1 Электрическое поле, его характеристики. Поле диполя.

1 Электрическое поле, его характеристики. Поле диполя. Диполь в однородном и неоднородном электрическом поле. Постоянный ток, его характеристики и законы. Электропроводность металлов, электролитов, газов Практическое занятие

2 Любое протяженное заряженное тело – совокупность точечных зарядов является источником электрического поля : Одна из форм существования материи Удобная физическая модель Можно наблюдать с помощью органов чувств Упрощение описания электрических взаимодействий

3 «Инструмент исследования» электрического поля – пробный (+) точечный электрический заряд, помещаемый в различные точки пространства (поля) Электрическое полеq 1. На пробный (+) заряд со стороны поля действует сила F r. F E const q r uuuuurr Напряженность поля в данной точке 2. Пробный (+) заряд в данной точке обладает потенциальной энергией П: E F r r φconst q Потенциал поля в данной точке (нестрого): : F r

4 Напряженность поля точечного заряда (закон Кулона): 2 04πε ε q E r направление вектора напряженности – по направлению силы, действующей на (+) пробный заряд, помещенный в данную точку поля: E F r r модуль: Принцип суперпозиции (наложения): 1 i n i i E E r r i. E d. E r r Н В Е Кл м

5 Потенциал данной точки поля точечного заряда: 0φ 4 πεε q r Принцип суперпозиции (наложения): 1 1 0φ φ 4πεεi n i i i q r 0 φ φ 4πεε dq d r φ ( ) Дж В Вольт Кл

6 Электрическое поле создано двумя точечными зарядами: q 1 = 30 н. Кл и q 2 = – 5 0 н. Кл. Расстояние d между зарядами равно 5 см. Определить напряженность и потенциал электрического поля в точке, находящейся на расстоянии r 1 = 3 см от первого и на расстоянии r 2 = 4 см от второго зарядов. СИ: 9 130 10 q. Кл 9 250 10 q. Кл 2 5 10 dм 2 13 10 rм 2 2 4 10 rм 2 2 12 0ε 8, 85 10 K л м Ф Н м

71 q 2 q A 1 r 1 1 2 0 14 πε q E r 1 E r 2 2 2 0 24 πε q E r 2 E r α

8 A 1 E r 2 E r 1 2 E E E r r r 22 1 2 E E E r r r 1 1 1 2 2 22 E E E E r r r r 1 1 1 2 2 2 cos 0 2 cosα cos 0 E E E E 2 2 2 1 1 2 22 cosα

91 q 2 q A 1 r 1 1 0 1φ 4 πε q r 2 2 0 2 φ 4 πε q r 1 2 0 1 0 2 φ φ φ 4πε q q r r 21 0 24πε qq r r

10№ q 1 , н. Кл q 2 , н. Кл l , мм r 1 , мм r 2 , мм ε 1 1, 0 -2, 4 5, 0 4, 0 3, 0 81 2 2, 0 -2, 6 10 8, 0 6, 0 5, 0 3 3, 0 -2, 8 5, 0 3, 0 4, 0 6, 0 4 4, 0 -3, 1 10 6, 0 8, 0 9, 0 5 1, 5 -3, 3 1 0, 6 0, 8 10 6 1, 8 -3, 5 0, 4 0, 3 12 7 1, 2 -3, 7 5, 0 3, 0 4, 0 7, 0 8 2, 2 -1, 0 10 10 10 6, 0 9 2, 4 -2, 0 5, 0 2, 0 10 2, 6 -3, 0 10 6, 0 8, 0 3, 0 11 2, 8 -4, 0 0, 1 4, 0 12 3, 1 -1, 5 0, 5 5, 0 13 3, 3 -1, 8 10 6, 0 8, 0 6, 0 14 3, 5 -1, 2 5 3 4 7, 0 15 3, 7 -2, 2 0, 1 1,

11 Оценить электрический заряд Земли (он отрицателен), если напряженность электрического поля у поверхности Земли Е = 130 В/м. Радиус Земли 6400 км. Возможно ли путем измерения напряженности (потенциала) электрического поля в различных точках пространства определить распределение электрического заряда, создающего поле, в пространстве? СИ: 3 6400 10 Rм 2 04πε ε q E r 2 04πε εq E R

12 Электрон перемещается между точками с разностью потенциалов 1 В. Найти работу сил поля и приращение кинетической энергии электрона. СИ: 19 31 1, 6 10 ; 9, 1 10 e e. Кл mкг Электростатические силы – консервативные: 1 2 e. A 1 2φ φ e. A e e e 1 2φ φ 1 B Закон сохранения энергии для системы, в которой действуют только консервативные силы:

13 Какая ускоряющая разность потенциалов U требуется для того, чтобы сообщить скорость v 2 = 30 Мм/с первоначально покоящемуся электрону? СИ: 19 31 1, 6 10 ; 9, 1 10 e e. Кл mкг 6 2 v 30 10 / м с 2 1 1 2 2 2 2 1 1 2 v v φ φ 2 2 e em m e e 2 2 1 2 v φ φ 2 em e e U 2 2 v 2 em U e

14 qqr r l r φ ? α 2 0 φ cos α 4πεε ep r + — 0 0 φ φ φ 4πεε q q r r Электрический диполь – единая система, моделирующая электрические свойства многих биологических объектов. Потенциал поля диполя: Активные свойства диполя, как источника поля:

15 Определить потенциал φ поля, создаваемого диполем с электрическим моментом р= 4 п. Кл·м на расстоянии r = 10 см от центра диполя, в направлении, составляющем угол α = 60˚ с вектором электрического момента. СИ: р е= 4 · 10 -12 Кл·м r = 0, 10 м 2 0φ cos α 4 πεε ep r

16 Мгновенное распределение (+) и (-) зарядов в теле (следствие процесса жизнедеятельности): Суммарный заряд тела = 0 q q l 10 φ 4 πεε i i ii q r 2 1 0φ 4 πεεi i i iq r Полученная простая система из двух равных по модулю , противоположных по знаку зарядов – электрический диполь. ep q l r Электрический момент диполя: e p r

17 Точечные электрические заряды располагаются вдоль оси ОХ. Значения зарядов и их координаты: q 1 = 0, 10 м. Кл, q 2 = 0, 20 м. Кл, q 3 = 0, 30 м. Кл, q 4 = -0, 05 м. Кл, q 5 = — 0, 20 м. Кл , q 6 = — 0, 35 м. Кл; х 1 = 10 мм, х 2 = 20 мм, х 3 = 30 мм, х 4 = 0 мм, х 5 = -10 мм, х 6 = — 50 мм. Оценить значение дипольного момента данного распределения зарядов. Может ли данная система моделироваться электрическим диполем? 6 1 0 iq ep q l r q

18 Координата Х (+) эквивалентного (+) заряда: ( ) ( ) 1 n i i n i q x X q Координата Х (-) эквивалентного (-) заряда: ( ) ( ) 1 n i i n i q x X q

19 Длина плеча диполя: ( )l X X ep q l r

20 Двойной фосфолипидный слой уподобляет биологическую мембрану конденсатору. Вещество мембраны представляет собой диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε. Разность потенциалов между поверхностями мембраны равна U при толщине мембраны d. Оценить электроемкость участка мембраны площадью S и напряженность электрического поля в ней. 0εε S C d U E d

21№ варианта ε S , мм 2 U , В d , нм 1 3, 9 1, 8 0, 16 11 2 4, 0 1, 7 0, 17 12 3 4, 1 1, 9 0, 18 13 4 4, 2 1, 8 0, 19 9, 0 5 4, 3 1, 9 0, 20 8, 0 6 4, 4 2, 1 0, 21 10 7 3, 7 2, 0 0, 22 11 8 3, 6 1, 9 0, 23 12 9 3, 5 1, 8 0, 24 13 11 3, 8 2, 2 0, 15 10 12 3, 9 1, 8 0, 16 11 13 4, 0 1, 7 0, 17 12 14 4, 1 1, 9 0, 18 13 15 4, 2 1, 8 0, 19 9,

22 Средняя мощность разряда электрического сома Р = 8 Вт при напряжении U = 360 В. Время разряда t = 0, 13 мс. Определить электроемкость органов сома. СИ: t = 0, 13 · 10 -3 с Энергия электрического поля, аккумулированная сомом: 2 2 2 q. U q CU W C Мощность, выделяемая при разряде: W P W t

23 Оценить, какое количество одновалентных ионов должно перейти из цитоплазмы в межклеточную жидкость для создания потенциала покоя φ м ≈ -120 м. В? Принять площадь поверхности клетки S = 10 -9 м 2 ; удельную электроемкость мембраны (на единицу площади) С уд = 10 -2 Ф/м 2. СИ: Δ φ = 0, 120 В Заряд мембранного конденсатора: φ φ УДq CU C C S Количество одновалентных ионов: q N e