Что является силовой характеристикой электрического поля

Что является силовой характеристикой электрического поля

Электрическим полем называют вид материи, посредством которой происходит взаимодействие электрических зарядов. Поле неподвижных зарядов называется электростатическим.

Свойства электрического поля:

• порождается электрическим зарядом;

• обнаруживается по действию на заряд;

• действует на заряды с некоторой силой.

Точечный заряд – модель заряженного тела, размерами которого можно пренебречь в условиях

данной конкретной задачи ввиду малости размеров тела по сравнению с расстоянием от него до

точки определения поля.

Пробный заряд – точечный заряд, который вносится в данное электростатическое поле для измерения его характеристик. Этот заряд должен быть достаточно мал, чтобы своим воздействием не нарушить положение зарядов – источников измеряемого поля и тем

самым не изменить создаваемое ими поле.

Электрический диполь – система двух разноименных по знаку и одинаковых по величине точечных зарядов, находящихся на небольшом расстоянии один от другого. Вектор l, проведенный от отрицательного заряда к положительному, называется плечом диполя. Вектор

p = q*l называется электрическим моментом диполя.

Характеристики электрического поля:

1. силовая характеристика – напряженность (Е) – это векторная физическая величина, численно равная отношению силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда: Е = F/q; [E] = [ 1 Н/Кл ] = [1 В/м ]

Графически электрическое поле изображают с помощью силовых линий –это линии, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора напряженности.

Силовые линии электрического поля незамкнуты, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных:

2. энергетическая характеристика – потенциал j — это скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии заряда, необходимой для его перемещения из одной точки поля в другую, к величине этого заряда: j = DЕр/q. [j] = [1 Дж/Кл ] =[1 В ].

U = j1 — j2 — разность потенциалов (напряжение)

Физический смысл напряжения: U = j1 — j2 = А/q — — напряжение численно равно отношению работы по перемещению заряда из начальной точки поля в конечную к величине этого заряда.

U = 220 В в сети означает, что при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки поля в другую, поле совершает работу в 220 Дж.

3. Индукция электрического поля. Напряженность электрического поля является силовой характеристикой поля и определяется не только зарядами, создающими поле, но зависит и от свойств среды, в которой находятся эти заряды.

Часто бывает удобно исследовать электрическое поле, рассматривая только заряды и их расположение в пространстве, не принимая во внимание свойств окружающей среды. Для этой цели используется векторная величина, которая называется электрической индукцией или электрическим смещением. Вектор электрической индукции D в однородной изотропной среде связан с вектором напряженности Е соотношением

.

Единицей измерения индукции электрического поля служит 1 Кл/ м 2 . Направление вектора электрического смещения совпадает с вектором Е. Графическое изображение электрического поля можно построить с помощью линий электрической индукции по тем же правилам, что и для линий напряженности

Графическое изображение электрических полей.

Электрические поля можно изображать графически: при помощи силовых линий или эквипотенциальных поверхностей (которые взаимно перпендикулярны между собой в каждой точке поля.

Силовыми линиями (линиями напряженности) называются линии, касательные в каждой точке к которым совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке.

Эквипотенциальные поверхности – это поверхности равного потенциала.

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов, подобных тем, которые (см. § 22) использовались Г. Кавендишем для определения гравитационной постоянной (ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем, однако его работа оставалась неизвестной более 100 лет). Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные раз­меры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряжен­ных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда, как и материаль­ной точки, является физической абстракцией.

Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам Q1 и Q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

где k коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т. е. является центральной, и соответствует притяжению (F 0) в случае одноименных зарядов. Эта сила называется кулоновской силой. В векторной форме закон Кулона имеет вид

(78.1)

В СИ коэффициент пропорциональности равен

Тогда закон Кулона запишется в окончательном виде:

Электрическим полем называется вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов.

Свойства электрического поля:

1) оно материально (обладает энергией);

2) порождается электрическим зарядом;

3) обнаруживается по действию на заряд.

Исследуется электростатическое поле с помощью пробного положительного заряда. Под пробным зарядом понимается заряд, собственное поле которого не изменяет исследуемое поле.

