Perwakilan grafik medan elektrik. Perwakilan grafik medan elektrostatik

1. Cas elektrik. undang-undang Coulomb.

2. Medan elektrik. Ketegangan, potensi, beza keupayaan. Imej grafik medan elektrik.

3. Konduktor dan dielektrik, pemalar dielektrik relatif.

4. Arus, kekuatan semasa, ketumpatan arus. Kesan haba arus.

5. Medan magnet, aruhan magnet. Talian kuasa. Tindakan medan magnet pada konduktor dan caj. Kesan medan magnet pada litar pembawa arus. Kebolehtelapan magnet.

6. aruhan elektromagnet. Toki Fuko. Induksi kendiri.

7. Kapasitor dan induktor. Tenaga medan elektrik dan magnet.

8. Konsep dan formula asas.

9. Tugasan.

Ciri-ciri medan elektrik dan magnet yang dicipta oleh sistem biologi atau bertindak ke atasnya adalah sumber maklumat tentang keadaan organisma.

10.1. Caj elektrik. undang-undang Coulomb

Muatan jasad terdiri daripada cas elektron dan protonnya, yang casnya sendiri adalah sama besarnya dan bertentangan dalam tanda (e = 1.67x10 -19 C).

Badan yang bilangan elektron dan protonnya sama dipanggil tidak dikenakan bayaran.

Jika atas sebab tertentu kesamaan antara bilangan elektron dan proton dilanggar, jasad itu dipanggil dikenakan bayaran dan cas elektriknya diberikan oleh formula

undang-undang Coulomb

Interaksi pegun caj mata patuh hukum Coulomb dan dipanggil Coulomb atau elektrostatik.

Kuasa interaksi dua titik cas pegun adalah berkadar terus dengan hasil darab magnitudnya dan berkadar songsang dengan kuasa dua jarak antara keduanya:

10.2. Medan elektrik. Ketegangan, potensi, beza keupayaan. Perwakilan grafik medan elektrik

Medan elektrik ialah satu bentuk jirim yang melaluinya interaksi antara cas elektrik berlaku.

Medan elektrik dicipta oleh badan bercas. Ciri-ciri kuasa medan elektrik ialah kuantiti vektor yang dipanggil kekuatan medan.

Kekuatan medan elektrik(E) pada titik tertentu dalam ruang adalah sama dengan daya yang bertindak ke atas cas titik unit yang diletakkan pada titik ini:

Potensi, beza keupayaan

Apabila cas bergerak dari satu titik dalam medan ke tempat lain, daya medan melakukan kerja yang tidak bergantung pada bentuk laluan. Untuk mengira kerja ini, gunakan khas kuantiti fizikal, dipanggil potensi.

Perwakilan grafik medan elektrik

Untuk mewakili secara grafik medan elektrik, gunakan talian kuasa atau permukaan sama kuasa(biasanya satu perkara). talian kuasa- garis yang tangennya bertepatan dengan arah vektor tegangan pada titik yang sepadan.

Ketumpatan garis medan adalah berkadar dengan kekuatan medan. Permukaan equipotential- permukaan di mana semua titik mempunyai potensi yang sama.

Permukaan ini dijalankan supaya beza keupayaan antara permukaan bersebelahan adalah malar.

nasi. 10.1. Garisan medan dan permukaan ekuipotensi bagi sfera bercas

Garisan medan berserenjang dengan permukaan yang sama.

Rajah 10.1 menunjukkan garis medan dan permukaan sama kuasa untuk medan sfera bercas.

Rajah 10.2, a menunjukkan garisan medan dan permukaan sama kuasa bagi medan yang dicipta oleh dua plat, yang casnya adalah sama magnitud dan bertentangan dalam tanda. Rajah 10.2, b menunjukkan garis medan dan permukaan sama kuasa untuk medan elektrik Bumi berhampiran lelaki berdiri.

nasi. 10.2. Medan elektrik dua plat (a); medan elektrik Bumi berhampiran orang berdiri (b).

10.3. Konduktor dan dielektrik, pemalar dielektrik relatif

Bahan yang mempunyai caj percuma dipanggil konduktor.

Jenis utama konduktor ialah logam, larutan elektrolit dan plasma. Dalam logam, caj bebas ialah elektron kulit terluar yang dipisahkan daripada atom. Dalam elektrolit, cas bebas adalah ion bahan terlarut. Dalam plasma, caj bebas ialah elektron, yang dipisahkan daripada atom apabila suhu tinggi, dan ion positif.

Bahan yang tidak mengandungi caj percuma, dipanggil dielektrik.

Semua gas adalah dielektrik suhu rendah, resin, getah, plastik dan banyak lagi bukan logam. Molekul dielektrik adalah neutral, tetapi pusat cas positif dan negatif tidak bertepatan. Molekul sedemikian dipanggil polar dan digambarkan sebagai dipol. Rajah 10.3 menunjukkan struktur molekul air (H 2 O) dan dipol yang sepadan dengannya.

nasi. 10.3. Molekul air dan imejnya dalam bentuk dipol

Sekiranya terdapat konduktor dalam medan elektrostatik (dicas atau tidak dicas - ia tidak membuat perbezaan), maka caj percuma diagihkan semula sedemikian rupa sehingga medan elektrik yang dicipta olehnya. memberi pampasan medan luar. Oleh itu, kekuatan medan elektrik di dalam konduktor sama dengan sifar.

Jika terdapat dielektrik dalam medan elektrostatik, maka molekul polarnya "cenderung" untuk meletakkan diri mereka di sepanjang medan. Ini membawa kepada penurunan dalam medan di dalam dielektrik.

Keizinan (ε) - tidak berdimensi kuantiti skalar, menunjukkan berapa kali kekuatan medan elektrik dalam dielektrik berkurangan berbanding medan dalam vakum:

10.4. Arus, kekuatan semasa, ketumpatan semasa. Kesan haba arus

Kejutan elektrik dipanggil pergerakan tertib caj percuma dalam bahan. Arah arus diambil sebagai arah pergerakan positif caj.

Arus elektrik berlaku dalam konduktor, di antara hujungnya voltan elektrik (U) dikekalkan.

Secara kuantitatif arus elektrik dicirikan menggunakan kuantiti khas - kekuatan semasa.

Kekuatan semasa dalam konduktor ialah kuantiti skalar yang menunjukkan berapa banyak cas yang melalui keratan rentas konduktor dalam 1 s.

Untuk menunjukkan pengagihan arus dalam konduktor bentuk kompleks, gunakan ketumpatan arus (j).

Ketumpatan Semasa dalam konduktor adalah sama dengan nisbah arus kepada luas keratan rentas konduktor:

Di sini R ialah ciri konduktor yang dipanggil rintangan. Unit ukuran - Ohm.

Nilai rintangan konduktor bergantung kepada bahan, bentuk dan saiznya. Untuk konduktor silinder, rintangan adalah berkadar terus dengan panjangnya (l) dan berkadar songsang dengan luas keratan rentas(S):

Pekali perkadaran ρ dipanggil khusus rintangan elektrik bahan konduktor; dimensinya ialah Omm.

Pengaliran arus melalui konduktor disertai dengan pembebasan haba Q. Jumlah haba yang dibebaskan dalam konduktor pada masa t dikira menggunakan formula

Kesan haba arus pada titik tertentu pada konduktor dicirikan oleh kuasa haba tertentu q.

Kuasa haba khusus - jumlah haba yang dibebaskan per unit isipadu konduktor per unit masa.

Untuk mencari nilai ini, anda perlu mengira atau mengukur jumlah haba dQ yang dilepaskan dalam persekitaran kecil titik, dan kemudian bahagikannya dengan masa dan isipadu persekitaran:

di mana ρ - kerintangan konduktor.

10.5. Medan magnet, aruhan magnet. Talian kuasa. Kebolehtelapan magnet

Medan magnet ialah satu bentuk jirim yang melaluinya interaksi cas elektrik yang bergerak berlaku.

Dalam mikrokosmos, medan magnet dicipta berasingan zarah bercas yang bergerak. Pada huru hara pergerakan zarah bercas dalam jirim, medan magnetnya mengimbangi satu sama lain dan medan magnet dalam makrokosmos tidak timbul. Jika pergerakan zarah dalam bahan adalah dalam apa jua cara mengatur, maka medan magnet juga muncul dalam makrokosmos. Sebagai contoh, medan magnet timbul di sekeliling mana-mana konduktor yang membawa arus. Putaran elektron tertib khas dalam beberapa bahan juga menerangkan sifat magnet kekal.

Ciri kekuatan medan magnet ialah vektor aruhan magnetB. Unit aruhan magnet - tesla(Tl).

Talian kuasa

Medan magnet diwakili secara grafik menggunakan garis aruhan magnetik(garisan daya magnet). Tangen kepada garis medan menunjukkan arah vektor DALAM pada titik-titik yang sesuai. Ketumpatan garisan adalah berkadar dengan modul vektor DALAM. Tidak seperti talian elektrik medan elektrostatik, garis aruhan magnet ditutup (Rajah 10.4).

nasi. 10.4. Garis daya magnet

Kesan medan magnet pada konduktor dan cas

Mengetahui magnitud aruhan magnetik (B) di lokasi tertentu, adalah mungkin untuk mengira daya yang dikenakan oleh medan magnet pada konduktor yang membawa arus atau cas yang bergerak.

A) Kuasa ampere, bertindak pada keratan lurus konduktor pembawa arus adalah berserenjang dengan kedua-dua arah B dan konduktor pembawa arus (Rajah 10.5, a):

di mana saya adalah kekuatan semasa; l- panjang konduktor; α ialah sudut antara arah arus dan vektor B.

b) Kuasa Lorentz bertindak pada cas yang bergerak adalah berserenjang dengan kedua-dua arah B dan arah halaju cas (Rajah 10.5, b):

di mana q ialah jumlah caj; v- kelajuannya; α - sudut antara arah v dan V.

nasi. 10.5. Ampere (a) dan kuasa Lorentz (b).

Kebolehtelapan magnet

Sama seperti dielektrik yang diletakkan dalam medan elektrik luaran polarisasi dan mencipta medan elektriknya sendiri, sebarang bahan yang diletakkan dalam medan magnet luar, bermagnet dan mencipta medan magnetnya sendiri. Oleh itu, magnitud aruhan magnet di dalam bahan (B) berbeza daripada magnitud aruhan magnet dalam vakum (B 0). Aruhan magnet dalam bahan dinyatakan melalui aruhan medan magnet dalam vakum mengikut formula

di mana μ ialah kebolehtelapan magnet bagi bahan itu. Untuk vakum μ = 1

Kebolehtelapan magnet sesuatu bahan(μ) ialah kuantiti tanpa dimensi yang menunjukkan berapa kali aruhan medan magnet dalam bahan berubah berbanding dengan aruhan medan magnet dalam vakum.

Berdasarkan keupayaan mereka untuk magnet, bahan dibahagikan kepada tiga kumpulan:

1) bahan diamagnet, yang mana μ< 1 (вода, стекло и др.);

2) paramagnet, yang mana μ > 1 (udara, getah keras, dll.);

3) ferromagnet, yang mana μ >>1 (nikel, besi, dll.).

Bagi bahan dia- dan paramagnet, perbezaan dalam kebolehtelapan magnet daripada kesatuan adalah sangat tidak ketara (~0.0001). Kemagnetan bahan-bahan ini apabila dikeluarkan dari medan magnet hilang.

Untuk bahan feromagnetik, kebolehtelapan magnet boleh mencapai beberapa ribu (contohnya, untuk besi μ = 5,000-10,000). Apabila dikeluarkan dari medan magnet, kemagnetan ferromagnet adalah sebahagiannya disimpan. Ferromagnet digunakan untuk membuat magnet kekal.

10.6. Aruhan elektromagnet. Toki Fuko. Induksi kendiri

Dalam gelung pengalir tertutup yang diletakkan dalam medan magnet, dalam keadaan tertentu, arus elektrik timbul. Untuk menggambarkan fenomena ini, kuantiti fizik khas digunakan - fluks magnet. Fluks magnet melalui kontur kawasan S, yang normalnya (n) membentuk sudut α dengan arah medan (Rajah 10.6), dikira dengan formula

nasi. 10.6. Fluks magnet melalui gelung

Fluks magnet ialah kuantiti skalar; unit ukuran weber[Wb].

Mengikut undang-undang Faraday, dengan sebarang perubahan fluks magnet menembusi litar, daya gerak elektrik timbul di dalamnya E(emf aruhan), yang sama dengan kadar perubahan fluks magnet yang melalui litar:

E.m.f. aruhan berlaku dalam litar yang dalam pembolehubah medan magnet atau berputar dalam medan magnet yang tetap. Dalam kes pertama, perubahan fluks disebabkan oleh perubahan aruhan magnetik (B), dan dalam kes kedua, oleh perubahan sudut α. Putaran rangka wayar antara kutub magnet digunakan untuk menghasilkan tenaga elektrik.

Toki Fuko

Dalam sesetengah kes, aruhan elektromagnet menampakkan dirinya walaupun tanpa litar yang dicipta khas. Jika dalam pembolehubah Sekiranya terdapat badan pengalir dalam medan magnet, maka arus pusar timbul sepanjang keseluruhan isipadunya, yang alirannya disertai dengan pembebasan haba. Mari kita terangkan mekanisme kejadiannya menggunakan contoh cakera pengalir yang terletak dalam medan magnet yang berubah-ubah. Cakera boleh dianggap sebagai "set" kontur tertutup yang bersarang di antara satu sama lain. Dalam Rajah. 10.7 kontur bersarang ialah segmen gelang antara

nasi. 10.7. Arus Foucault dalam cakera pengalir yang terletak dalam medan magnet berselang-seli seragam. Arah arus sepadan dengan peningkatan dalam V

bulatan. Apabila medan magnet berubah, fluks magnet juga berubah. Oleh itu, arus, ditunjukkan oleh anak panah, teraruh dalam setiap litar. Set semua arus tersebut dipanggil

Arus Foucault.

Dalam teknologi, seseorang itu perlu bertarung dengan arus Foucault (kehilangan tenaga). Walau bagaimanapun, dalam perubatan arus ini digunakan untuk memanaskan tisu.

Induksi kendiri Fenomena aruhan elektromagnet juga boleh diperhatikan apabila luaran tiada medan magnet. Contohnya, jika oleh gelung tertutup ponteng pembolehubah

arus, maka ia akan mencipta medan magnet berselang-seli, yang seterusnya, akan mencipta fluks magnet berselang-seli melalui litar, dan emf akan timbul di dalamnya. Induksi kendiri dipanggil kemunculan daya gerak elektrik

dalam litar di mana arus ulang-alik mengalir.

Daya gerak elektrik aruhan diri adalah berkadar terus dengan kadar perubahan arus dalam litar: Tanda "-" bermaksud bahawa emf induktif kendiri menghalang perubahan dalam kekuatan semasa dalam litar. Faktor kekadaran L ialah ciri litar yang dipanggil induktansi. Unit kearuhan -

Henry (Hn).

10.7. Kapasitor dan induktor. Tenaga medan elektrik dan magnet Dalam kejuruteraan radio untuk mencipta medan elektrik dan magnet tertumpu di kawasan kecil ruang, gunakan peranti khas - kapasitor Dan

induktor. Kapasitor terdiri daripada dua konduktor yang dipisahkan oleh lapisan dielektrik, di mana cas yang sama magnitud dan tanda bertentangan diletakkan. Konduktor ini dipanggil pinggan

kapasitor. Caskan kapasitor

dipanggil caj plat positif.

Plat mempunyai bentuk yang sama dan terletak pada jarak yang sangat kecil berbanding saiznya. Dalam kes ini, medan elektrik kapasitor hampir tertumpu sepenuhnya di ruang antara plat. Kapasiti elektrik

Sebuah kapasitor dipanggil nisbah casnya kepada beza keupayaan antara plat: Unit kapasiti - farad

(F = Cl/V). Sebuah kapasitor rata terdiri daripada dua plat selari kawasan S, dipisahkan oleh lapisan dielektrik dengan ketebalan d dengan ε. pemalar dielektrik

Jarak antara plat adalah lebih kurang daripada jejarinya. Kapasiti kapasitor sedemikian dikira dengan formula: ialah gegelung dawai dengan teras feromagnetik (untuk meningkatkan medan magnet). Diameter gegelung adalah lebih kecil daripada panjangnya. Dalam kes ini, medan magnet yang dicipta oleh arus yang mengalir hampir tertumpu sepenuhnya di dalam gegelung. Nisbah fluks magnet (F) kepada arus (I) adalah ciri gegelung, yang dipanggilnya kearuhan(L):

induktansi. Henry(Gn = Wb/A).

Tenaga medan elektrik dan magnet

Medan elektrik dan magnet adalah bahan dan, sebagai hasilnya, mempunyai tenaga.

Tenaga medan elektrik bagi kapasitor bercas:

di mana saya ialah kekuatan semasa dalam gegelung; L ialah kearuhannya.

10.8. Konsep dan formula asas

Sambungan meja

Sambungan meja

Sambungan meja

Hujung meja

10.9. Tugasan

1. Dengan daya apakah cas 1 C ditarik, terletak pada jarak 1 m antara satu sama lain?

Penyelesaian

Menggunakan formula (10.1) kita dapati: F = 9*10 9* 1*1/1 = 9x10 9 N. Jawapan: F = 9x10 9 N.

2. Dengan kuasa apakah nukleus atom besi ( nombor siri 26) menarik elektron pada kulit dalam dengan jejari r = 1x10 -12 m?

Penyelesaian

Caj nuklear q = +26е. Kami mencari daya tarikan menggunakan formula (10.1). Jawapan: F = 0.006 N.

3. Anggarkan cas elektrik Bumi (ia adalah negatif) jika kekuatan medan elektrik di permukaan Bumi ialah E = 130 V/m. Jejari Bumi ialah 6400 km.

Penyelesaian

Kekuatan medan berhampiran Bumi ialah kekuatan medan sfera bercas:

E = k*q|/R 2, dengan k = 1/4πε 0 = 910 9 Nm 2 / Cl 2.

Dari sini kita dapati |q| = ER 2 /k = )