Явление электризации, электрическое поле

Электростатическое поле

 

Строение атома

В центре атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг ядра быстро
движутся отрицательно заряженные частицы — электроны. Их масса значительно
меньше массы ядра. Так как заряд ядра равен суммарному заряду электронов, атом
электрически нейтрален (ядерная(планетарная)модель Резерфорда).

Ядро атома состоит из положительно заряженных частиц - протонов и нейтральных
частиц - нейтронов. Протоны и нейтроны называются нуклонами.

 

Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается  буквой
А.  Оно ставится вверху перед буквенным обозначением химического элемента.
Например: для азота  массовое число А=14; для железа массовое число А=56.

Число протонов в ядре называется зарядовым числом и обозначается буквой Z.Oho

ставится внизу перед буквенным обозначением элемента.

Например: для азота  зарядовое число Z=7; для железа зарядовое число Z=26.

Для каждого химического элемента зарядовое число равно атомному (порядковому)
номеру в таблице Д.И.Менделеева.  

 

Если атомные ядра одного химического элемента обладают одинаковым зарядом, но
разными массами, значит, они содержат одинаковое число протонов и разное число
нейтронов. Разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе
атомных ядер, называются изотопами.

Например: существует три изотопа водорода - протий , дейтерий Н, тритий Н.

Атом, потерявший один или несколько электронов, имеет положительный заряд и
называется положительным ионом.

Атом, присоединивший лишний электрон, приобретает отрицательный заряд и
называется отрицательным ионом.

 

Характеристики электрического поля, проводники и диэлектрики

Электрическая ёмкость, конденсаторы

 

Электрическая ёмкость

В электротехнике применяют устройства, предназначенные для создания

электрического поля и хранения его энергии - конденсаторы. Электрическое поле

между обкладками конденсатора создаётся вследствие разделения зарядов в

процессе переориентации электрических  диполей диэлектрика вдоль

электромагнитного поля.

Устройства, обладающие свойством накапливать на своих обкладках электрические

заряды, равные по величине и противоположные по знаку, называются

Конденсаторами.

Электрическая ёмкость между двумя проводниками (пластинами конденсатора) -

величина, равная отношению электрического заряда одного проводника к разности

потенциалов между ними:

                                               

где: С - Электрическая ёмкость конденсатора (Ф)

        Q - электрический заряд одной из пластин (Кл)

        U - разность потенциалов между пластинами (В)

 

Ёмкость конденсатора определяется его геометрическими характеристиками и относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрика, помещенного между пластинами. Например:

емкость плоского конденсатора С =  , ёмкость цилиндрического конденсатора С =

где: S        - площадь одной пластины (м²)

  d    - расстояние между пластинами (м)

  l    - высота цилиндра (м)

   R1      - радиус внутренней обкладки (м)

R ₂    - радиус внешней обкладки (м)

- электрическая постоянная и относительная диэлектрическая проницаемость.
На практике используют следующие единицы ёмкости: пФ= 10 ¹² Ф, нФ= 10 ⁹ Ф, мкФ= 10 ⁶ Ф

Электрический ток

Электрический ток - это направленное движение электрических зарядов в веществе

или в вакууме под воздействием электрического поля.

Носителями зарядов, движение которых создаёт электрический ток, служат:

- в металлах - свободные электроны;

- в жидкостях и газах - ионы.

Сила тока определяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени:

 

                                                             

где: I      - сила тока (А)

       Q =  - количество электричества (Кл)

        е      - заряд одного электрона

        n        - количество электронов

        t      - время (с)

Плотность тока представляет собой отношение тока к площади поперечного
сечения проводника:

                             

где: J - плотность тока (А\мм²илиА\м²)
       I - сила тока (А)
      S - площадь поперечного сечения проводника ).

 

Постоянным называется электрический ток,  величина  и  направление которого  не

меняются в зависимости от времени.

Переменным называется ток,  который  периодически  изменяется  как по величине,

так и по знаку.