Напряжённость электростатического поля в данной точке поля – это векторная физическая величина, равная отношению силы, действующей со стороны поля на внесённый в данную точку пробный заряд, к величине этого заряда.

Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.

Зная напряжённость в какой-либо точке пространства, можно определить силу, которая будет действовать на заряд, помещённый в данную точку. Поэтому напряжённость называется силовой характеристикой электрического поля.

Единица измерения напряжённости [Ē]=1Н/Кл=1 В/м.

Графически электрические поля изображаются с помощью силовых линий или линий напряжённости, которые проводятся в соответствии со следующими правилами:

1) касательная к линии напряжённости в каждой точке совпадает с направлением вектора напряжённости;

2) линии напряжённости всегда незамкнуты: они начинаются на поверхности положительно заряженных тел (или в бесконечности) и заканчиваются на поверхности отрицательно заряженных тел (или уходят в бесконечность);

Читайте также:  Жаропрочная стеновая панель для кухни

3) линии напряжённости не пересекаются;

4) по густоте силовых линий судят о величине напряжённости.

Примеры изображения электростатических полей различных заряженных тел.

Если поле создано точечным зарядом Q, то его напряжённость

Если электрическое поле создано несколькими источниками, то напряжённость такого поля рассчитывается на основании принципа суперпозиции.

Принцип суперпозиции.

Напряжённость поля, созданного системой точечных зарядов q1, q2, …qn в некоторой точке пространства, равна векторной сумме напряжённостей полей, создаваемых каждым из этих зарядов в отдельности.

БИЛЕТ 6

Закон Ома для участка цепи без ЭДС. Сопротивление проводника. Падение напряжения. Потеря напряжения.

Закон Ома был установлен экспериментально.

Для участка, который не содержит источника тока, и, следовательно, сторонние силы отсутствуют, и перемещение носителей происходит только под действием кулоновских сил, закон формулируется следующим образом.

Сила тока на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Сила тока– скалярная физическая величина, равная отношению заряда Dq, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Dt, к этому промежутку.

Единица измерения силы тока – 1 А. Это сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным прямолинейным параллельным проводникам очень малого сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2 10 -7 Н на каждый метр проводников.

Напряжениемна участке цепи называется скалярная физическая величина, численно равная полной работе А, которая совершается кулоновскими и сторонними силами по перемещению вдоль участка цепи единичного положительного заряда.

Единица измерения напряжения – 1 В.

Электрическое сопротивление –физическая величина, характеризующая свойство проводника уменьшать скорость упорядоченного движения свободных носителей заряда в проводнике.

Сопротивление металла связано с рассеянием электронов проводимости на ионах кристаллической решётки и структурных неоднородностях (дефектах и примесях решётки).

Единица измерения сопротивления – 1 Ом.Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при напряжении 1 В сила тока в нём 1 А.

Сопротивление зависит от рода вещества проводника, его геометрических размеров и формы.

Где r — удельное сопротивление проводника, l – длина проводника, S – сечение проводника.

Удельное сопротивление проводника зависит от вещества и температуры

где r – удельное сопротивление проводника при 0 0 С, r — удельное сопротивление проводника при t 0 C, a -температурный коэффициент сопротивления, для чистых металлов он равен 1/273.

Сопротивление проводника определяет вид зависимости тока от напряжения.

Зависимость силы тока от напряжения называется вольт-амперной характеристикой. Для металлов это линейная зависимость.

Падением напряжения на резисторе называется напряжение, которое должно быть приложено к проводнику сопротивлением R, чтобы по нему протекал ток I. Оно равно

U=IR

Для однородного участка цепи падение напряжения равно напряжению.

Потерями напряжения называется падение напряжения на подводящих проводах.

Работа и мощность электрического тока. Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.

Электрическое поле, перемещающее заряды по проводнику, совершает работу. Эту работу называют работой тока. При напряжении U между точками цепи работа электрического поля определяется выражением

A=qU

где q – переносимый заряд.

При постоянном токе q=It, где I – сила тока в проводнике, t — время прохождения тока. Тогда А=IUt

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока на напряжение на этом участке и на время прохождения тока.

