Uwakilishi wa mchoro wa uwanja wa umeme. Uwakilishi wa mchoro wa uwanja wa kielektroniki

1. Malipo ya umeme. Sheria ya Coulomb.

2. Uwanja wa umeme. Mvutano, uwezekano, tofauti inayowezekana. Picha ya mchoro mashamba ya umeme.

3. Conductors na dielectrics, jamaa dielectric mara kwa mara.

4. Nguvu ya sasa, ya sasa, wiani wa sasa. Athari ya joto ya sasa.

5. Shamba la magnetic, induction magnetic. Laini za nguvu. Kitendo shamba la sumaku juu ya makondakta na malipo. Athari ya uwanja wa sumaku kwenye mzunguko wa sasa wa kubeba. Upenyezaji wa sumaku.

6. Uingizaji wa umeme. Toki Fuko. Kujiingiza.

7. Capacitor na inductor. Nishati ya uwanja wa umeme na sumaku.

8. Dhana za kimsingi na kanuni.

9. Kazi.

Tabia za mashamba ya umeme na magnetic ambayo yanaundwa na mifumo ya kibaiolojia au kutenda juu yao ni chanzo cha habari kuhusu hali ya viumbe.

10.1. Chaji ya umeme. Sheria ya Coulomb

Malipo ya mwili yana malipo ya elektroni na protoni zake, ambazo malipo yake ni sawa kwa ukubwa na kinyume katika ishara (e = 1.67x10 -19 C).

Miili ambayo idadi ya elektroni na protoni ni sawa huitwa bila chaji.

Ikiwa kwa sababu fulani usawa kati ya idadi ya elektroni na protoni inakiukwa, mwili unaitwa kushtakiwa na malipo yake ya umeme hutolewa na fomula

Sheria ya Coulomb

Mwingiliano stationary mashtaka ya uhakika kutii Sheria ya Coulomb na inaitwa Coulomb au umemetuamo.

Nguvu ya mwingiliano malipo ya pointi mbili ya stationary ni sawia moja kwa moja na bidhaa ya ukubwa wao na kinyume chake sawia na mraba wa umbali kati yao:

10.2. Uwanja wa umeme. Mvutano, uwezekano, tofauti inayowezekana. Uwakilishi wa mchoro wa mashamba ya umeme

Uwanja wa umeme ni aina ya jambo ambalo mwingiliano kati ya chaji za umeme hutokea.

Sehemu ya umeme inaundwa na miili iliyoshtakiwa. Tabia za nguvu uwanja wa umeme ni wingi wa vekta inayoitwa nguvu ya shamba.

Nguvu ya uwanja wa umeme(E) katika hatua fulani katika nafasi ni sawa na nguvu inayofanya kazi kwenye malipo ya sehemu iliyowekwa katika hatua hii:

Tofauti inayowezekana, inayowezekana

Wakati malipo yanapotoka kwenye hatua moja kwenye shamba hadi nyingine, vikosi vya shamba hufanya kazi ambayo haitegemei sura ya njia. Ili kuhesabu kazi hii, tumia maalum wingi wa kimwili, kuitwa uwezo.

Uwakilishi wa mchoro wa mashamba ya umeme

Ili kuwakilisha kielelezo uwanja wa umeme, tumia mistari ya nguvu au nyuso za equipotential(kawaida kitu kimoja). mstari wa nguvu- mstari ambao tangents inafanana na mwelekeo wa vector ya mvutano katika pointi zinazofanana.

Msongamano wa mistari ya shamba ni sawia na nguvu ya shamba. Uso wa usawa- uso ambao pointi zote zina uwezo sawa.

Nyuso hizi zinafanywa ili tofauti ya uwezekano kati ya nyuso za karibu ni mara kwa mara.

Mchele. 10.1. Mistari ya uwanja na nyuso za usawa za tufe zinazochajiwa

Mistari ya uga ni perpendicular kwa nyuso equipotential.

Mchoro 10.1 unaonyesha mistari ya uga na nyuso za usawa kwa sehemu za nyanja zinazochajiwa.