Непосредственно наблюдать электрический ток человек не может, о наличии тока  судят по   сопровождающим его     явлениям. Действия тока: тепловое (световое),   химическое,

электродинамическое, магнитное.

Человек ощущает ток начиная с 5 мА, при возрастании до 50 мА он становится опасным для

жизни. Для примера: ток ламп накаливания 0,1 - 1 А, электрической плитки 1,5 - 5 А, электродвигателей средней мощности 5-25 А,, в металлургических установках 50 кА.

 

 

Сопротивление, проводимость

Электрическое сопротивление - это способность элемента электрической цепи
противодействовать прохождению по нему электрического тока. Природу
сопротивления объясняют столкновением носителей заряда с узлами
кристаллической решётки материала, что вызывает его нагрев.

 

Сопротивление обозначается буквой R,r и измеряется в омах (Ом). 1 Ом равен сопротивлению
проводника с током в 1 А при напряжении на концах проводника 1 В.

 

Элемент электрической цепи, предназначенный для использования его
электрического сопротивления, называется резистором.

 

Резистор нерегулируемый. Резистор регулируемый. Резистор регулируемый (потенциометр).

 

Отношение напряжённости электрического поля к плотности тока в проводнике
является постоянной величиной для каждого материала и называется удельным
электрическим сопротивлением:

                                       

где:    - удельное сопротивление (Ом\м)

      Еп   - напряжённость поля (В\м)

      J- плотность тока (А\м²)

Общее сопротивление проводника или резистора определяется по формуле:

                                          

где: R - электрическое сопротивление (Ом)
     - удельное сопротивление (Ом\м)

      l - длина проводника (м)

      S - площадь сечения проводника (м²)

Количественную зависимость между током, напряжением и сопротивлением
выражает закон Ома для участка цепи:

                               I = U / R

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью и измеряется в сименсах (См):

                                                         g=1\R

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью:

                                                      

Согласны ли вы с утверждениями:

1. Электрический ток - это направленное движение электрических зарядов в веществе или в вакууме
  под воздействием электрического поля.

2. В жидкостях и газах носителями зарядов являются положительные и отрицательные ионы.

3. Плотность тока определяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение
проводника за единицу времени.

4. Постоянным называется электрический ток, величина и направление которого меняются в

  зависимости от времени.

5. Химическое действие тока можно наблюдать в электролитической ванне.

6. Электрический ток, начиная со значения 5мА, опасен для жизни человека.

7. Электрическое сопротивление объясняется столкновением носителей заряда с узлами
  кристаллической решётки материала проводника.

8. Удельное электрическое сопротивление проводника обратно пропорционально плотности тока в нём

9. Общее сопротивление проводника тем больше, чем больше его длина.

10. Ток на участке цепи тем больше, чем больше сопротивление этого участка.

 

 

Электрическая цепь

Совокупность устройств, образующих путь электрического тока, называется
электрической цепью.     Простейшая электрическая цепь состоит из следующих

основных элементов:

- источник электроэнергии, характеризуется наличием ЭДС Е;                                  - приёмник электроэнергии, характеризуется сопротивлением R;                                      - соединительные провода;                                                                                 - выключатель К для размыкания и замыкания цепи.
Все элементы электрической цепи можно подразделить на две категории:

- Элементы электрической цепи, в которых преобразование энергии
осуществляется при наличии электродвижущей силы,  называются
активными. Они характеризуются ЭДС Е (В) и внутренним сопротивлением г
(Ом).

- Элементы электрической цепи, в которых электроэнергия преобразуется в
тепло, называются пассивными. Они характеризуются сопротивлением R
 (Ом) и проводимостью G (См).

 

Схема электрической цепи - это графическое изображение электрической цепи,
содержащее условные обозначения её элементов и их соединений.

 

Для схем электрических цепей применяют следующие понятия:

1. Ветвь - это участок электрической цепи, по которому проходит один и тот же
ток и который состоит из последовательно соединённых элементов.

2. Узел - место соединения трёх и более ветвей.

3. Контур - любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

Например, для данной цепи с двумя источниками
электроэнергии:
Число узлов m=2
Число ветвей n=3
Число контуров к=3

 

Номинальный режим

Токи, напряжения и мощности, на которые элементы электрической цепи
рассчитаны заводами - изготовителями для нормальной работы, называются
номинальными величинами, их указывают в паспорте.

Режим работы, при котором действительные параметры элементов соответствуют их номинальным значениям, называется номинальным.

2) Рабочий режим

Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от
номинальных значений, но отклонения находятся в допустимых пределах, такой
режим называется рабочим.

 

 

В замкнутой электрической цепи ЭДС источника равна сумме напряжений на отдельных участках цепи:                                                   E = Ir +IR

 где:  Е - электродвижущая сила источника (В)

      I r =Ur - падение напряжения внутри источника (В)

       IR = Uh - напряжение на нагрузке (В)

       R        - сопротивление нагрузки (Ом)

       r         - внутреннее сопротивление источника (Ом)

Отсюда следует, что напряжение на зажимах источника энергии меньше его ЭДС из-за

внутреннего падения напряжения: Uh = Е -I r

Из уравнения напряжений выразим закон Ома для замкнутой цепи:

Режим холостого хода

Режим электрической цепи или её элементов, при котором ток в них равен нулю,
называется режимом холостого хода. Это соответствует размыканию цепи,
В режиме холостого хода R = , I = 0, напряжение на внешних зажимах источника
равно его ЭДС: U = Е.

 

Режим короткого замыкания

Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с несколькими

элементами   через  проводник с малым   сопротивлением, называется   коротким

Замыканием.

В режиме короткого замыкания R = 0, I = ,U = 0,

Согласны ли вы с утверждениями:

 

1. Совокупность устройств, образующих путь электрического тока, называется электрической цепью.

2. Простейшая электрическая цепь состоит из источника электроэнергии, приёмника электроэнергии,
  и соединительных проводов.

3. Схема электрической цепи - это графическое изображение электрической цепи, содержащее
  условные обозначения её элементов.

4. Участок электрической цепи, по которому проходит один и тот же ток и который состоит из
  последовательно соединённых элементов, называется контуром.

5. Узел - место соединения двух и более ветвей.

6. Режим работы, при котором U, I, P соответствуют паспортным значениям, называется рабочим.

7. Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от номинальных
 значений, но отклонения находятся в допустимых пределах, такой режим называется номинальным.

8. В замкнутой электрической цепи ЭДС источника равна сумме напряжений на отдельных
  участках цепи.

9. Напряжение на зажимах источника энергии больше его ЭДС из-за внутреннего падения
   напряжения.

10. В режиме короткого замыкания R = 0,I = , U = 0.

 

 

Источники электроэнергии

Источник электроэнергии - это преобразователь какого-либо вида
неэлектрической энергии в электрическую.

Источники постоянного тока: генераторы постоянного тока, гальванические
элементы, аккумуляторы.

Источники   переменного   тока:    турбогенераторы,    гидрогенераторы,
дизельгенераторы.

 

Условные графические обозначения источников электроэнергии:

а - источник ЭДС, б - гальванический элемент или аккумулятор, в - батарея гальванических
элементов, г - термоэлемент, д - фотоэлемент, е - электромашинный генератор постоянного тока,
ж - электромашинный генератор переменного тока.

 

Характеристики источников электроэнергии:

 

1. Электродвижущая сила - величина, характеризующая способность источника
вызывать электрический ток, равна отношению работы по перемещению зарядов к
количеству электричества:

                                        Е = A / Q            

2. Мощность источника электроэнергии численно равна произведению ЭДС на
силу тока:

                                                        Р и = E I           

где: Р_и - мощность (Вт)

      Е - ЭДС источника (В)
      I - сила тока (А)

3. Энергия источника электроэнергии численно равна произведению ЭДС, силы
тока и времени:

                                                  W = EIt

где: W - энергия (Дж)
       t - время (с)

 

1 Джоуль равен работе, производимой силой в один ньютон при перемещении точки её
приложения на один метр.

1 Ватт - это мощность, при которой за 1 секунду совершается работа, равная 1 Джоулю (или
мощность, затрачиваемая в проводнике при напряжении 1 В и токе 1 А).

 

Приёмники электроэнергии

Приёмники преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии:
электродвигатели - в механическую, электронагреватели - в тепловую, лампы - в
световую, электролитические ванны - в химическую. Электрические кабели,
провода линий электропередачи, обмоточные провода также относятся к
приёмникам электроэнергии.

 

Характеристики приёмников электроэнергии:

 

1. Мощность приёмника - характеризует скорость преобразования электроэнергии в
другие виды энергии:

                                   

где: Р_п - мощность электроприёмника (Вт)

   U - напряжение (В)

    I - сила тока (А)

    R - сопртивление прёмника (Ом)

2. Энергия, потребляемая приёмником, численно равна произведению мощности на
время работы:

                           

где: W_n - энергия (Дж)

    I - сила тока (А)

    R - электрическое сопротивление (Ом)

    U - электрическое напряжение (В)

     t - время (с)

3. Количество теплоты, выделенное при прохождении тока в проводнике:
в Джоулях:

 

в Калориях:

 

Основная единица энергии - Джоуль мала, поэтому практической единицей служит киловатт-час.
1 кВт.ч - это работа, совершаемая в течении 1 часа при неизменной мощности в 1 кВт, т.е.
1кВт.ч=3600000Дж.

 

 

Согласны ли вы с утверждениями:

 

1.    Источник электроэнергии - это преобразователь какого-либо вида неэлектрической энергии в
  электрическую.

2. Гидрогенератор является источником постоянного тока.

3. Аккумулятор является источником переменного тока.

4. Отношение работы   по перемещению зарядов к количеству электричества называется
  электродвижущей силой источника.

5. Мощность приёмника электроэнергии численно равна произведению ЭДС на силу тока.

6. 1 Ватт - это мощность, затрачиваемая в проводнике при напряжении 1 В и токе 1 А.

7. Электрические кабели, провода линий электропередачи, обмоточные провода относятся к
приёмникам электроэнергии, так как преобразуют её в тепло.

8. Мощность приёмника характеризует скорость преобразования электроэнергии в другие
виды энергии.

9. Энергия, потребляемая приёмником, численно равна произведению силы тока,
сопротивления и времени.

10.1 кВт.ч - это работа, совершаемая в течении 1 часа при неизменной мощности в 1 кВт.

 

 

 

 

Законы Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа (закон для токов) относится к узлам электрической цепи.
Согласно этому закону, алгебраическая сумма токов в любом узле электрической
цепи равна нулю:

                                                           

Правило знаков:

Положительными считаются токи, направленные к узлу, отрицательными -
направленные от узла.

Иными словами, сумма токов, направленных к узлу электрической цепи, равна
сумме токов, направленных от узла.

Следует иметь в виду, что при составлении уравнений для узлов, число независимых уравнений
будет на единицу меньше числа узлов m, потому что ток каждой ветви входит дважды в уравнения
узлов, и в уравнение последнего узла будут входить лишь токи, уже вошедшие в уравнения
остальных узлов.

Например:

Электрическая цепь на данном рисунке содержит два узла а и b.
Следовательно, для неё можно составить только одно независимое
уравнение по первому закону Кирхгофа. Его можно записать
двумя способами:   I – I1 –I2 = 0 или I1 + I2= I.

 

Второй закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа (закон для напряжений) относится к контурам
электрической цепи.

Согласно этому закону, алгебраическая сумма напряжений в любом контуре
электрической цепи равна нулю:

                                                 

Иными словами, в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма ЭДС равна
алгебраической сумме падений напряжения на резисторах, входящих в этот
контур.                                 

                                                              

Правило знаков:

Положительными следует считать ЭДС и токи, направления которых совпадают с
произвольно выбранным направлением обхода рассматриваемого контура.
Контуры обхода выбираются так, чтобы в каждый последующий контур входило не менее одной
ветви, не включенной в ранее обойдённые контуры. Для расчёта n токов согласно второму закону
Кирхгофа нужно составить n - m + 1 уравнений.

Например:

Для данного рисунка число ветвей n=3, число узлов m=2,число уравнений
по второму закону Кирхгофа составит 3-2+1=2:
E 1 = I 1 R 1 +1 3 R 3; E ₂ = I ₂ R ₂ + I 3 R ₃

Третий контур содержит ветви, уже вошедшие в первые два контура,
поэтому уравнение Е 1_] -Е₂ = I1R1 - I ₂ R ₂ будет для расчёта не нужным.

Магнитная индукция

Магнитная индукция - это векторная величина, характеризующая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

                                                     
где: В – магнитная индукция (Тл)

     F – сила (н)

     Q – заряд частицы (Кл)

     v – скорость (м\с)

 Можно наглядно определить магнитную индукцию как плотность магнитных линий, то есть число магнитных линий, проходящих через единицу поверхности, перпендикулярной линиям поля.

 

Магнитная индукция прямого провода с током:

                         где: В - магнитная индукция (Тл)

      r            В               - магнитная постоянная (Гн\м)

                                          I – сила тока в проводнике (А)

                                          r – расстояние от провода до точки (м)

Магнитная индукция проволочного витка с током:

                       где: В - магнитная индукция (Тл)

      I               rB        - магнитная постоянная (Гн\м)                                                                                                                             I – сила тока в проводнике (А)

     B                               - радиус витка (м)
Магнитная индукция соленоида (катушки):

                N                            где: N – число витков         

              L – длина катушки

              I – сила тока в проводнике (А)      

            - магнитная постоянная (Гн\м)

Направление линий магнитной индукции определяется по правилу буравчика: направление вращения рукоятки совмещается с направлением тока в витках, остриё укажет направление линий магнитного поля.

Конец катушки, откуда линии поля выходят, принято считать северным,                                                                                                               

            S               куда заходят – южным.

Для определения направления линий магнитной индукции соленоида удобнее пользоваться не правилом буравчика, а правилом правой руки:

если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля.

 

Согласны ли вы с утверждениями:

1. Магнитное поле вокруг проводника с током можно обнаружить по его действию на железные опилки и магнитную стрелку компаса.

2. При изменении направления тока в проводнике все магнитные стрелки вокруг него поворачиваются на 90 градусов.

3. Направление линий магнитного поля связано с направлением тока в проводнике.

4. Магнитные линии - это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещённые в магнитное поле.    

1. Магнитные линии прямого проводника с током представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.
2. За направление магнитных линий в какой - либо точке принимают направление, которое указывает южный полюс магнитной стрелки, помещённой в эту точку.
3. В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии располагаются ближе друг к другу, чем в тех местах, где поле слабее.
4. Если остриё буравчика совместить с направлением тока в проводнике, то вращение рукояти при поступательном движении покажет направление линий магнитной индукции.
5. Магнитная индукция соленоида (катушки) прямо пропорциональна его длине и обратно пропорциональна числу витков.

10. Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля.

Магнитные свойства веществ

Магнитные свойства веществ

В зависимости от поведения веществ во внешних магнитных полях, они подразделяются на:

· парамагнитные вещества – под действием внешнего магнитного поля создают собственное магнитное поле, направленное согласно по отношению к внешнему и усиливающее его (алюминий, воздух). У парамагнитных тел относительная магнитная проницаемость немного больше единицы (), но при расчётах принимается равной единице.

· Диамагнитные вещества – в которых при внешнем намагничивании возникает собственное магнитное поле, направленное встречно по отношению к внешнему и ослабляющее его (медь, вода, кварц). У диамагнитных веществ относительная магнитная проницаемость немного меньше единицы (), но при расчётах принимается равной единице.

· Ферромагнитные вещества – способны намагничиваться во внешнем магнитном поле и значительно усиливать его, их магнитная проницаемость велика и непостоянна (Железо, кобальт, никель).Для ферромагнитных веществ относительная магнитная проницаемость намного больше единицы ().