Единица измерения работы тока – 1 Дж=1 В 1А 1 с

Если ток протекает по однородному участку цепи сопротивлением R, то на основании закона Ома для однородного участка цепи, можно получить следующие формулы для расчёта работы тока

Мощность электрического тока равна работе, которая совершается током за единицу времени

Единица измерения мощности – 1 Вт=1 Дж/1 с.

Внесистемная единица измерения работы тока – 1 киловатт-час. 1кВт ч=1000 Дж´3600 с=3,6 10 6 Дж.

Под действием электрического поля электроны приобретают дополнительную кинетическую энергию. При соударении электрона с ионом решётки эта энергия полностью передаётся решётке и идёт на увеличение внутренней энергии проводника, т.е. проводник нагревается.

Количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Джоуля-Ленца.

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока.

Если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химического действия, то вся работа тока затрачивается на нагревание проводника Q=А.

Если участок цепи однородный, то на основании закона Ома для однородного участка цепи можно записать

Если два проводника сопротивлениями R1 и R2 соединены последовательно, то

Количество теплоты, выделяемое током на последовательно соединённых проводниках, пропорционально сопротивлениям этих проводников.

Если два проводника сопротивлениями R1 и R2 соединены параллельно, то

Количество теплоты, выделяемое током на параллельно соединённых проводниках, обратно пропорционально сопротивлениям этих проводников.

На законе Джоуля-Ленца основано действие многих электронагревательных приборов.

Внешний и внутренний участки цепи. Закон Ома для замкнутой цепи с одной ЭДС.

Для существования постоянного тока в цепи необходимо поддерживать неизменную разность потенциалов на её концах. Эту функцию выполняет устройство, которое называется источником тока. Внутри источника тока за счёт сил неэлектростатической природы, так называемых сторонних сил, происходит перенос положительного заряда от меньшего потенциала к большему, т.е. происходит разделение зарядов, в результате которого на одном из полюсов источника накапливается положительный заряд, а на другом – отрицательный, т.е. поддерживается разность потенциалов между полюсами источника тока.

Характеристикой действия сторонних сил является электродвижущая сила – ЭДС.

ЭДС численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи.

Читайте также:  Болезни диффенбахии и их лечение фото

Единица измерения ЭДС – 1 В.

Замкнутая цепь состоит из внутренней и внешней частей. Внутренняя часть цепи представляет собой источник тока, обладающий внутренним сопротивлением r; внешняя – различные потребители, соединительные провода, приборы и т.д. с общим сопротивлением R.

Работа сторонних сил по перемещению по замкнутой цепи заряда q равна

Если в цепи не совершается механическая работа и ток не производит химического действия, то вся работа затрачивается на нагревание проводника.

По закону Джоуля-Ленца

Q=I 2 Rt+I 2 rt=I 2 (R+r)t

Так как Аст= Q, то qe= Ite= I 2 (R+r)t и e= I(R+r). Отсюда получаем закон Ома для замкнутой цепи

Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Если сопротивление внешней цепи стремится к нулю, то в цепи возникает максимально возможный ток, который называется током короткого замыкания.

Закон Ома можно записать в следующем виде

Это значит, что ЭДС источника равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках замкнутой цепи.

Полная мощность источника

Мощность, выделяемая на внешнем участке цепи, называется полезной мощностью

Мощность, выделяемая на внутреннем сопротивлении в источнике тока, называется теряемой мощностью

Коэффициент полезного действия источника тока h равен отношению полезной мощности Рпол к полной мощности Р

БИЛЕТ 9

Взаимодействие токов. Магнитное поле. Графическое изображение магнитных полей проводников с токов различной формы. Правило буравчика.

Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, установленная под проводником с током, стремится установиться перпендикулярно проводнику. Точно также ведёт себя стрелка, т.е. устанавливается определённым образом, в магнитном поле. Следовательно, проводник с током является источником магнитного поля.

Если проводник с током поместить между полюсами подковообразного магнита, то он будет отклоняться. Следовательно, магнитное поле действует на проводник с током.

Таким образом: 1) проводник с током является источником магнитного поля; 2) магнитное поле действует на проводник с током.

Эти два вывода подтверждаются следующим опытом Ампера.

