Знакомство Лектор руководитель практических занятий Гельвер Сергей

Знакомство Лектор, руководитель практических занятий – Гельвер Сергей Александрович к. т. н. , доцент http: //www. sergejgelver. narod. ru

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной

Электризация трением

Электризация при контакте Электризация тел происходит не только при их трении, но и при резком ударе, а также при соприкосновении с уже заряженными телами.

Вред и польза электризации Ременные передачи На коптильных заводах Емкости для хранения горючих жидкостей При покраске автомобилей Штамповка пластмассовых изделий Очистка воды, воздуха и промышленных газов

Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:

Силовые линии О В А Л Я Л И Н И И С Я С И Л О В А Я силовые линии – это линии, касательная к которым в любой точке поля совпадает с направлением вектора напряженности Л И Н И Я силовые линии – это линии, вдоль которых будет двигаться пробный электрический заряд, предоставленный сам себе

Принцип суперпозиции Е 1 Ерез Е 1 Е 2 q 1 Ерез q 2 q 1 q 2

Напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности

Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом φ электрического поля Потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность

Эквипотенциальные поверхности Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала.

Эквипотенциальные поверхности

Фильм Потенциал заряженного проводника

Связь параметров поля Силовые линии всегда ортогональны эквипотенциальным поверхностям E φ1 E E gradφ Вектор напряженности электростатического поля направлен в сторону убывания потенциала φ2 >φ1 gradφ φ3 >φ2>φ1 Вектор градиента потенциала электростатического поля направлен в сторону возрастания потенциала

Произведение модуля вектора Е на площадь d. S и на косинус угла α между вектором и нормалью n к площадке называется элементарным потоком вектора напряженности через площадку d. S

Теорема Гаусса Поток вектора напряженности через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, расположенных внутри этой поверхности, деленной на электрическую постоянную.

Понятие о проводниках Проводниками называются такие материалы, в которых имеются свободные носители электрических зарядов.

Проводник вне электрического поля При отсутствии электрического поля металлический проводник является электрически нейтральным – электростатическое поле, создаваемое положительными и отрицательными зарядами внутри него, компенсируется. Обобществленные электроны образуют подобие газа, частицы которого находятся в непрерывном хаотическом движении

Проводник в электрическом поле Е 0 Е = 0 Еп

В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают некомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. ). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами. Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника Посмотреть фильм

Электростатическая защита

Распределение зарядов q=0 ≠ Чем меньше радиус кривизны поверхности, тем большая поверхностная плотность заряда… …тем больше напряженность электрического поля у поверхности проводника Распределение заряда

Стекание зарядов Стекание заряда “Шипение” ЛЭП Дымоочистка Огни Святого Эльма

Грозовой разряд

Понятие о диэлектриках Термин «Диэлектрики» (от греч. diá - через и англ. electric - электрический) введён М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля. Диэлектрик (изолятор) — материал, плохо проводящий или совсем не проводящий электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см− 3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 э. В.

Понятие о поляризации Смещение электрических зарядов вещества под действием электрического поля называется поляризацией. Способность к поляризации является основным свойством диэлектриков

Молекулы диэлектриков Неполярные диэлектрики Полярные диэлектрики H 2 O 103 о Na. Cl

Дипольный момент

Диполь в электрическом поле Е F F

Ориентационная поляризация Внутри диэлектрика электрические заряды диполей компенсируют друга. На внешних поверхностях диэлектрика появляются заряды противоположного знака (поверхностно связанные заряды). На упорядоченность расположения диполей и при выключенном и при включенном электрическом поле влияет тепловое движение молекул (присутствуют колебания дипольных моментов около какого-то равновесного положения)

Электрическое поле в неполярном диэлектрике E 0 Eсв.

Электрическое поле в полярном диэлектрике E 0 Eсв.

Конденсаторы Наличие вблизи проводника других тел изменяет его емкость, так как потенциал проводника зависит от расположения всех зарядов в пространстве. Конденсатор – два проводника называемые обкладками, разделенные диэлектриком и расположенные близко друг к другу. Окружающие конденсатор тела не оказывают влияние на электроемкость конденсатора. Это выполняется, так как электростатическое поле сосредоточено внутри конденсатора между обкладками. Электроемкость конденсатора

Конструкции конденсаторов Бумажный Слюдяной Высоковольтные Электролитические Керамические Воздушные

Емкость плоского конденсатора φ1 S σ x 1 E x 2 d φ2 x

Сводная таблица

Последовательное соединение C 1 +q C 2 -q +q -q q φ1 φ2 φ3

Параллельное соединение +q 1 q φ1 +q 2 C 1 C 2 -q 1 φ2 -q 2

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц. В природе существует три вида токов: ток проводимости, ток смещения и ток переноса

Ток переноса Конвекционный ток, перенос электрических зарядов, осуществляемый перемещением заряженного макроскопического тела.

Движение электрона в атоме Движение электрона по орбите вокруг ядра образует ток переноса, называемый орбитальным током

Ток смещения Изменения электрического поля в конденсаторе порождают в пространстве между пластинами магнитное поле, аналогичное магнитному полю проводника с током Ток смещения в конденсаторе является продолжением тока проводимости в подводящих проводах

Условия возникновения тока Наличие свободных электрических зарядов в проводнике Наличие внешнего электрического поля для проводника

К существованию электрического тока Е

Условия существования тока наличие замкнутой цепи наличие устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы некоторых сторонних сил

Механическая модель электрической цепи

Гидромодель электрической цепи Насос Фильм Механическая модель электрической цепи

Источники тока Термопара Солнечная батарея

Миниатюрные источники тока

Аккумуляторы

Биологические источники

Сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени: Ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную 2· 10– 7 Н на каждый метр длины.

Плотность тока – векторная физическая величина, численно равная силе тока. Приходящейся на единичную площадку, перпендикулярной направлению движения зарядов

ЭДС источника тока Физическая величина, определяемая работой сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника:

Напряжение на участке цепи напряжением на участке цепи называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем кулоновских и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда. напряжение на участке цепи равно разности потенциалов только в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, т. е. сторонними силами не совершается работа. Такой участок электрической цепи называется однородным.

Последовательное соединение R 1 R 2 U 1 U 2 U

Параллельное соединение I 1 R 1 I R 2 I 2 U

Закон Ома Cила тока в однородном проводнике пропорциональна разности потенциалов на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника

Закон Джоуля-Ленца в интегральной форме Количество теплоты, которое выделяется в проводнике с током, пропорционально квадрату силы тока, времени его протекания и сопротивлению проводника

Закон Ома в обобщенной форме Для однородного участка цепи получили Неоднородный участок I 1 R 2

Закон Ома для полной цепи I 1 R 2

Правила Кирхгофа

Первое правило Кирхгофа I 1 I 2 I 5 I 4 I 3

Применение правил Кирхгофа A I 1 I 2 I 3 R 1 R 2 R 3 ε 1 ε 2 ε 3 B 1. Произвольно выбирают направления токов в ветвях цепи. Действительные направления токов в схеме определяются после завершения расчетов: если искомый ток получился положительным, то его направление было выбрано правильно, если отрицательным – его истинное направление противоположно выбранному.

Применение правил Кирхгофа 2. Выбирают направления обхода замкнутых контуров цепи (по часовой или против часовой стрелки). A I 1 I 2 I 3 R 1 R 2 R 3 ε 1 ε 2 ε 3 B Произведение IR положительно, если ток на этом участке совпадает с направлением обхода ЭДС, действующие по направлению обхода, считаются положительными, против обхода – отрицательными

Применение правил Кирхгофа A I 1 I 2 I 3 R 1 R 2 R 3 ε 1 ε 3 ε 2 B 3. Составляют столько уравнений, чтобы их число было равно числу неизвестных токов, т. е. числу ветвей в схеме. По первому правилу Кирхгофа составляют n-1 уравнений, где n – число узлов в схеме. Остальные уравнения составляют по второму правилу Кирхгофа.

Применение правил Кирхгофа Узел А A Контур АR 2ε 2 Bε 1 R 1 А I 1 R 1 I 2 R 2 I 3 R 3 Контур АR 3ε 3 Bε 2 R 2 А ε 1 ε 2 B ε 3

Решение = ΔI 1 = ΔI 2 =Δ = ΔI 3

Итог

Опыт Эрстеда Эти опыты показали, что на магнитную стрелку, расположенную вблизи проводника с током, действуют силы, которые стремятся повернуть стрелку. Вокруг проводника с током существует среда, являющаяся посредником в передаче магнитного действия Этой средой является магнитное поле Фильм Опыт Эрстеда

Опыты Ампера I I

Опыты Ампера Фильм Взаимодействие токов

Магнитная индукция - напряженность электрического поля - индукция магнитного поля

Поле прямого тока

Поле кругового тока

Сила Лоренца

Сила Лоренца

92

Ускорители заряженных частиц

Магнетрон

МГД-генератор

Масс-спектрограф

Сила Ампера

МАГНИТНЫЕ ВЕЩЕСТВА СЛАБОМАГНИТНЫЕ СИЛЬНОМАГНИТНЫЕ диамагнетики ферромагнетики парамагнетики

Магнитное поле в веществе является суперпозицией двух полей: внешнего магнитного поля, создаваемого макротоками и внутреннего или собственного, магнитного поля, создаваемого микротоками.

- магнитная проницаемость среды - диамагнетики - парамагнетики - ферромагнетики

Опыты Фарадея

Правило Ленца

Возникновение индукционного тока

Закон Фарадея-Ленца ЭДС, возбуждающая индукционный ток, пропорциональна быстроте изменения магнитного потока и при этом индукционный ток всегда направлен таким образом, что своим магнитным полем препятствует изменению породившему ее магнитного поля.

Вихревые токи (Токи Фуко) Фильм Парящий диск Фильм Асинхронный двигатель

Применения индукционного нагрева

Принципы вихретоковой дефектоскопии

Вихретоковые дефектоскопы

- ЭДС, наводимая в одном витке

Ферромагнетики – вещества, в которых внутреннее (собственное) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле Примеры: железо, никель, кобальт и ряд сплавов, причем ферромагнетизм обнаружен только в кристаллическом состоянии этих веществ

Гистерезис - индукция насыщения - остаточная индукция - коэрцитивная сила Фильм Петля гистерезиса

Температура Кюри Tk

Температура Кюри ферромагнетиков Материал Fe Co Ni Gd Dy Температ ура Кюри, 1043 1403 631 289 87 K Ho Tm Er 20 19, 6 25

Намагничивание ферромагнетиков Ввнеш

Гармонические колебания - это такие колебания, при которых колеблющаяся величина x изменяется со временем по закону синуса, либо косинуса: или - амплитуда, наибольшее значение колеблющейся величины - фаза - круговая или циклическая частота - начальная фаза - это значение фазы в начальный момент времени, т. е. при t = 0 - период, время одного колебания - частота, количество колебаний в единицу времени

Метод векторных диаграмм y ω α опорная ось x

Сложение одинаковонаправленных колебаний А А 2 А 1

Биения Сложим теперь однонаправленные колебания одинаковой амплитуды, одинаковых фаз, но разной частоты Рассмотрим случай, когда частоты близки друг к другу, т. е. ω1~ ω2=w Тогда (ω1+ ω2)/2= ω, а (ω2 - ω1)/2 величина малая

Сложение перпендикулярных колебаний y x

Сложение перпендикулярных колебаний y x

Сложение перпендикулярных колебаний y x

Сложение перпендикулярных колебаний

Затухающие колебания

Затухающие колебания х t

Декремент x Ак Ак+1 t Добротность – величина, характеризующая потери энергии при затухающих колебаниях

Вынужденные колебания

Вынужденные колебания А β 1 β 2 Колебания моста в Волгограде β 3 β 4 ω =ω0 ω

Определение Волна — изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры Перенос энергии — принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии.

Геометрические элементы Геометрически у волны выделяют следующие элементы: гребень волны — множество точек волны с максимальным положительным отклонением от состояния равновесия

Геометрические элементы долина (ложбина) волны — множество точек волны с наибольшим отрицательным отклонением от состояния равновесия

Геометрические элементы Луч Фронт волны нт Фро ы н вол Лу ч Луч – вектор, перпендикулярный фронту волны, показывающий направление распространения волны в данной точке. фронт волны — множество точек, имеющих в некий фиксированный момент времени одинаковую фазу колебаний.

Классификация волн поперечные волны (волны сдвига, S-волны) — частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (электромагнитные волны, волны на поверхностях разделения сред); продольные волны (волны сжатия, P-волны) — частицы среды колеблются параллельно (по) направлению распространения волны (как, например, в случае распространения звука); волны смешанного типа.

Классификация волн В зависимости от формы фронта волны выделяют плоские, сферические, эллиптические и другие волны.

Уравнение одномерной волны ξ x λ – длина волны k – волновое число (вектор)

Стоячие волны Прямая бегущая волна Отраженная бегущая волна Суперпозиция Уравнение стоячей волны

Стоячие волны Прямая бегущая волна Отраженная бегущая волна п у ч н о с т и λб А 2 А у з л ы

Стоячие волны

Энергия упругой волны

Формирование ЭМВ

Уравнения ЭМВ

Структура ЭМВ y х z

Энергия ЭМВ Е направле ние волны H S