Ферромагнитные материалы подразделяются на магнитомягкие и магнитотвёрдые. Магнитомягкие материалы легко намагничиваются и размагничиваются, применяются в магнитопроводах трансформаторов. Магнитотвёрдые материалы обладают значительным остаточным магнетизмом, применяются для изготовления постоянных магнитов.

Явление гистерезиса

Гистерезис– явление, связанное с остаточным намагничиванием.

Графическое выражение зависимости В от Н называется кривой намагничивания, её вид определяется магнитными свойствами материала. Её нижняя ветвь соответствует ненасыщенному состоянию, а перегиб – переходу в насыщенное состояние.

 Из-за гистерезиса при уменьшении намагничивающего тока и создаваемой им напряженности Н магнитная индукция убывает не по кривой первоначального намагничивания, исходящей из начала координат, а по кривой, лежащей несколько выше. Чтобы полностью размагнитить ферромагнетик, необходимо возбудить размагничивающее внешнее поле, напряженность которого должна достигнуть значения Нс, называемого коэрцитивной силой.

При дальнейшем усилении поля обратного направления в ферромагнетике возникнет индукция обратного направления. Таким путем может быть получена замкнутая кривая, называемая петлей гистерезиса. Её площадь пропорциональна затрате энергии на один цикл перемагничивания единицы объёма ферромагнитного материала.

Магнитомягкие материалы работают в условиях циклического перемагничивания и имеют узкую петлю гистерезиса (график 1).

Магнитотвёрдые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов и имеют большую коэрцитивную силу, остаточную индукцию, широкую петлю гистерезиса (график 2).

 

Согласны ли вы с утверждениями:

1. Один и тот же контур с током создаёт в пространстве, заполненным веществом и в вакууме магнитные поля одинаковой интенсивности.

2. Произведение магнитной индукции и напряжённости магнитного поля называется абсолютной магнитной проницаемостью.

3. Относительная магнитная проницаемость – безразмерный коэффициент, показывающий, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость вещества больше магнитной постоянной.

4. Диамагнитные вещества под действием внешнего магнитного поля создают собственное магнитное поле, направленное согласно по отношению к внешнему и усиливающее его.

5. У парамагнитных тел относительная магнитная проницаемость немного больше единицы (), но при расчётах принимается равной единице.

6. Магнитотвёрдые материалы легко намагничиваются и размагничиваются, применяются в магнитопроводах трансформаторов.

7. Графическое выражение зависимости В от Н называется кривой намагничивания, её вид определяется магнитными свойствами материала.

8. Коэрцитивная сила – это значение напряжённости размагничивающего внешнего поля, необходимое, чтобы полностью размагнитить ферромагнетик.

9.  Площадь петли гистерезиса пропорциональна затрате энергии на один цикл перемагничивания единицы объёма    ферромагнитного материала.

10. Магнитомягкие материалы работают в условиях циклического перемагничивания и имеют широкую петлю гистерезиса.

Электромагнитная индукция

Если внутрь цилиндрической катушки, концы которой соединены с гальванометром, ввести постоянный магнит, стрелка гальванометра отклоняется, т.е. в контуре возникла ЭДС и, следовательно, электрический ток.

Возбуждение ЭДС в контуре при изменении потокосцепления этого контура, называется электромагнитной индукцией.

 

ЭДС, индуктируемая в замкнутом контуре при изменении сцепленного с ним магнитного потока, равна скорости изменения потокосцепления, взятой с отрицательным знаком:

                                          

1) При изменении собственного потокосцепления в катушке наводится ЭДС самоиндукции ( изменение собственного потокосцепления происходит при изменении тока в этой же катушке):                                          

                                          

 2) При изменении потокосцепления взаимной индукции наводится ЭДС взаимоиндукции (изменение взаимного потокосцепления происходит при изменении тока в одной из магнитно-связанных катушек):

                                             ;

2. Взаимное преобразование механической и электрической энергий

Простейший генератор

Если проводник движется в магнитном поле, в соответствии с явлением электромагнитной индукции, в нем наводится ЭДС:  

                                                                                                                         

Ее направление