Два проводника, по которым пропускали ток в одном направлении, отклонялись, а именно, притягивались друг к другу. Два проводника, по которым пропускали ток в противоположных направлениях, отталкивались друг от друга. Следовательно, каждый из проводников находится в магнитном поле, созданном другим проводником. Именно посредством магнитного поля происходит взаимодействие проводников с током.

Проводник с током – это движущиеся по проводнику заряду. Значит можно сказать, что магнитное поле создаётся движущимися электрическими зарядами и действует на движущиеся магнитное заряды.

Обнаруживается магнитное поле по действию на постоянные магниты (магнитные стрелки), проводники с током, отдельные движущиеся электрические заряды и рамки с током.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции.

Магнитная индукция – это векторная величина, модуль которой равен отношению максимальной силы, действующей на проводник с током единичной длины, к силе тока

За направление вектора магнитной индукции в данной точке пространства принимается направление, указываемое северным полюсом магнитной стрелки.

Единица измерения магнитной индукции – 1 тесла.

Графически магнитное поле изображается с помощью линий магнитной индукции. Это линии, в каждой точке которых касательная совпадает по направлению с вектором магнитной индукции.

Свойства линий магнитной индукции:

1) линии не пересекаются;

2) густота линий там больше, где больше модуль магнитной индукции;

3) линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Примеры магнитных полей.

Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

Модуль индукции магнитного поля проводника с током I на расстоянии r

m =4p 10 -7 Н/А 2 – магнитная постоянная, m — магнитная проницаемость седы

Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной к проводнику, с центром на оси проводника. Направление линий определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик так, чтобы его рукоятка двигалась по направлению тока, то направление вращения буравчика даёт направление магнитных линий.

Магнитное поле кругового тока.

В центре кругового проводника с радиусом R, по которому протекает ток I, модуль индукции магнитного поля

Если буравчик вращать по направлению тока в проводнике, то направление движения рукоятки даёт направление вектора магнитной индукции в центре кругового проводника.

Магнитное поле в соленоиде.

Внутри соленоида длиной l и с количеством витков N, по которому протекает ток I, поле однородно, линии магнитной индукции параллельны друг другу, и модуль магнитной индукции равен

Если буравчик вращать по направлению тока в соленоиде, то направление движения рукоятки даёт направление вектора магнитной индукции внутри соленоида.

БИЛЕТ 11

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ.

Электрический заряд q — физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия.

Атомы состоят из ядер и электронов. В состав ядра входят положительно заряженные протоны и не имеющие заряда нейтроны. Электроны несут отрицательный заряд. Количество электронов в атоме равно числу протонов в ядре, поэтому в целом атом нейтрален.

Заряд любого тела: q = ±Ne , где е = 1,6*10 -19 Кл — элементарный или минимально возможный заряд (заряд электрона), N — число избыточных или недостающих электронов. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов остается постоянной:

Точечный электрический заряд — заряженное тело, размеры которого во много раз меньше расстояния до другого наэлектризованного тела, взаимодействующего с ним.

Читайте также:  Стоимость выноса мусора при ремонте квартиры

Два неподвижных точечных электрических заряда в вакууме взаимодействуют с силами, направленными по прямой, соединяющей эти заряды; модули этих сил прямо пропорциональны произведению зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

где — электрическая постоянная.

где 12 — сила, действующая со стороны второго заряда на первый, а 21 — со стороны первого на второй.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. НАПРЯЖЕННОСТЬ

Факт взаимодействия электрических зарядов на расстоянии можно объяснить наличием вокруг них электрического поля — материального объекта, непрерывного в пространстве и способного действовать на другие заряды.

Поле неподвижных электрических зарядов называют электростатическим.

Характеристикой поля является его напряженность.

Напряженность электрического поля в данной точке — это вектор, модуль которого равен отношению силы, действующей на точечный положительный заряд, к величине этого заряда, а направление совпадает с направлением силы.

Напряженность поля точечного заряда Q на расстоянии r от него равна

Принцип суперпозиции полей

Напряженность поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей каждого из зарядов системы:

Диэлектрическая проницаемость среды равна отношению напряженностей поля в вакууме и в веществе:

Она показывает во сколько раз вещество ослабляет поле. Закон Кулона для двух точечных зарядов q и Q , расположенных на расстоянии r в среде c диэлектрической проницаемостью :

Напряженность поля на расстоянии r от заряда Q равна

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО ТЕЛА В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРО-СТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Между двумя большими пластинами, заряженными противоположными знаками и расположенными параллельно, поместим точечный заряд q .

