Естествознание Лекция №4 Электродинамика (часть1)

 

Лекция № 4

Электродинамика

План:

1.      Электростатика

2.      Магнитное поле

Электродинамика – наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами. Если частицы взаимодействуют с друг другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния, так же, как и силы всемирного тяготения, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд.

Заряд того рода, который возникает на стекле, потертом о шелк, назвали положительным (+). Заряд того рода, который возникает на янтаре называют отрицательным (-).

При зарядах одинаковых знаков частицы отталкиваются, а при разных притягиваются. Заряд элементарных частиц протонов, входящих в состав атомных ядер называют положительным, а заряд электронов отрицательным. К частицам, не имеющим электрический заряд относиться нейтрон.

Макроскопическое тело заряжено электрически в том случае, если оно содержит избыточное количество элементарных частиц с каким-либо одним знаком заряда. Электрические заряды, возникающие при электризации трением, называют статическим электричеством. В результате электризации трением электрический заряд приобретают оба тела.

Опыты показали, что электрический заряд нельзя уменьшать бесконечно. В 1897 году ученый Дж. Томсон открыл частицу, являющейся носителем элементарного заряда. Эту частицу назвали электроном. Масса электрона оказалось почти в 2000 раз меньше массы самого легкого атома в природе – атома водорода. Заряд электрона отрицательный Наименьший заряд обозначают буквой e и называют элементарным зарядом e=1.6 10^-19 Кл..

 Электроны входят в состав атомов. Внутри атома они обращаются вокруг положительно заряженного атомного ядра. Атомы разных химических элементов отличаются друг от друга зарядом своих ядер и числом электронов. Например, в атоме водорода движется всего один электрон, а в атоме кислорода – восемь электронов, в атоме урана – 92.

Число электронов в атоме совпадает с порядковым номером элемента в Периодической таблице элементов Менделеева. Атом состоит из атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Закон сохранения электрического заряда:

В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной:

q ₁+ q₂ + q₃+…+ q_n = const

Закон Кулона:

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Где k – коэффициент пропорциональности, k= 9*10⁹ н*м²/Кл²

Один Кулон – это заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 Ампер.

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу. 

Существуют проводники и диэлектрики.

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. 

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

показатель сопротивления R;

показатель электропроводности.

Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность. 

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.  

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу. 

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы. 

 

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач. 

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц. 

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники.

О наличии электрического тока судят по тем явлениям, которые его сопровождают:

1.      Проводник, по которому течет ток нагревается

2.      Электрический ток может изменять химический состав проводника

3.      Ток оказывает силовое воздействие на соседние токи

Закон Ома для участка цепи:

Согласно закону Ома, сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника

I=U/R

Сопротивление R характеризует противодействие, оказываемое проводником электрическому току. Единица сопротивления – Ом.

Мощность тока равна отношению работы тока за время ∆t

P=A/∆t

Работу выражают в Джоулях, а мощность в Ваттах.

В жилых зданиях сила тока не должна превышать 10 А, при напряжении 220 Вольт.

Электродвижущая сила. Электродвижущей силой называют энергию или работу, совершаемую источником тока, которая устанавливает и поддерживает разность потенциалов, вызывает электрический ток в цепи, преодолевая ее внешнее и внутреннее сопротивление. В генераторах электродвижущая сила возникает благодаря электромагнитной индукции, а в аккумуляторах - в результате химических реакций. При холостом ходе генератора электрический ток отсутствует, а электродвижущая сила равна разности потенциалов на его зажимах. Электродвижущая сила, как и напряжение, измеряется в вольтах, а энергия - в джоулях.

Соединения приемников электроэнергии. Приемники электрической энергии могут включаться в электрическую цепь последовательно, параллельно и смешанно. При последовательном соединении приемники электрической энергии включаются в цепь один за другим. Общее сопротивление такого соединения равно сумме отдельных сопротивлений приемников:

R=R₁+R₂+R₃+...+R_n.

Ток во всех последовательно соединенных приемниках одинаков, т. е.

I₁=I₂=I₃=I.

При параллельном включении приемники электроэнергии создают для тока три пути, по которым он может проходить. В этом случае ток, приходящий к точке, равен сумме токов, уходящих от этой точки:

I=I₁+I₂+I₃.

Общая проводимость этой цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей:

1/R=1/R₁+1/R₂+1/R₃.

Смешанное соединение приемников электроэнергии представляет собой совокупность последовательных и параллельных соединений.

Работа и мощность тока. Способность электрического тока совершать работу называют энергией электрического тока. Работа источника энергии зависит от напряжения, силы тока и времени, т. е.

А=UIt,

где А - работа источника энергии, Вт сек или дж; U - напряжение; I- сила тока; t -время, сек.

Мощностью называют работу, произведенную в единицу времени.

Ее подсчитывают по формуле:

P=A/t=UI.

За единицу мощности принимают работу тока в один ампер под напряжением один вольт за одну секунду.