Mchoro 10.2, a inaonyesha mistari ya shamba na nyuso za usawa kwa shamba iliyoundwa na sahani mbili, malipo ambayo ni sawa kwa ukubwa na kinyume katika ishara. Mchoro 10.2, b unaonyesha njia za uga na nyuso zinazolingana kwa uga wa umeme wa Dunia karibu mtu aliyesimama.

Mchele. 10.2. Uwanja wa umeme wa sahani mbili (a); uwanja wa umeme wa Dunia karibu na mtu aliyesimama (b).

10.3. Conductors na dielectri, jamaa dielectric mara kwa mara

Bidhaa ambazo zina malipo ya bure huitwa makondakta.

Aina kuu za conductors ni metali, ufumbuzi wa electrolyte na plasma. Katika metali, malipo ya bure ni elektroni za shell ya nje iliyotengwa na atomi. Katika electrolytes, malipo ya bure ni ions ya dutu kufutwa. Katika plasma, malipo ya bure ni elektroni, ambayo hutenganishwa na atomi wakati joto la juu, na ioni chanya.

Dutu ambazo hazina malipo ya bure, zinaitwa dielectrics.

Gesi zote ni dielectrics joto la chini, resini, mpira, plastiki na mengine mengi yasiyo ya metali. Molekuli za dielectric hazina upande wowote, lakini vituo vya malipo mazuri na hasi havifanani. Molekuli kama hizo huitwa polar na zinaonyeshwa kama dipoles. Mchoro 10.3 unaonyesha muundo wa molekuli ya maji (H 2 O) na dipole yake sambamba.

Mchele. 10.3. Molekuli ya maji na picha yake katika mfumo wa dipole

Ikiwa kuna kondakta katika uwanja wa umeme (kushtakiwa au bila malipo - hakuna tofauti), basi malipo ya bure yanasambazwa tena kwa njia ambayo uwanja wa umeme ulioundwa nao. hulipa fidia uwanja wa nje. Kwa hiyo, nguvu ya shamba la umeme ndani ya kondakta sawa na sifuri.

Ikiwa kuna dielectri katika uwanja wa umeme, basi molekuli zake za polar "huelekea" kujiweka kando ya shamba. Hii inasababisha kupungua kwa shamba ndani ya dielectri.

Dielectric mara kwa mara (ε) - isiyo na kipimo kiasi cha scalar, inayoonyesha ni mara ngapi nguvu ya uwanja wa umeme katika dielectri hupungua ikilinganishwa na sehemu iliyo katika ombwe:

10.4. Nguvu ya sasa, ya sasa, wiani wa sasa. Athari ya joto ya sasa

Mshtuko wa umeme inayoitwa harakati iliyoamuru ya malipo ya bure katika dutu. Mwelekeo wa sasa unachukuliwa kuwa mwelekeo wa harakati chanya mashtaka.

Umeme wa sasa hutokea katika kondakta, kati ya mwisho ambao voltage ya umeme (U) inadumishwa.

Kiasi umeme sifa kwa kutumia idadi maalum - nguvu ya sasa.

Nguvu ya sasa katika kondakta ni kiasi cha scalar ambacho kinaonyesha ni kiasi gani cha malipo hupitia sehemu ya msalaba wa kondakta katika 1 s.

Ili kuonyesha usambazaji wa sasa katika waendeshaji sura tata, tumia msongamano wa sasa (j).

Msongamano wa Sasa katika kondakta ni sawa na uwiano wa sasa na eneo la sehemu ya msalaba ya kondakta:

Hapa R ni sifa ya kondakta inayoitwa upinzani. Kitengo cha kipimo - Ohm.

Thamani ya upinzani ya kondakta inategemea nyenzo zake, sura na ukubwa. Kwa conductor cylindrical, upinzani ni sawa sawa na urefu wake (l) na kinyume na uwiano wa eneo sehemu ya msalaba(S):

Mgawo wa uwiano ρ unaitwa maalum upinzani wa umeme nyenzo za conductor; kipimo chake ni Omm.

Mtiririko wa sasa kupitia kondakta unaambatana na kutolewa kwa joto Q. Kiasi cha joto kilichotolewa katika kondakta wakati wa t kinahesabiwa kwa kutumia fomula.

Athari ya joto ya sasa katika hatua fulani kwenye kondakta ina sifa ya nguvu maalum ya joto q.

Nguvu maalum ya joto - kiasi cha joto iliyotolewa kwa kitengo cha kiasi cha kondakta kwa muda wa kitengo.

Ili kupata thamani hii, unahitaji kuhesabu au kupima kiasi cha joto dQ iliyotolewa katika eneo ndogo la uhakika, na kisha ugawanye kwa muda na kiasi cha eneo hilo:

wapi ρ - resistivity kondakta.

10.5. Sehemu ya sumaku, induction ya sumaku. Laini za nguvu. Upenyezaji wa sumaku

Uga wa sumaku ni aina ya jambo ambalo mwingiliano wa chaji za umeme zinazosonga hutokea.

Katika microcosm, mashamba ya magnetic yanaundwa tofauti kusonga chembe za kushtakiwa. Katika machafuko mwendo wa chembe zilizochajiwa katika maada, nyuga zao za sumaku hulipa fidia kila mmoja na uwanja wa sumaku kwenye macrocosm. haitokei. Ikiwa mwendo wa chembe katika dutu ni kwa njia yoyote panga, basi shamba la sumaku pia linaonekana kwenye macrocosm. Kwa mfano, shamba la magnetic hutokea karibu na conductor yoyote ya sasa ya kubeba. Mzunguko maalum ulioamuru wa elektroni katika vitu vingine pia unaelezea mali ya sumaku za kudumu.

Tabia ya nguvu ya shamba la magnetic ni vector induction ya sumakuB. Kitengo cha induction ya sumaku - tesla(Tl).

Laini za nguvu

Sehemu ya sumaku inawakilishwa kwa kutumia picha mistari ya induction ya sumaku(mistari ya sumaku ya nguvu). Tangenti kwa mistari ya shamba zinaonyesha mwelekeo wa vekta KATIKA katika pointi zinazofaa. Uzito wa mistari ni sawia na moduli ya vector KATIKA. Tofauti na mistari ya nguvu uwanja wa umeme, mistari ya induction ya magnetic imefungwa (Mchoro 10.4).

Mchele. 10.4. Mistari ya sumaku ya nguvu

Athari ya uwanja wa sumaku kwenye makondakta na chaji

Kujua ukubwa wa induction ya magnetic (B) katika eneo fulani, inawezekana kuhesabu nguvu inayotumiwa na shamba la magnetic kwenye kondakta wa sasa au malipo ya kusonga.

A) Nguvu ya Ampere, kutenda kwa sehemu ya moja kwa moja ya kondakta wa sasa ni perpendicular kwa wote mwelekeo B na kondakta wa sasa (Mchoro 10.5, a):

ambapo mimi ni nguvu ya sasa; l- urefu wa conductor; α ni pembe kati ya mwelekeo wa sasa na vekta B.

b) Nguvu ya Lorentz kutenda kwa malipo ya kusonga ni perpendicular kwa wote mwelekeo B na mwelekeo wa kasi ya malipo (Mchoro 10.5, b):

ambapo q ni kiasi cha malipo; v- kasi yake; α - pembe kati ya mwelekeo v na V.

Mchele. 10.5. Ampere (a) na vikosi vya Lorentz (b).

Upenyezaji wa sumaku

Kama vile dielectri iliyowekwa kwenye uwanja wa nje wa umeme polarizes na huunda uwanja wake wa umeme, dutu yoyote iliyowekwa kwenye uwanja wa sumaku wa nje, yenye sumaku na inaunda uwanja wake wa sumaku. Kwa hiyo, thamani ya induction magnetic ndani ya dutu (B) inatofautiana na thamani ya induction magnetic katika utupu (B 0). Uingizaji wa sumaku katika dutu huonyeshwa kupitia uwekaji wa uga wa sumaku katika utupu kulingana na fomula

ambapo μ ni upenyezaji wa sumaku wa dutu. Kwa utupu μ = 1

Upenyezaji wa sumaku wa dutu(μ) ni kiasi kisicho na kipimo kinachoonyesha ni mara ngapi uwekaji wa uga wa sumaku katika kitu hubadilika ikilinganishwa na uwekaji wa uga wa sumaku kwenye utupu.

Kulingana na uwezo wao wa sumaku, vitu vimegawanywa katika vikundi vitatu:

1) vifaa vya diamagnetic, ambayo μ< 1 (вода, стекло и др.);

2) paramagnets, ambayo μ > 1 (hewa, mpira ngumu, nk);

3) ferromagnets, ambayo μ >>1 (nikeli, chuma, n.k.).

Kwa vifaa vya dia- na paramagnetic, tofauti ya upenyezaji wa sumaku kutoka kwa umoja sio muhimu sana (~0.0001). Usumaku wa vitu hivi unapoondolewa kwenye uwanja wa sumaku kutoweka.

Kwa vifaa vya ferromagnetic, upenyezaji wa sumaku unaweza kufikia elfu kadhaa (kwa mfano, kwa chuma μ = 5,000-10,000). Inapoondolewa kwenye uwanja wa magnetic, magnetization ya ferromagnets ni sehemu imehifadhiwa. Ferromagnets hutumiwa kutengeneza sumaku za kudumu.

10.6. Uingizaji wa sumakuumeme. Toki Fuko. Kujiingiza

Katika kitanzi kilichofungwa kilichowekwa kwenye shamba la magnetic, chini ya hali fulani, sasa umeme hutokea. Ili kuelezea jambo hili, idadi maalum ya mwili hutumiwa - flux ya magnetic. Fluji ya sumaku kupitia mtaro wa eneo S, ambayo ni ya kawaida (n) huunda angle α na mwelekeo wa shamba (Mchoro 10.6), iliyohesabiwa na formula

Mchele. 10.6. Flux ya sumaku kupitia kitanzi

Fluji ya sumaku ni wingi wa scalar; kitengo weber[Wb].

Kwa mujibu wa sheria ya Faraday, na mabadiliko yoyote flux ya magnetic kutoboa mzunguko, nguvu ya electromotive hutokea ndani yake E(induction emf), ambayo ni sawa na kiwango cha mabadiliko ya flux ya sumaku inayopita kwenye mzunguko:

E.m.f. induction hutokea katika mzunguko ulio ndani kutofautiana shamba la sumaku au huzunguka katika uwanja wa sumaku wa mara kwa mara. Katika kesi ya kwanza, mabadiliko ya flux husababishwa na mabadiliko ya induction magnetic (B), na katika kesi ya pili, na mabadiliko katika angle α. Mzunguko wa sura ya waya kati ya miti ya sumaku hutumiwa kuzalisha umeme.

Toki Fuko

Katika baadhi ya matukio, induction ya umeme inajidhihirisha hata kwa kutokuwepo kwa mzunguko maalum iliyoundwa. Ikiwa ndani kutofautiana Wakati mwili unaoendesha iko kwenye uwanja wa sumaku, mikondo ya eddy huibuka kwa kiasi chake chote, mtiririko wake ambao unaambatana na kutolewa kwa joto. Hebu tueleze utaratibu wa matukio yao kwa kutumia mfano wa disk inayoendesha iko kwenye uwanja wa magnetic kubadilisha. Diski inaweza kuzingatiwa kama "seti" ya mtaro uliofungwa uliowekwa ndani ya kila mmoja. Katika Mtini. 10.7 mtaro uliowekwa ni sehemu za pete kati yao

Mchele. 10.7. Mikondo ya Foucault katika diski inayoendesha iko kwenye uwanja wa sumaku unaobadilishana sare. Mwelekeo wa mikondo unalingana na ongezeko la V

miduara. Wakati uwanja wa sumaku unabadilika, flux ya sumaku pia inabadilika. Kwa hiyo, sasa, iliyoonyeshwa na mshale, inaingizwa katika kila mzunguko. Seti ya mikondo yote kama hiyo inaitwa Mikondo ya Foucault.

Katika teknolojia, mtu anapaswa kupigana na mikondo ya Foucault (kupoteza nishati). Hata hivyo, katika dawa mikondo hii hutumiwa kwa tishu za joto.

Kujiingiza

Uzushi induction ya sumakuumeme inaweza pia kuzingatiwa wakati ya nje hakuna uwanja wa sumaku. Kwa mfano, ikiwa kwa kitanzi kilichofungwa ruka kutofautiana sasa, basi itaunda shamba la sumaku linalobadilishana, ambalo, kwa upande wake, litaunda flux ya sumaku inayobadilisha kupitia mzunguko, na emf itatokea ndani yake.

Kujiingiza inayoitwa kuibuka nguvu ya umeme katika mzunguko ambao mkondo wa kubadilisha unapita.

Nguvu ya umeme ya kujiingiza ni sawia moja kwa moja na kiwango cha mabadiliko ya sasa katika mzunguko:

Ishara "-" ina maana kwamba emf ya kujitegemea inazuia mabadiliko katika nguvu za sasa katika mzunguko. Sababu ya uwiano L ni sifa ya mzunguko inayoitwa inductance. Kitengo cha inductance - Henry (Mh).

10.7. Capacitor na inductor. Nishati ya uwanja wa umeme na sumaku

Katika uhandisi wa redio kuunda uwanja wa umeme na sumaku uliojilimbikizia eneo ndogo nafasi, tumia vifaa maalum - capacitors Na inductors.

Capacitor lina waendeshaji wawili waliojitenga na safu ya dielectri, ambayo malipo ya ukubwa sawa na ishara ya kinyume huwekwa. Waendeshaji hawa wanaitwa sahani capacitor.

Chaza capacitor inayoitwa malipo chanya ya sahani.

Sahani zina sura sawa na ziko kwa umbali mdogo sana ikilinganishwa na ukubwa wao. Katika kesi hiyo, uwanja wa umeme wa capacitor ni karibu kabisa kujilimbikizia katika nafasi kati ya sahani.

Uwezo wa umeme Capacitor inaitwa uwiano wa malipo yake kwa tofauti inayowezekana kati ya sahani:

Kitengo cha uwezo - farad(F = Cl/V).

Capacitor ya gorofa ina sahani mbili zinazofanana za eneo S, ikitenganishwa na safu ya dielectric ya unene d na dielectric mara kwa mara ε. Umbali kati ya sahani ni chini sana kuliko radii yao. Uwezo wa capacitor kama hiyo huhesabiwa na formula:

Indukta ni coil ya waya yenye msingi wa ferromagnetic (ili kuimarisha uwanja wa magnetic). Kipenyo cha coil ni kidogo sana kuliko urefu wake. Katika kesi hiyo, shamba la magnetic linaloundwa na sasa inapita ni karibu kabisa kujilimbikizia ndani ya coil. Uwiano wa flux magnetic (F) hadi sasa (I) ni tabia ya coil, inayoitwa yake inductance(L):

Kitengo cha inductance - Henry(Gn = Wb/A).

Nishati ya uwanja wa umeme na sumaku

Sehemu za umeme na sumaku ni nyenzo na, kwa sababu hiyo, zina nishati.

Nishati ya uwanja wa umeme wa capacitor iliyoshtakiwa:

ambapo mimi ni nguvu ya sasa katika coil; L ni inductance yake.

10.8. Dhana za kimsingi na kanuni

Muendelezo wa jedwali

Mwisho wa meza

10.9. Kazi

1. Kwa nguvu gani malipo ya 1 C yanavutia, iko umbali wa m 1 kutoka kwa kila mmoja?

Suluhisho

Kwa kutumia formula (10.1) tunapata: F = 9*10 9* 1*1/1 = 9x10 9 N. Jibu: F = 9x10 9 N.

2. Ni kwa nguvu gani kiini cha atomi ya chuma ( nambari ya serial 26) huvutia elektroni kwenye shell ya ndani na radius r = 1x10 -12 m?

Suluhisho

Malipo ya nyuklia q = +26е. Tunapata nguvu ya mvuto kwa kutumia fomula (10.1). Jibu: F = 0.006 N.

3. Kadiria malipo ya umeme ya Dunia (ni hasi) ikiwa nguvu ya uwanja wa umeme kwenye uso wa Dunia ni E = 130 V/m. Radi ya Dunia ni kilomita 6400.

Suluhisho

Nguvu ya shamba karibu na Dunia ni nguvu ya shamba ya tufe iliyoshtakiwa:

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

Kuanzia hapa tunapata |q| = ER 2 /k =)