Так как электрическое поле между пластинами с напряженностью однородное, то на заряд во всех точках действует сила F = qE , которая при перемещении заряда на расстояние вдоль совершает работу

Эта работа не зависит от формы траектории, то есть при перемещении заряда q вдоль произвольной линии L работа будет такой же.

Работа электростатического поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории, а определяется исключительно начальным и конечным состояниями системы. Она, как и в случае с полем сил тяжести, равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:

Из сравнения с предыдущей формулой видно, что потенциальная энергия заряда в однородном электростатическом поле равна:

Потенциальная энергия зависит от выбора нулевого уровня и поэтому сама по себе не имеет глубокого смысла.

ПОТЕНЦИАЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ И НАПРЯЖЕНИЕ

Потенциальным называется поле, работа которого при переходе из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории. Потенциальными являются поле силы тяжести и электростатическое поле.

Работа, совершаемая потенциальным полем, равна изменению потенциальной энергии системы, взятой с противоположным знаком:

Потенциал — отношение потенциальной энергии заряда в поле к величине этого заряда:

Потенциал однородного поля равен

где d — расстояние, отсчитываемое от некоторого нулевого уровня.

Потенциальная энергия взаимодействия заряда q с полем равна .

Поэтому работа поля по перемещению заряда из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2 составляет:

Величина называется разностью потенциалов или напряжением.

Напряжение или разность потенциалов между двумя точками — это отношение работы электрического поля по перемещению заряда из начальной точки в конечную к величине этого заряда:

НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ И РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ

При перемещении заряда q вдоль силовой линии электрического поля напряженностью на расстояние Δ d поле совершает работу

Так как по определению, то получаем:

Отсюда и напряженность электрического поля равна

Итак, напряженность электрического поля равна изменению потенциала при перемещении вдоль силовой линии на единицу длины.

Если положительный заряд перемещается в направлении силовой линии, то направление действия силы совпадает с направлением перемещения, и работа поля положительна:

Тогда , то есть напряженность направлена в сторону убывания потенциала.

Напряженность измеряют в вольтах на метр:

Напряженность поля равна 1 В/м, если напряжение между двумя точками силовой линии, расположенными на расстоянии 1 м, равна 1 В.

Если независимым образом измерять заряд Q , сообщаемый телу, и его потенциал φ, то можно обнаружить, что они прямо пропорциональны друг другу:

Величина С характеризует способность проводника накапливать электрический заряд и называется электрической емкостью. Электроемкость проводника зависит от его размеров, формы, а также электрических свойств среды.

Электроёмкостъ двух проводников — отношение заряда одного из них к разности потенциалов между ними:

Емкость тела равно 1 Ф , если при сообщении ему заряда 1 Кл оно приобретает потенциал 1 В.

Конденсатор — два проводника, разделенные диэлектриком, служащие для накопления электрического заряда. Под зарядом конденсатора понимают модуль заряда одной из его пластин или обкладок.

Способность конденсатора накапливать заряд характеризуется электроемкостью, которая равна отношению заряда конденсатора к напряжению:

Емкость конденсатора равна 1 Ф, если при напряжении 1 В его заряд равен 1 Кл.

Емкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин S , диэлектрической проницаемости среды , и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами d:

ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА.

Точные эксперименты показывают, что W=CU 2 /2

Так как q = CU , то

Плотность энергии электрического поля

где V = Sd — объем, занимаемый полем внутри конденсатора. Учитывая, что емкость плоского конденсатора

а напряжение на его обкладках U=Ed

Пример. Электрон, двигаясь в электрическом поле из точки 1 через точку 2, увеличил свою скорость от 1000 до 3000 км/с. Определите разность потенциалов между точками 1 и 2.

Так как электрон увеличил свою скорость, то ускорение и сила Кулона сонаправлены со скоростью. Значит, электрон движется против силовых линий поля. Изменение кинетической энергии электрона равно работе поля :

Ответ: разность потенциалов равна — 22,7 В.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector