Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Uverejnené na http://www.allbest.ru/

Pyatigorská pobočka Volgogradskej štátnej lekárskej univerzity Ministerstva zdravotníctva Ruskej federácie

Abstrakt k témepri:

"Elektrodynamika"

Vykonané:

Študent skupiny 211

Monina Marina

1. História elektrodynamiky

2. Elektrostatika

3. DC zákony

1. História elektrodynamiky

Elektrodynamika je veda o vlastnostiach a vzorcoch správania špeciálneho druhu hmoty – elektromagnetického poľa, ktoré interaguje medzi elektricky nabitými telesami a časticami.

V elektrodynamike existujú štyri typy interakcií:

Gravitačné

Elektromagnetické

Slabá (interakcia medzi elementárnymi časticami)

Elektromagnetická interakcia je najdôležitejšia vec na Zemi.

Elektrodynamika má svoj pôvod v starovekom Grécku. Preklad slova elektrón je jantár. Okrem jantáru priťahuje aj mnoho iných tiel. Ľahké aj ťažké predmety sú priťahované k elektrifikovaným telesám. V roku 1729 Gray objavil prenos nábojov na diaľku. Charles Dufrais objavuje dva typy nábojov: sklo a živicu. Sklo sa javí ako kladný náboj a živica ako záporný náboj. Následne James Clerk Maxwell dokončil vytvorenie teórie elektrodynamiky, ale využitie elektrodynamiky sa začalo až v druhej polovici 19. storočia. Maxwell upozornil na nedostatky klasickej elektrodynamiky. Nekonzistentnosť so zákonom zachovania náboja bola dostatočným argumentom na pochybnosti o jeho pravdivosti, keďže zákony zachovania majú veľmi všeobecný charakter.

Matematickými dôsledkami Maxwellovho upraveného systému rovníc bolo konštatovanie o zachovaní energie v elektromagnetických procesoch a teoretický záver o možnosti existencie poľa vo forme elektromagnetických vĺn v prázdnom priestore, nezávisle od nábojov a prúdov. Táto posledná predpoveď našla skvelé experimentálne potvrdenie v slávnych experimentoch Hertza a Popova, ktoré položili základ modernej rádiovej komunikácie. Rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vypočítaná zo systému sa ukázala byť rovná experimentálne nameranej rýchlosti šírenia svetla vo vákuu, čo znamenalo zjednotenie prakticky dovtedy nezávislých častí fyziky elektromagnetizmu a optiky do jednej ucelenej teórie. .

Najdôležitejším krokom vpred vo vývoji doktríny elektrických a magnetických javov bol vynález prvého zdroja jednosmerného prúdu – galvanického článku. História tohto vynálezu sa začína prácou talianskeho lekára Luigiho Galvaniho, ktorá siaha až do konca 18. storočia. Galvani sa zaujímal o fyziologické účinky elektrického výboja. Od 80. rokov. storočia vykonal sériu experimentov na určenie účinku elektrického výboja na svaly pitvanej žaby. Raz zistil, že keď v elektrickom stroji prebleskla iskra alebo keď sa vybila Leydenská nádoba, svaly žaby sa stiahli, ak sa ich vtedy dotkol kovový skalpel.

So záujmom o pozorovaný efekt sa Galvani rozhodol skontrolovať, či atmosférická elektrina bude mať rovnaký účinok na žabie nohy. Po spojení jedného konca nervu žabieho stehna vodičom s izolovanou tyčou umiestnenou na streche a druhým koncom nervu so zemou si všimol, že počas búrky sa svaly žaby z času na čas stiahli. čas.

Galvani potom vypreparované žaby zavesil za medené háky zaháknuté na mieche blízko železného zábradlia záhrady. Zistil, že niekedy, keď sa svaly žaby dotkli železného plota, došlo k svalovej kontrakcii. Navyše boli tieto javy pozorované za jasného počasia. Následne sa Galvani rozhodol, že v tomto prípade už nie je príčinou pozorovaného javu búrka.

Na potvrdenie tohto záveru Galvani vykonal podobný experiment v miestnosti. Vzal žabu, ktorej miechový nerv bol spojený s medeným hákom, a položil ju na železnú platňu. Ukázalo sa, že keď sa medený hák dotkol železa, svaly žaby sa stiahli.

Galvani sa rozhodol, že objavil „živočíšnu elektrinu“, teda elektrinu, ktorá sa vyrába v tele žaby. Keď je nerv žaby uzavretý pomocou medeného háku a železnej platne, vytvorí sa uzavretý okruh, cez ktorý prechádza elektrický náboj (elektrická tekutina alebo hmota), ktorý spôsobuje svalovú kontrakciu.

O Galvaniho objav sa začali zaujímať fyzici aj lekári. Medzi fyzikmi bol aj Galvaniho krajan Alessandro Volta. Volta zopakoval Galvaniho experimenty a potom sa rozhodol otestovať, ako by sa svaly žaby správali, keby nie („živočíšna elektrina“), ale prechádzala nimi elektrina získaná ktoroukoľvek zo známych metód. Zároveň zistil, že svaly žaby sa sťahujú rovnako ako pri Galvaniho experimente.

Po vykonaní tohto druhu výskumu Volta dospela k záveru, že žaba je iba „zariadenie“, ktoré registruje tok elektriny, že žiadna špeciálna „živočíšna elektrina“ neexistuje.

Volt navrhol, že príčinou elektriny bol kontakt dvoch rôznych kovov.

Treba poznamenať, že Galvani si už všimol závislosť sily kŕčových kontrakcií svalov žaby od typu kovov, ktoré tvoria obvod, ktorým prúdi elektrina. Galvani tomu však nevenoval vážnu pozornosť. Volta v tom naopak videl možnosť skonštruovať novú teóriu.

Volta nesúhlasil s teóriou „živočíšnej elektriny“ a predložil teóriu „kovovej elektriny“. Podľa tejto teórie je príčinou galvanickej elektriny kontakt rôznych kovov.

Volta veril, že každý kov obsahuje elektrickú tekutinu – tekutinu, ktorá, keď kov nie je nabitý, je v pokoji a neprejavuje sa. Ale ak skombinujete dva rôzne kovy, rovnováha elektriny v nich sa naruší a elektrická tekutina sa začne pohybovať. V tomto prípade sa elektrická kvapalina bude pohybovať v určitom množstve z jedného kovu na druhý, po čom sa opäť obnoví rovnováha. Ale v dôsledku toho sa kovy elektrizujú: jeden je pozitívny, druhý je negatívny.

Volta tieto úvahy experimentálne potvrdil. Podarilo sa mu ukázať, že keď sa dva kovy jednoducho dostanú do kontaktu, jeden z nich získa kladný náboj a druhý záporný náboj. Volta tak objavil takzvaný rozdiel kontaktného potenciálu. Volta vykonal nasledujúci experiment. Na medený kotúč pripevnený k obyčajnému elektroskopu namiesto gule umiestnil ten istý kotúč, vyrobený z iného kovu a s rukoväťou. Pri aplikácii sa disky dostali do kontaktu na mnohých miestach.

V dôsledku toho sa medzi diskami objavil rozdiel kontaktného potenciálu (v terminológii Volta medzi diskami vznikol „rozdiel napätia“).

Aby bolo možné zistiť „rozdiel napätia“, ktorý sa objaví pri kontakte rôznych kovov, ktorý je vo všeobecnosti malý, Volta zdvihol horný disk a potom sa listy elektroskopu zreteľne rozišli. Bolo to spôsobené tým, že kapacita kondenzátora tvoreného diskami sa znížila a potenciálny rozdiel medzi nimi sa zvýšil o rovnakú hodnotu.

Ale objav rozdielov v kontaktnom potenciáli medzi rôznymi kovmi ešte nedokázal vysvetliť Galvaniho experimenty so žabami. Boli potrebné ďalšie predpoklady.

Ale podľa skúseností Galvaniho sa nespájali len kovy. Súčasťou reťaze boli aj žabie svaly, ktoré tiež obsahovali tekutinu.

Navrhol, aby boli všetky vodiče rozdelené do dvoch tried: vodiče prvého druhu - kovy a niektoré iné pevné látky a vodiče druhého druhu - kvapaliny. Zároveň sa Volta rozhodol, že potenciálny rozdiel vzniká iba vtedy, keď sa vodiče prvého druhu dostanú do kontaktu.

Tento predpoklad vysvetlil Galvaniho experiment. V dôsledku kontaktu dvoch rôznych kovov je v nich narušená rovnováha elektriny. Táto rovnováha sa obnoví v dôsledku spájania kovov v tele žaby. Elektrická rovnováha sa tak neustále narúša a obnovuje, čo znamená, že elektrina je neustále v pohybe.

Toto vysvetlenie Galvaniho skúseností je nesprávne, ale dalo Voltovi myšlienku vytvoriť zdroj jednosmerného prúdu - galvanickú batériu. A v roku 1800 Volta postavila prvú galvanickú batériu - Voltaický pól.

Voltaický stĺp pozostával z niekoľkých desiatok okrúhlych strieborných a zinkových platní naskladaných na sebe. Kartónové hrnčeky namočené v slanej vode boli umiestnené medzi pármi tanierov. Takéto zariadenie slúžilo ako zdroj trvalého elektrického prúdu.

Je zaujímavé, že Volta použil priame ľudské vnemy ako argument pre existenciu nepretržitého elektrického prúdu. Napísal, že ak sú vonkajšie platne uzavreté cez ľudské telo, potom najprv, ako v prípade Leydenskej nádoby, človek zažije šok a pocit brnenia. Potom je tu pocit neustáleho pálenia, „ktorý nielenže neustupuje, ale stáva sa silnejším a silnejším, čoskoro sa stane neznesiteľným, až kým sa reťaz neotvorí“.

Vynález voltaického stĺpa, prvého zdroja jednosmerného prúdu, mal veľký význam pre rozvoj doktríny elektriny a magnetizmu. Pokiaľ ide o vysvetlenie činnosti tohto zariadenia Volta, bolo chybné. Čoskoro si to všimli niektorí vedci.

Podľa Voltovej teórie sa totiž ukázalo, že na galvanickom prvku počas jeho činnosti nedochádza k žiadnym zmenám. Elektrický prúd preteká drôtom, ohrieva ho, môže nabíjať Leydenskú nádobu atď., ale samotný galvanický článok zostáva nezmenený. Takéto zariadenie nie je nič iné ako stroj na večný pohyb, ktorý bez toho, aby sa menil, spôsobuje zmenu okolitých telies, vrátane mechanickej práce.

Do konca 18. stor. Medzi vedcami je už rozšírený názor o nemožnosti existencie perpetum mobile. Preto mnohí z nich odmietli teóriu pôsobenia galvanického prvku, ktorý vymyslel Volta.

Na rozdiel od Voltovej teórie bola navrhnutá chemická teória galvanického prvku. Čoskoro po jeho vynáleze sa zistilo, že chemické reakcie prebiehajú v galvanickom článku, do ktorého vstupujú kovy a kvapaliny. Správna chemická teória pôsobenia galvanického prvku nahradila Voltovu teóriu.

Po objavení voltaického stĺpa začali vedci z rôznych krajín skúmať účinky elektrického prúdu. Zároveň bol vylepšený aj samotný galvanický prvok. Už Volta spolu so „stĺpikom“ začala používať pohodlnejšiu pohárovú batériu galvanických článkov. Aby študovali účinky elektrického prúdu, začali stavať batérie s ďalšími a ďalšími prvkami.

Najväčšia batéria na samom začiatku 19. storočia. postavil ruský fyzik Vasilij Vladimirovič Petrov v Petrohrade. Jeho batéria pozostávala zo 4200 zinkových a medených kruhov. Hrnčeky sa umiestnili vodorovne do škatule a oddelili sa papierovými rozperami namočenými v amoniaku.

Prvé kroky v štúdiu elektrického prúdu súvisiace s jeho chemickými účinkami. Už v tom istom roku, v ktorom Volta vynašiel galvanickú batériu, bola objavená vlastnosť elektrického prúdu rozkladať vodu. Následne boli roztoky niektorých solí rozložené elektrickým prúdom. V roku 1807 objavil anglický chemik Davy elektrolýzou žieravých alkalických tavenín nové prvky: draslík a sodík.

Štúdium chemického účinku prúdu a objasnenie chemických procesov vyskytujúcich sa v galvanických článkoch viedlo vedcov k vypracovaniu teórie prechodu elektrického prúdu cez elektrolyty.

Po štúdiu chemických účinkov prúdu sa vedci obrátili na jeho tepelné a optické účinky. Najzaujímavejší výsledok týchto štúdií bol na samom začiatku 19. storočia. bol objav elektrického oblúka Petrovom.

Na objav, ktorý urobil Petrov, sa zabudlo. Mnohí, najmä zahraniční vedci o ňom nevedeli, pretože Petrovova kniha bola napísaná v ruštine. Preto, keď Davy v roku 1812 znovu objavil elektrický oblúk, bol považovaný za autora tohto objavu.

Najdôležitejšou udalosťou, ktorá čoskoro viedla k novým predstavám o elektrických a magnetických javoch, bol objav magnetického pôsobenia elektrického prúdu.

2. Elektrostatika

Elektrostatika je časť elektrodynamiky, ktorá študuje stacionárne elektrické náboje.

Nabíjačka

Častice, ktoré na seba vzájomne pôsobia silami, ktoré sa s rastúcou vzdialenosťou zmenšujú rovnakým spôsobom ako sily univerzálnej gravitácie, ale mnohonásobne prevyšujú gravitačné sily, potom sa o týchto časticiach hovorí, že majú elektrický náboj. Existujú častice bez elektrického náboja, ale elektrický náboj bez častice neexistuje. Interakcia medzi nabitými časticami sa nazýva elektromagnetická. Prítomnosť elektrického náboja na časticiach znamená existenciu určitých silových interakcií medzi nimi. Vo voľnom stave môžu neobmedzene dlho existovať iba elektróny a protóny. Ak má elementárna častica náboj, potom je jej hodnota presne definovaná.

Nabité telá

Elektromagnetické sily hrajú v prírode obrovskú úlohu vďaka tomu, že všetky telesá obsahujú elektricky nabité častice. Pôsobenie elektromagnetických síl medzi telesami sa nezisťuje, pretože telesá v normálnom stave sú elektricky neutrálne. Kladne a záporne nabité častice sú navzájom spojené elektrickými silami a tvoria neutrálne systémy.

Makroskopické teleso je elektricky nabité, ak obsahuje nadbytočné množstvo elementárnych častíc s jedným znakom náboja.

Aby bolo možné teleso zelektrizovať, je potrebné oddeliť časť záporného náboja od kladného náboja, ktorý je s ním spojený. To sa dá dosiahnuť pomocou trenia.

Zákon zachovania elektrického náboja

Keď sú telesá elektrifikované, je splnený zákon zachovania elektrického náboja. Tento zákon platí pre uzavretý systém. Platnosť zákona zachovania elektrického náboja potvrdzujú pozorovania obrovského množstva premien elementárnych častíc.

Coulombov zákon

Základným zákonom elektrostatiky je experimentálne stanovený zákon francúzskeho fyzika Charlesa Coulomba z roku 1785. XVIII.

Príbeh jeho objavenia sa však začína už skôr. Tento príbeh ukazuje jeden zo spôsobov, akým sa fyzika vyvíja – spôsob použitia analógie. Epinus už uhádol, že sila interakcie medzi elektrickými nábojmi je nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti medzi nimi. A tento odhad vznikol na základe nejakej analógie medzi gravitačnými silami a elektrickými silami. Ale analógia nie je dôkazom. Záver z analógie si vždy vyžaduje overenie. Spoliehanie sa len na analógiu môže viesť k nesprávnym výsledkom. Epinus neoveril platnosť tohto prirovnania, a preto bol jeho výrok iba špekulatívny.

Na bodové poplatky sa vzťahuje Coulombov zákon. Bodové náboje sú veľkosti telies, ktoré sú mnohokrát menšie ako vzdialenosť medzi nimi. Interakčné sily medzi dvoma stacionárnymi bodovo nabitými telesami vo vákuu sú priamo úmerné súčinu nábojových modulov a nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi.

Pomocou torzných váh bolo možné navzájom ustanoviť stacionárne nabité telesá. Coulomb našiel jednoduchý spôsob, ako zmeniť náboj jednej z loptičiek 2, 4 alebo viackrát jej spojením s rovnakou nenabitou loptou. V tomto prípade je náboj rozdelený rovnomerne medzi guľôčky, čo v určitom pomere znížilo skúmaný náboj.

Jeden Coulomb je náboj prechádzajúci prierezom vodiča pri sile prúdu jeden ampér za jednu sekundu.

Elektrické pole

Po objavení Coulombovho zákona teória pôsobenia na veľké vzdialenosti úplne nahrádza teóriu pôsobenia na krátku vzdialenosť. A to až v 19. storočí. Faraday oživuje teóriu akcie na krátku vzdialenosť. Jeho všeobecné uznanie však začína v druhej polovici 19. storočia, po experimentálnom dôkaze Maxwellovej teórie.

Podľa Faradayovej myšlienky na seba elektrické náboje nepôsobia priamo. Každý z nich vytvára v okolitom priestore elektrické pole. Pole jedného náboja pôsobí na iný náboj a naopak. Keď sa vzdialite od náboja, pole slabne.

Úspech v teórii interakcie krátkeho dosahu prišiel po štúdiu elektronických interakcií pohybujúcich sa nabitých častíc. Najprv sa dokázala existencia časovo premenných polí a až potom sa urobil záver o realite elektrického poľa stacionárnych nábojov. Na základe Faradayových predstáv sa Maxwellovi podarilo teoreticky dokázať, že elektromagnetické interakcie sa musia vo vesmíre šíriť konečnou rýchlosťou. To znamená, že ak mierne pohnete jedným nábojom, sila pôsobiaca na druhý náboj sa zmení, ale nie v rovnakom okamihu, ale až po určitom čase.

Existencia určitého procesu v priestore medzi interagujúcimi telesami, ktorý je rozdelený konečným časom, je hlavnou vecou, ​​ktorá odlišuje teóriu pôsobenia na krátku vzdialenosť od teórie pôsobenia na diaľku. Hlavnou vlastnosťou elektrického poľa je jeho pôsobenie na elektrické náboje určitou silou. Elektrické pole stacionárnych nábojov sa nazýva elektrostatické. Časom sa to nemení. Elektrostatické pole vzniká iba elektrickým nábojom. Existuje v priestore obklopujúcom tieto náboje a je s nimi neoddeliteľne spojený.

Podľa teórie interakcie krátkeho dosahu sa interakcia medzi nabitými časticami uskutočňuje prostredníctvom elektrického poľa.

Elektrické pole je špeciálna forma hmoty, ktorá existuje bez ohľadu na naše predstavy o nej. Dôkazom reálnosti elektrického poľa je konečná rýchlosť šírenia elektromagnetických interakcií.

Intenzita elektrického poľa

Elektrické pole je detekované silami pôsobiacimi na náboj. Ak budete striedavo umiestňovať malé nabité telesá do toho istého bodu poľa a merať sily, zistíte, že sila pôsobiaca na náboj z poľa je priamo úmerná tomuto náboju. Pomer sily pôsobiacej na náboj umiestnený v danom bode poľa k tomuto náboju pre každý bod v poli nezávisí od náboja a možno ho považovať za charakteristiku poľa. Táto charakteristika sa nazýva intenzita elektrického poľa. Podobne ako sila, aj sila poľa je vektorová veličina. Intenzita poľa sa rovná pomeru sily, ktorou pole pôsobí na bodový náboj, k tomuto náboju.

Elektrické siločiary

Elektrické pole je pre ľudské oko neviditeľné. Napriek tomu je možné zviditeľniť rozloženie poľa v priestore. Spojité čiary, ktorých dotyčnice v každom bode, ktorým prechádzajú, sa zhodujú s vektormi napätia. Tieto čiary sa nazývajú elektrické siločiary alebo ťahové čiary. Elektrické pole, ktorého sila je vo všetkých bodoch priestoru rovnaká, sa nazýva homogénne.

3. DC zákony

Elektrina

Keď sa nabité častice pohybujú vo vodiči, prenášajú sa z jedného miesta na druhé. Ak nabité častice podliehajú náhodnému tepelnému pohybu, ako sú voľné elektróny v kove, potom k prenosu náboja nedochádza. Elektrický náboj sa pohybuje prierezom vodiča iba vtedy, ak sa okrem náhodného pohybu zúčastňujú aj elektróny na usporiadanom pohybe. V tomto prípade hovoria, že vo vodiči je vytvorený elektrický prúd.

Elektrický prúd je usporiadaný pohyb nabitých častíc. Elektrický prúd vzniká usporiadaným pohybom voľných elektrónov alebo iónov. Elektrický prúd má určitý smer. Smer prúdu sa považuje za smer pohybu kladne nabitých častíc. Ak je prúd tvorený pohybom záporne nabitých častíc, potom sa smer prúdu považuje za opačný ako smer pohybu častíc.

Elektrický prúd existuje v dôsledku akcií alebo javov, ktoré ho sprevádzajú:

a) vodič, ktorým preteká prúd, sa zahrieva

b) elektrický prúd môže zmeniť chemické zloženie vodiča

c) prúd ukazuje silový účinok na susedné prúdy a zmagnetizované telesá

Magnetický účinok prúdu, na rozdiel od chemického a tepelného, ​​je hlavný.

Ak je v obvode vytvorený elektrický prúd, znamená to, že elektrický náboj sa neustále prenáša cez prierez vodiča. Náboj prenesený za jednotku času slúži ako hlavná kvantitatívna charakteristika prúdu, nazývaná sila prúdu.

Intenzita prúdu sa rovná pomeru náboja preneseného cez prierez vodiča počas časového intervalu k tomuto časovému intervalu. Ak sa sila prúdu v priebehu času nemení, potom sa prúd nazýva konštantný. Sila prúdu je skalárna veličina. Môže byť negatívny aj pozitívny. Sila prúdu závisí od náboja neseného každou časticou, koncentrácie častíc, rýchlosti ich smerového pohybu a plochy prierezu vodiča. Prúdová sila je vyjadrená v ampéroch. Táto jednotka je vytvorená na základe magnetickej interakcie prúdov. Sila prúdu sa meria pomocou ampérmetrov. Rýchlosť usporiadaného pohybu elektrónov je veľmi nízka (asi 0,1 mm/s). Prúdová sila je hlavnou kvantitatívnou charakteristikou elektrického prúdu.

Pre existenciu a výskyt konštantného elektrického prúdu v látke je potrebná prítomnosť voľných nabitých častíc. Na vytvorenie a udržanie usporiadaného pohybu nabitých častíc je potrebná sila, ktorá na ne pôsobí v určitom smere. Typicky je to elektrické pole vo vnútri vodiča, ktoré spôsobuje a udržiava usporiadaný pohyb nabitých častíc. Ak je vo vodiči elektrické pole, potom existuje potenciálny rozdiel medzi koncami vodiča. Keď sa potenciálny rozdiel v priebehu času nemení, vo vodiči sa vytvorí konštantný elektrický prúd.

Ohmov zákon pre časť obvodu

Pre každý vodič existuje určitá závislosť sily prúdu od použitého rozdielu potenciálov na koncoch vodiča. Táto závislosť je vyjadrená prúdovo-napäťovou charakteristikou vodiča.

Zisťuje sa meraním prúdu vo vodiči pri rôznych hodnotách napätia. Najjednoduchšou formou je charakteristika prúdového napätia pre kovové vodiče a roztoky elektrolytov. Charakteristiku prúdového napätia pre kovy po prvýkrát stanovil nemecký vedec Georg Ohm.

Podľa Ohmovho zákona je pre časť obvodu sila prúdu priamo úmerná použitému napätiu a nepriamo úmerná odporu vodiča.

Hlavnou elektrickou charakteristikou vodiča je odpor. Od tejto hodnoty závisí sila prúdu vo vodiči pri danom napätí. Odpor vodiča je miera odporu vodiča voči vzniku elektrického prúdu v ňom. Odpor závisí od materiálu vodiča a jeho geometrických rozmerov. Odpor sa numericky rovná odporu vodiča v tvare kocky s hranou jedného metra, ak prúd smeruje pozdĺž normály na dve protiľahlé strany kocky. Jednotka odporu vodiča na základe Ohmovho zákona sa nazýva ohm. Jednotkou odporu je Ohm * m, ktorý nám umožňuje určiť odpor vodiča.

Meranie prúdu

Na meranie prúdu vo vodiči je ampérmeter zapojený do série s týmto vodičom. Ak pripojíte ampérmeter do zásuvky, dôjde ku skratu.

Na meranie napätia na úseku obvodu s odporom je k nemu paralelne pripojený voltmeter. Napätie na voltmetri sa zhoduje s napätím na časti obvodu.

Pri usporiadanom pohybe nabitých častíc vo vodiči koná elektrické pole prácu, ktorá sa zvyčajne nazýva práca prúdu. Práca vykonaná prúdom na časti obvodu sa rovná súčinu prúdu, napätia a času, počas ktorého bola práca vykonaná.

Akékoľvek elektrické zariadenie je navrhnuté tak, aby spotrebovalo určitú energiu za jednotku času. Preto je spolu s prácou prúdu veľmi dôležitý koncept súčasnej moci.

Aktuálny výkon sa rovná pomeru aktuálnej práce v čase k tomuto časovému intervalu.

Elektrické pole nabitých častíc nie je schopné udržať konštantný prúd v obvode. Akékoľvek sily pôsobiace na elektricky nabité častice, s výnimkou síl elektrostatického pôvodu, sa nazývajú vonkajšie sily.

Keď je obvod uzavretý, vo všetkých vodičoch obvodu vzniká elektrické pole. Vo vnútri zdroja prúdu sa náboje pohybujú pod vplyvom vonkajších síl proti Coulombovým silám a vo zvyšku obvodu sú poháňané elektrickým poľom.

Pôsobenie vonkajších síl charakterizuje dôležitá fyzikálna veličina nazývaná elektromotorická sila. Elektromotorická sila v uzavretej slučke je pomer práce vykonanej vonkajšími silami pri pohybe náboja pozdĺž slučky k náboju. Elektromotorická sila galvanického článku je práca vykonaná vonkajšími silami pri pohybe jediného kladného náboja vo vnútri prvku z jedného pólu na druhý. Prácu vonkajších síl nemožno vyjadriť rozdielom potenciálov, pretože vonkajšie sily sú nepotencionálne a ich práca závisí od tvaru trajektórie. Jednosmerný prúd nemôže existovať v uzavretom okruhu, pokiaľ v ňom nepôsobia vonkajšie sily.

Joule-Lenzov zákon

Joule-Lenzov zákon je zákon, ktorý určuje množstvo tepla, ktoré vodič s prúdom uvoľní do okolia.

Jouleov-Lenzov zákon je formulovaný nasledovne: množstvo tepla uvoľneného vodičom prenášajúcim prúd sa rovná súčinu druhej mocniny sily prúdu, odporu vodiča a času, keď prúd prechádza vodičom.

Ohmov zákon pre úplný obvod

Odpor zdroja sa často nazýva vnútorný odpor na rozdiel od vonkajšieho odporu obvodu. Ohmov zákon pre uzavretý obvod sa týka prúdu v obvode, emf a celkového odporu obvodu. Túto súvislosť možno teoreticky zistiť, ak použijeme zákon zachovania energie a Joule-Lenzov zákon. Súčin prúdu a odporu časti obvodu sa nazýva pokles napätia v tejto časti. EMF sa teda rovná súčtu poklesov napätia vo vnútorných a vonkajších častiach uzavretého okruhu.

Intenzita prúdu v úplnom obvode sa rovná pomeru emf obvodu k jeho celkovému odporu. Sila prúdu závisí od troch veličín: EMF, odpor vonkajšej a vnútornej časti obvodu. Vnútorný odpor zdroja prúdu nemá výrazný vplyv na silu prúdu, ak je malý v porovnaní s odporom vonkajšej časti obvodu.

Záver

elektrodynamický odpor vodiča

Po zvážení všetkého vyššie uvedeného vidíme, že zákony elektrodynamiky závisia hlavne na sebe a na objavenie nového zákona musíme zvážiť a skontrolovať všetky zákony takmer od samého začiatku. Tiež chápeme, že v našej dobe nemôžeme žiť bez všetkých týchto zákonov, takpovediac. Uplatňujú sa všade. Každý človek má svoje vlastné magnetické pole. No okrem vedcov sa nikto nezamýšľa nad tým, že keby sa toto všetko nestalo, ľudia by sa zastavili na prvých fázach vývoja.

Cieľ stanovený pre prácu, považovať jeden z hlavných odborov fyziky – elektrodynamiku, možno povedať, že je splnený a každý, kto si ho prečíta, pochopí dôležitosť a podstatu fyziky vo všeobecnosti a každého zákona resp. každý objav samostatne.

Uverejnené na Allbest.ru

...

Podobné dokumenty

Elementárny elektrický náboj. Zákon zachovania elektrického náboja. Intenzita elektrického poľa. Sila poľa bodového náboja. siločiary; Energia interakcie sústavy nábojov. Cirkulácia sily poľa.

prezentácia, pridané 23.10.2013


Nabíjačka. Interakcia nabitých telies. Coulombov zákon. Zákon zachovania náboja. Elektrické pole. Intenzita elektrického poľa. Elektrické pole bodového náboja. Princíp superpozície polí. Elektromagnetická indukcia. Magnetický tok.

tréningový manuál, pridaný 02.06.2009


Pojem elektrického náboja, jeho merná jednotka. Zákon zachovania algebraického súčtu nábojov v uzavretom systéme. Prerozdelenie nábojov medzi telesami pri ich elektrifikácii. Vlastnosti interakcie náboja. Základné vlastnosti elektrického poľa.

prezentácia, pridané 02.07.2015


Základné pojmy a špeciálne úseky elektrodynamiky. Podmienky existencie elektrického prúdu, výpočet jeho práce a výkonu. Ohmov zákon pre jednosmerný a striedavý prúd. Prúdovo-napäťové charakteristiky kovov, elektrolytov, plynov a vákuovej diódy.

prezentácia, pridaná 30.11.2013


Koncepcia elektrického obvodu a elektrického prúdu. Čo je elektrická vodivosť a odpor, definícia jednotky elektrického náboja. Základné prvky obvodu, paralelné a sériové zapojenia. Prístroje na meranie prúdu a napätia.

prezentácia, pridané 22.03.2011


Elektromagnetické pole. Maxwellov systém diferenciálnych rovníc. Distribúcia potenciálu elektrického poľa. Rozloženie zložiek potenciálu a intenzity elektrického poľa a vykresľovanie grafov pre každú vzdialenosť. Coulombov zákon.

kurzová práca, pridané 05.12.2016


Zákon zachovania elektrického náboja. Interakcia elektrických nábojov vo vákuu, Coulombov zákon. Sčítanie elektrostatických polí, princíp superpozície. Elektrostatické pole dipólu, interakcia dipólov. Intenzita elektrostatického poľa.

prezentácia, pridané 13.02.2016


Intenzita elektrického poľa pre rovnomerné elektrické pole a bodové náboje. Vektorový tok napätia. Gaussov zákon v integrálnej forme, jeho aplikácia na polia vytvorené telesami s geometrickou symetriou.

prezentácia, pridané 19.03.2013


Elektrický náboj a zákon jeho zachovania vo fyzike, určenie intenzity elektrického poľa. Správanie sa vodičov a dielektrík v elektrickom poli. Vlastnosti magnetického poľa, pohyb náboja v ňom. Jadrový model atómu a reakcie s ním spojené.

test, pridaný 14.12.2009


Práca síl elektrického poľa pri pohybe náboja. Cirkulácia vektora intenzity elektrického poľa. Potenciál poľa bodového náboja a sústava nábojov. Vzťah medzi silou elektrického poľa a potenciálom. Ekvipotenciálne plochy.

Definícia 1

Elektrodynamika je obrovská a dôležitá oblasť fyziky, ktorá študuje klasické, nekvantové vlastnosti elektromagnetického poľa a pohyb kladne nabitých magnetických nábojov, ktoré spolu interagujú pomocou tohto poľa.

Obrázok 1. Stručne o elektrodynamike. Author24 - online výmena študentských prác

Elektrodynamika sa javí ako široká škála rôznych formulácií problémov a ich inteligentných riešení, približných metód a špeciálnych prípadov, ktoré sú spojené do jedného celku všeobecnými počiatočnými zákonmi a rovnicami. Posledne menované, ktoré tvoria hlavnú časť klasickej elektrodynamiky, sú podrobne uvedené v Maxwellových vzorcoch. V súčasnosti vedci pokračujú v štúdiu princípov tejto oblasti vo fyzike, kostry jej konštrukcie, vzťahov s inými vedeckými oblasťami.

Coulombov zákon v elektrodynamike označujeme takto: $F= \frac (kq1q2) (r2)$, kde $k= \frac (9 \cdot 10 (H \cdot m)) (Kl)$. Rovnica intenzity elektrického poľa je napísaná takto: $E= \frac (F)(q)$ a tok vektora indukcie magnetického poľa $∆Ф=В∆S \cos (a)$.

V elektrodynamike sa primárne študujú voľné náboje a systémy nábojov, ktoré prispievajú k aktivácii spojitého energetického spektra. Klasický popis elektromagnetickej interakcie je uprednostňovaný tým, že je účinný už v nízkoenergetickej hranici, kedy je energetický potenciál častíc a fotónov malý v porovnaní s pokojovou energiou elektrónu.

V takýchto situáciách často nedochádza k anihilácii nabitých častíc, pretože dochádza len k postupnej zmene stavu ich nestabilného pohybu v dôsledku výmeny veľkého počtu nízkoenergetických fotónov.

Poznámka 1

Avšak aj pri vysokých energiách častíc v prostredí, napriek významnej úlohe fluktuácií, možno elektrodynamiku úspešne využiť na komplexný popis štatisticky priemerných, makroskopických charakteristík a procesov.

Základné rovnice elektrodynamiky

Hlavnými vzorcami, ktoré opisujú správanie elektromagnetického poľa a jeho priamu interakciu s nabitými telesami, sú Maxwellove rovnice, ktoré určujú pravdepodobné pôsobenie voľného elektromagnetického poľa v médiu a vákuu, ako aj všeobecnú tvorbu poľa zdrojmi.

Medzi týmito ustanoveniami vo fyzike je možné zdôrazniť:

• Gaussova veta pre elektrické pole – určená na určenie generovania elektrostatického poľa kladnými nábojmi;
• hypotéza uzavretých siločiar – podporuje interakciu procesov v rámci samotného magnetického poľa;
• Faradayov zákon indukcie – zakladá vznik elektrických a magnetických polí premenlivými vlastnosťami prostredia.

Vo všeobecnosti je Ampere-Maxwellova veta unikátnou myšlienkou o cirkulácii čiar v magnetickom poli s postupným pridávaním posuvných prúdov zavedených samotným Maxwellom, ktorá presne určuje transformáciu magnetického poľa pohybom nábojov a striedavým pôsobením elektrické pole.

Náboj a sila v elektrodynamike

V elektrodynamike interakcia sily a náboja elektromagnetického poľa vychádza z nasledujúcej spoločnej definície elektrického náboja $q$, energie $E$ a magnetických polí $B$, ktoré sú ustanovené ako základný fyzikálny zákon založený na celom súbor experimentálnych údajov. Vzorec pre Lorentzovu silu (v rámci idealizácie bodového náboja pohybujúceho sa určitou rýchlosťou) je napísaný s nahradením rýchlosti $v$.

Vodiče často obsahujú veľké množstvo nábojov, preto sú tieto náboje pomerne dobre kompenzované: počet kladných a záporných nábojov je vždy rovnaký. V dôsledku toho je celková elektrická sila, ktorá neustále pôsobí na vodič, tiež nulová. Magnetické sily pôsobiace na jednotlivé náboje vo vodiči v konečnom dôsledku nie sú kompenzované, pretože v prítomnosti prúdu sú rýchlosti pohybu nábojov vždy odlišné. Rovnicu pre pôsobenie vodiča s prúdom v magnetickom poli možno napísať takto: $G = |v ⃗ |s \cos(a) $

Ak neštudujeme kvapalinu, ale plný a stabilný tok nabitých častíc ako prúd, potom celý energetický potenciál prechádzajúci lineárne cez oblasť po dobu $1s$ bude mať silu prúdu rovnajúcu sa: $I = ρ| \vec (v) |s \cos(a) $, kde $ρ$ je hustota náboja (na jednotku objemu v celkovom prietoku).

Poznámka 2

Ak sa magnetické a elektrické pole systematicky mení z bodu na bod na konkrétnom mieste, potom vo výrazoch a vzorcoch pre čiastkové toky, ako v prípade kvapaliny, priemerné hodnoty $E ⃗ $ a $B ⃗$ na musí byť zadaná lokalita.

Osobitné postavenie elektrodynamiky vo fyzike

Významné postavenie elektrodynamiky v modernej vede možno potvrdiť prostredníctvom slávneho diela A. Einsteina, v ktorom boli podrobne načrtnuté princípy a základy špeciálnej teórie relativity. Vedecká práca vynikajúceho vedca sa nazýva „O elektrodynamike pohybujúcich sa telies“ a obsahuje obrovské množstvo dôležitých rovníc a definícií.

Ako samostatná oblasť fyziky pozostáva elektrodynamika z nasledujúcich sekcií:

• náuka o poli stacionárnych, ale elektricky nabitých fyzických telies a častíc;
• náuka o vlastnostiach elektrického prúdu;
• doktrína interakcie magnetického poľa a elektromagnetickej indukcie;
• štúdium elektromagnetických vĺn a oscilácií.

Všetky vyššie uvedené časti spája do jedného teorém D. Maxwella, ktorý nielenže vytvoril a predložil ucelenú teóriu elektromagnetického poľa, ale opísal aj všetky jeho vlastnosti, dokazujúce jeho skutočnú existenciu. Práca tohto konkrétneho vedca ukázala vedeckému svetu, že v tom čase známe elektrické a magnetické polia sú len prejavom jediného elektromagnetického poľa pôsobiaceho v rôznych referenčných systémoch.

Významná časť fyziky je venovaná štúdiu elektrodynamiky a elektromagnetických javov. Táto oblasť si do značnej miery robí nárok na štatút samostatnej vedy, pretože nielenže skúma všetky vzorce elektromagnetických interakcií, ale ich aj podrobne popisuje prostredníctvom matematických vzorcov. Hlboký a dlhodobý výskum v elektrodynamike otvoril nové cesty využitia elektromagnetických javov v praxi, v prospech celého ľudstva.

Elektrodynamika- odvetvie fyziky, ktoré študuje elektromagnetické pole v najvšeobecnejšom prípade (to znamená, že sa uvažuje o časovo závislých premenných poliach) a jeho interakcii s telesami, ktoré majú elektrický náboj (elektromagnetická interakcia). Do predmetu elektrodynamika patrí súvislosť medzi elektrickými a magnetickými javmi, elektromagnetické žiarenie (v rôznych podmienkach, voľné aj v rôznych prípadoch interakcie s hmotou), elektrický prúd (všeobecne povedané premenlivý) a jeho interakcia s elektromagnetickým poľom (elektrický prúd). možno považovať, keď je to ako súbor pohybujúcich sa nabitých častíc). Akákoľvek elektrická a magnetická interakcia medzi nabitými telesami sa v modernej fyzike považuje za prebiehajúcu prostredníctvom elektromagnetického poľa, a preto je tiež predmetom elektrodynamiky.

Pod pojmom elektrodynamika sa najčastejšie rozumie klasická (neovplyvňujúca kvantové efekty) elektrodynamika; Na označenie modernej kvantovej teórie elektromagnetického poľa a jeho interakcie s nabitými časticami sa zvyčajne používa stabilný pojem kvantová elektrodynamika.

Úseky elektrodynamiky

Základné pojmy a zákony elektrostatiky

Elektrostatika- časť štúdia elektriny, ktorá študuje interakciu stacionárnych elektrických nábojov.

Medzi podobne nabitými telesami dochádza k elektrostatickému (alebo Coulombovskému) odpudzovaniu a medzi opačne nabitými telesami dochádza k elektrostatickej príťažlivosti. Fenomén odpudzovania podobných nábojov je základom vytvorenia elektroskopu - zariadenia na detekciu elektrických nábojov.

Coulombov zákon: sila interakcie medzi dvoma stacionárnymi bodovými nábojmi vo vákuu je priamo úmerná súčinu modulov náboja a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi:

Koeficient proporcionality k v tomto zákone sa rovná:

V SI sa koeficient k zapisuje ako

kde ε0 = 8,85·10−12 F/m (elektrická konštanta).

Intenzita elektrického poľa

Bodové náboje sú také náboje, ktorých vzdialenosti sú oveľa väčšie ako ich veľkosť.

Elektrické náboje sa navzájom ovplyvňujú pomocou elektrického poľa. Na kvalitatívny opis elektrického poľa sa používa silová charakteristika, ktorá sa nazýva intenzita elektrického poľa Sila elektrického poľa sa rovná pomeru sily pôsobiacej na skúšobný náboj umiestnený v určitom bode poľa k veľkosti. tento poplatok:

Smer vektora napätia sa zhoduje so smerom sily pôsobiacej na kladný testovací náboj. [E] = B/m. Z Coulombovho zákona a definície intenzity poľa vyplýva, že intenzita poľa bodového náboja sa rovná

kde q je náboj vytvárajúci pole; r je vzdialenosť od bodu, kde sa nachádza náboj, po bod, kde je vytvorené pole. Ak elektrické pole nie je vytvorené jedným, ale niekoľkými nábojmi, potom na zistenie sily výsledného poľa sa používa princíp superpozície elektrických polí: sila výsledného poľa sa rovná vektorovému súčtu poľa. sily vytvorené každým zo zdrojových nábojov samostatne:

DIV_ADBLOCK233">

Nájdime prácu pohybu kladného náboja Coulombovými silami v rovnomernom elektrickom poli. Nechajte pole presunúť náboj q z bodu 1 do bodu 2:

https://pandia.ru/text/78/189/images/image005_142.jpg" width="175" height="31 id=">

Z toho vyplýva, že:

DIV_ADBLOCK234">

Ohmov zákon pre časť obvodu má tvar:

Koeficient úmernosti R, nazývaný elektrický odpor, je charakteristikou vodiča [R] = Ohm. Odpor vodiča závisí od jeho geometrie a materiálových vlastností.

kde l je dