, а провода — это артерии и вены.
Электрические заряды обладают определенным количеством энергии. Мера этой энергии называется напряжением (Вольт). Батарея фонарика имеет около 1 ½ вольт, а ваша настенная розетка — около 120 вольт. Электроны, движущиеся по цепи, называются током. Вы можете получить удар электрическим током, когда через ваше тело протекает большой ток — много электронов.
Электроны в цепи должны выталкиваться чем-то, например батареей. Если вы посмотрите на один конец батареи, есть знак +, где находятся дополнительные положительные заряды. На другом конце, где стоит знак -, есть дополнительные отрицательные заряды (электроны). Когда мы включаем фонарик, электроны вылетают из батареи по проводам и попадают туда, где находятся положительные заряды. По пути они пробегают провод внутри лампочки. Тонкий провод внутри колбы сильно нагревается и зажигает свет.
Electric Power — The Physics Hypertextbook
Обсуждение
Джеймс Джоуль (1818–1889) Англия подтвердил закон Ома и определил, что тепло, передаваемое проводником, прямо пропорционально его сопротивлению и квадрату тока, проходящего через него.
Таким образом, мы видим, что когда ток гальванического электричества распространяется по металлическому проводнику, выделяемое за заданное время тепло пропорционально сопротивлению проводника, умноженному на квадрат напряженности электрического поля.
Джеймс Прескотт Джоуль, 1841
Электроэнергия из определения мощности. Умножьте на единицу и замените переменные в знаменателе. Посмотрите, что это нам дает.
| P = | Вт | = | Вт | q | = | Вт | q | = ВИ | ||
| т | т | q | q | т |
Это первоначальное определение ватта как единицы мощности.
Другая единица, которую я бы предложил добавить в список, — это мощность. Мощность, передаваемая током ампера через разность потенциалов в вольте, является единицей, соответствующей практической системе. Его уместно назвать ваттом в честь великого ума механиков Джеймса Ватта. Он был первым, кто имел четкое физическое представление о силе и дал рациональный метод ее измерения. Таким образом, ватт выражает мощность усилителя, умноженную на вольт, в то время как мощность в лошадиных силах равна 746 ваттам, а мощность равна 735.
Карл Вильгельм Сименс, 1882
Лошадиная сила — это единица измерения мощности, изобретенная Джеймсом Ваттом. cheval de vapeur (буквально «конь пара») — это французское название того, что на английском языке часто называют метрической мощностью. Интересно, что французы называют мощность Джеймса Ватта le cheval-vapeur britannique .
Мощность по току. Снимаем напряжение подстановкой из закона Ома.
P = VI = ( IR ) I = I 2 R
Мощность по напряжению.Убрать ток по закону Ома.
| P = VI = V | В | = | В 2 |
| R | рэнд |
Вкратце…
Потребительские дела…
Часть счета за электроэнергию бытового потребителя. Коммунальные предприятия продают электроэнергию по киловатт-часам; блок, упрощающий расчет эксплуатационных расходов на электрические устройства.Энергия, потребляемая во время этого конкретного цикла выставления счетов, была довольно небольшой (по сравнению с аналогичными потребителями), но тариф, взимаемый этим коммунальным предприятием, был примерно вдвое выше среднего по США в 2000 году.
Обычные (на основе меди) кабели могут передавать мощность (от 40 до 600 МВт) при высоком напряжении (от 40 до 345 кВ)
./electric-power/utility-bill-2015.svg» alt=»An electric bill for the month of March 2015″> Увеличить
Аналогичный счет от 2015 года.
Потеря линии
| P потеря = I 2 нагрузка R строка = | ⎛ ⎜ ⎝ | P нагрузка | ⎞ 2 ⎟ ⎠ | R линия |
| В линия |
и доля потерь.
| доля потерь = | P убыток | = | P нагрузка R строка |
| P нагрузка | В 2 линия |
Regents Physics Electricity & Magnetism
Электричество и магнетизм играют важную роль почти во всех аспектах нашей повседневной жизни.
… с момента пробуждения до момента, когда мы засыпаем (и даже когда мы спим), применение электричества и магнетизма дает нам инструменты, свет, тепло, транспорт, общение и даже развлечения. Однако, несмотря на его широкое распространение, мы все еще многое узнаем об этих явлениях каждый день!
Цели
Электростатика
- Рассчитать стоимость объекта.
- Опишите различия между проводниками и изоляторами.
- Объясните разницу между проводимостью и индукцией.
- Объясните, как работает электроскоп.
- Решайте задачи, используя закон сохранения заряда.
- Используйте закон Кулона для решения проблем, связанных с электрической силой.
- Осознайте, что заряженные предметы проявляют силы, как притягивающие, так и отталкивающие.
- Сравните и сопоставьте закон всемирного тяготения Ньютона с законом Кулона.
- Определите, измерьте и рассчитайте напряженность электрического поля.
- Решает проблемы, связанные с зарядом, электрическим полем и силами.
- Определите и рассчитайте электрическую потенциальную энергию.
- Определите и рассчитайте разность потенциалов.
- Решает основные проблемы с заряженными параллельными пластинами.
Электрические схемы
- Определите и рассчитайте электрический ток.
- Определите и рассчитайте сопротивление по закону Ома.
- Объясните факторы и рассчитайте сопротивление проводника.
- Определите путь и направление тока в цепи.
- Нарисуйте и интерпретируйте принципиальные схемы электрических цепей.
- Эффективно используйте и анализируйте вольтметры и амперметры.
- Решите проблемы последовательной и параллельной цепи с помощью таблиц VIRP.
- Рассчитайте эквивалентные сопротивления резисторов в последовательной и параллельной конфигурациях.
- Рассчитать мощность и энергию, используемую в электрических цепях.
Магнетизм
- Объясните: магнетизм вызывается движущимися электрическими зарядами.
- Опишите магнитные полюса и взаимодействия между магнитами.
- Нарисуйте линии магнитного поля.
- Опишите факторы, влияющие на индуцированную разность потенциалов из-за силовых линий магнитного поля, взаимодействующих с движущимися зарядами.
Темы исследования
- Электричество
- Электростатика
- Электрический ток Цепи серии
- Параллельные цепи
- Магнетизм
- Тест на электричество и магнетизм
Physics4Kids.com: Электричество и магнетизм: Введение
Электричество связано с зарядами, а электроны и протоны несут заряд. Величина заряда одинакова для каждой частицы, но противоположна по знаку. Электроны несут отрицательный заряд , а протоны несут положительный заряд .
Объекты вокруг нас содержат миллиарды и миллиарды атомов, и каждый атом содержит множество протонов и электронов. Протоны расположены в центре атома, сосредоточены в небольшой области, называемой ядром.Электроны движутся за пределами ядра по орбиталям . Протоны в основном заключены внутри ядра и не могут покинуть ядро. В результате именно движущиеся электроны в первую очередь ответственны за электричество. Не так много мест, где можно увидеть электричество. Наиболее часто наблюдаемая форма электричества, вероятно, молния . Молния — это большая искра, которая возникает, когда большое количество электронов очень быстро перемещается с одного места на другое.Есть три основных формы молнии: облако к облаку, облако к поверхности и поверхность к облаку. Все они создаются при неравном распределении электронов. Вы также можете увидеть меньшие искры электричества в научных лабораториях, которые содержат генераторов Ван де Граффа , и можете увидеть даже меньшие дуги электронов дома, когда вы потрете ногой, а затем коснетесь чего-то вроде металлической дверной ручки (статическое электричество).
Электричество и магнетизм (видео NASAConnect)
Энциклопедия.com (Электричество):
http://www.encyclopedia.com/topic/electricity.aspx
Encyclopedia.com (Магнетизм):
http://www.encyclopedia.com/topic/magnetism. aspx
Википедия (Электричество):
http://en.
wikipedia.org/wiki/ Электричество Википедия (Магнетизм):
http://en.wikipedia.org/wiki/Магнетизм
Британская энциклопедия (Электричество):
http: // www.britannica.com/EBchecked/topic/182915/electricity
Physics4Kids Разделы
Сеть сайтов по науке и математике Рейдера
Электричество и магнетизм — IB Physics
См. Руководство по этой теме.
5.1 — Электрические поляЭлектрический заряд может быть положительным или отрицательным.-19С.
Электрический заряд всегда сохраняется. Хотя заряды могут переходить от одного тела к другому, общий заряд остается прежним.
FYI Проводники — это материалы, пропускающие электрический заряд.
Это связано с наличием свободных электронов в твердых проводниках.
- Примеры проводников включают все металлы, графит, людей.
Изоляторы — это материалы, не пропускающие электрический заряд.
- Примеры изоляторов: деревянные, стеклянные и пластиковые ведра.
Электрические поля могут быть графически представлены в виде линий электрического поля.
- Направление поля в точке равно направлению силовой линии, проходящей через эту точку (стрелки от положительного полюса к отрицательному).
- Величина поля в точке соответствует плотности силовых линий вокруг этой точки. Для однородного электрического поля силовые линии прямые, параллельные и равномерно разнесенные.
Неоднородное электрическое поле
Однородное электрическое поле
Линии электрического поля изгибаются наружу около края пластин. Это известно как «краевой эффект».
Напряженность электрического поля (E) — это сила на единицу заряда, испытываемая при положительном испытательном изменении, помещенном в поле.
Закон Кулона гласит:
где F — сила, q1 и q2 — заряд двух объектов (обычно одинаковый при рассмотрении двух электронов), а r — радиус / расстояние между двумя зарядами.2, мы можем сделать вывод, что для неоднородных электрических полей напряженность электрического поля может быть рассчитана по
, отменив q (заряд) с обеих сторон.
Для однородных электрических полей напряженность электрического поля можно рассчитать по
См. Предыдущий раздел (Электрическое поле).
Наличие разности электрических потенциалов (см. Последний раздел 5.1) на объекте заставляет заряды течь через объект.
Электрический ток (I) относится к скорости потока электрического заряда и может быть задан уравнением
Направление (обычного) электрического тока противоположно направлению потока электронов.
Постоянный ток (dc) — это однородный ток, текущий в одном фиксированном направлении в цепи.
Постоянный ток обычно подается от кислотных батарей или сухих элементов.
Разность электрических потенциалов (pd) между двумя точками равна произведенной работе (энергии), необходимой на единицу заряда для перемещения из одной точки в другую. Он также известен как напряжение (В).
Напряжение аналогично разнице между входом и выходом, где поток воды в потоке — это поток электронов внутри цепи.
5.2 — Нагревательное действие электрических токовЭлектрическая цепь — это соединение электрических компонентов в замкнутом контуре.
Резисторы
Резистор — это электрический компонент, который обеспечивает определенное сопротивление в электрической цепи.
Резистор с регулируемым сопротивлением называется переменным резистором.
Резисторы можно подключать последовательно или параллельно.
FYIВольтметры
Вольтметр используется для измерения разности потенциалов между двумя точками.
Вольтметр должен быть подключен параллельно измеряемым компонентам.
Идеальный вольтметр имеет бесконечное сопротивление.
Амперметр
Амперметр используется для измерения тока, проходящего через точку.
Амперметр должен быть подключен последовательно в точке измерения.
Идеальный амперметр имеет нулевое сопротивление.
Окружные законы Кирхгофа
Правило соединения Кирхгофа — это утверждение о сохранении потока заряда во времени. Сумма всех токов, текущих в переход, должна равняться сумме всех текущих токов.
Правило петли Кирхгофа — это утверждение о сохранении электрической потенциальной энергии на заряд. Для полного цикла электрической цепи все повышения электрического потенциала, сложенные вместе, должны равняться всем падениям электрического потенциала, сложенным вместе.
Сопротивление выражается как R = V / I
Сопротивление (R) объекта можно рассматривать как меру противодействия электрическому току, протекающему через объект.
Дается соотношением между разностью электрических потенциалов (V) и индуцированным током (I).
ЗаконОма гласит, что ток, протекающий по проводнику, пропорционален разности электрических потенциалов на проводнике.
- Если мы построим график зависимости тока от разности потенциалов, наклон полученного графика будет постоянным.
Закон Ома не всегда соблюдается. Проводник, подчиняющийся закону Ома, имеет постоянное сопротивление и называется омическим проводником.
Неомический проводник изображает график, который не имеет постоянного градиента (нелинейный).
Сопротивление объекта пропорционально его длине (L) и обратно пропорционально его площади поперечного сечения (A).
На сопротивление влияет постоянная удельного сопротивления объекта (определяется материалом, из которого он сделан).
Мощность (P), рассеиваемая на резисторе, может быть равна
. FYI Это означает, что электрическая энергия «теряется» в виде тепловой энергии или других форм энергии, которые со временем не считаются полезными.
Ячейка в цепи действует как источник электрической энергии и создает разность электрических потенциалов на своих выводах.
Батарея состоит из двух соединенных ячеек.
Внутреннее сопротивление — это сопротивление источника, определяемое материалом, из которого он сделан.
Внутреннее сопротивление можно использовать для расчета ЭДС. (см. последний раздел 5.3)
Вторичный элемент или аккумулятор можно перезарядить после использования, пропуская ток через цепь в направлении, противоположном току во время разряда.
Разность потенциалов клемм
Разность потенциалов на выводах источника меньше ЭДС источника из-за внутреннего сопротивления.(см. последний раздел 5.3)
Электродвижущая сила (ЭДС)
Электродвижущая сила (ЭДС) источника определяется как энергия на единицу заряда, поставляемая источником.
Единица измерения ЭДС — вольт (В).
5.4 — Магнитные эффекты электрических токовМагнитные поля возникают из-за наличия магнитов или движущихся зарядов.
Подобно тому, как электрический заряд испытывает силу в электрическом поле, магнит или электрический ток испытывают силу в магнитном поле.
Единица измерения магнитного поля — Тесла (Тл).
Диаграммы магнитного поля
Магнитные поля могут быть графически представлены с помощью силовых линий магнитного поля.
- Направление поля в точке равно направлению силовой линии, проходящей через эту точку.
- Величина поля в точке соответствует плотности силовых линий вокруг этой точки.
Магниты
Провод с током
Соленоид с током
FYI При просмотре магнитного поля в 3D, точки представляют собой магнитные поля, исходящие из страницы (как кончик стрелки), а крестики представляют магнитные поля, проникающие в страницу (как острие стрелки).
Величину силы, действующей на провод с током из-за магнитного поля, можно определить как
.Уравнение можно умножить на sinθ, где θ — угол между направлением поля и током. Это можно игнорировать, если θ = 90 градусов, потому что sin90 градусов равно 1.
Магнитная сила на движущемся заряде
Величину силы, действующей на движущийся заряд из-за магнитного поля, можно определить как
.где F — сила, действующая на провод, B — магнитное поле, q — количество заряда, v — скорость заряда, а θ — угол между направлением поля и скоростью.
Помните, что направление (обычного) тока на противоположно направлению потока электронов на .
Поскольку магнитная сила всегда перпендикулярна скорости заряда, она действует как центростремительная сила (см. Раздел 6), и заряд движется по круговой траектории. Магнитное поле не работает с зарядом.
Как это:
Нравится Загрузка .
..
Электричество — Физика LibreTexts
Описываемый человек — Исаак Ньютон, но не торжествующий Ньютон из стандартной хиографии из учебников.Зачем останавливаться на грустной стороне своей жизни? Для современного преподавателя естественных наук пожизненная одержимость Ньютона алхимией может показаться смущением, отвлечением от его главного достижения — создания современной науки механики. Однако для Ньютона его алхимические исследования были естественным образом связаны с его исследованиями силы и движения. Что было радикальным в анализе движения Ньютоном, так это его универсальность: ему удалось описать небо и землю с помощью одних и тех же уравнений, тогда как ранее предполагалось, что солнце, луна, звезды и планеты фундаментально отличаются от земных объектов.Но Ньютон понял, что, если наука должна описывать всю природу единым образом, недостаточно объединить человеческий масштаб с масштабом Вселенной: он не будет удовлетворен, пока не впишет в картину и микроскопическую Вселенную.
Нас не должно удивлять, что Ньютон потерпел неудачу. Хотя он твердо верил в существование атомов, экспериментальных доказательств их существования не было больше, чем было, когда древние греки впервые постулировали их на чисто философских основаниях.Алхимия действовала в соответствии с традициями тайны и мистицизма. Ньютон уже почти единолично преобразовал нечеткую область «натурфилософии» в нечто, что мы признали бы современной наукой физикой, и было бы несправедливо критиковать его за то, что он не смог превратить алхимию в современную химию. Время еще не пришло. Микроскоп был новым изобретением и передовым научным достижением, когда современник Ньютона Гук открыл, что живые существа состоят из клеток.
В поисках атомной силы
Ньютон не был первым представителем эпохи разума. Он был последним из волшебников. — Джон Мейнард Кейнс
Тем не менее было бы поучительно вспомнить ход мыслей Ньютона и посмотреть, к чему он приведет нас, используя современную ретроспективу.
Объединив человеческий и космический масштабы существования, он переосмыслил обе сцены, на которых действующими лицами были объекты (деревья и дома, планеты и звезды), которые взаимодействовали посредством притяжения и отталкивания.Он уже был убежден, что объекты, населяющие микромир, были атомами, поэтому оставалось только определить, какие силы они оказывают друг на друга.
Его следующее озарение было не менее блестящим из-за его неспособности воплотить его в жизнь. Он понял, что многие силы человеческого масштаба — трение, силы сцепления, нормальные силы, которые не позволяют объектам занимать одно и то же пространство, и так далее — все это должно быть просто выражением более фундаментальной силы, действующей между атомами. Лента прилипает к бумаге, потому что атомы ленты притягивают атомы бумаги.Мой дом не падает в центр Земли, потому что его атомы отталкивают атомы грязи под ним.
Вот и застрял. Было заманчиво думать, что атомная сила была формой гравитации, которая, как он знал, является универсальной, фундаментальной и математически простой.
Однако гравитация всегда притягательна, поэтому как он мог использовать ее, чтобы объяснить существование как притягивающих, так и отталкивающих атомных сил? Гравитационная сила между объектами обычного размера также чрезвычайно мала, поэтому мы никогда не замечаем машины и дома, притягивающие нас гравитационно.Было бы трудно понять, как гравитация может быть причиной чего-то столь же сильного, как биение сердца или взрыв пороха. Далее Ньютон написал миллион слов алхимических заметок, наполненных предположениями о какой-то другой силе, возможно, о «божественной силе» или «вегетативной силе», которая, например, будет передаваться спермой в яйцеклетку.
Рисунок a : Подготовлены четыре куска ленты, 1, как описано в тексте. В зависимости от того, какая комбинация проверяется, взаимодействие может быть либо отталкивающим, 2, либо притягивающим, 3.
К счастью, теперь мы знаем достаточно, чтобы исследовать другого подозреваемого в качестве кандидата на применение атомной силы: электричество.
Электрические силы часто наблюдаются между предметами, которые были приготовлены путем трения (или других взаимодействий с поверхностями), например, когда одежда трутся друг о друга в сушилке. Полезный пример показан на рис. 5.1 / 1: наклеить два куска ленты на столешницу, а затем накинуть на них еще два. Поднимите каждую пару со стола, а затем разделите их. Две верхние части будут отталкиваться друг от друга, 5.1/2, как и две нижние части. Нижняя часть привлечет верхнюю часть, однако, 5.1 / 3. Подобные электрические силы в определенном смысле похожи на гравитацию, другую силу, которая, как мы уже знаем, является фундаментальной:
- Электрические силы — это универсальные . Хотя некоторые вещества, такие как мех, резина и пластик, сильнее реагируют на электрическую подготовку, чем другие, все вещества в той или иной степени участвуют в электрических силах. Не существует такого понятия, как «неэлектрическое» вещество.Материя по своей природе и гравитационная, и электрическая.
- Эксперименты показывают, что электрическая сила, как и сила гравитации, равна силе, обратной квадрату . То есть электрическая сила между двумя сферами пропорциональна 1/ r 2 , где r — межцентровое расстояние между ними.
Кроме того, электрические силы имеют больше смысла, чем гравитация, как кандидаты в фундаментальные силы между атомами, потому что мы наблюдали, что они могут быть как притягивающими, так и отталкивающими.
Домашние задания
1 . Атом водорода состоит из электрона и протона. Для наших настоящих целей мы будем думать, что электрон вращается по кругу вокруг протона.
Субатомные частицы, называемые мюонами, ведут себя точно так же, как электроны, за исключением того, что масса мюона больше в 206,77 раз. Мюоны постоянно бомбардируют Землю как часть потока космических частиц, известного как космические лучи. Когда мюон ударяется об атом, он может сместить один из его электронов.
Если атом оказывается атомом водорода, то мюон занимает орбиту, которая в среднем в 206,77 раз ближе к протону, чем орбита выброшенного электрона. Во сколько раз электрическая сила, испытываемая мюоном, превышает силу, которую ранее испытывал электрон?
2 . На рисунке ниже показана схема из пяти лампочек, подключенных к батарее. Предположим, вы собираетесь подключить один щуп вольтметра к цепи в точке, отмеченной точкой.Сколько уникальных отличных от нуля разностей напряжений вы можете измерить, подключив другой пробник к другим проводам в цепи? Визуализируйте схему, используя ту же метафору водопада.
Рисунок M : Лампочки подключены к источнику напряжения.
3 . Все лампочки на рисунке идентичны. Если бы вы вставляли амперметр в разные места цепи, сколько уникальных токов вы могли бы измерить? Если вы знаете, что текущее измерение даст одно и то же число более чем в одном месте, считайте это только одним уникальным током.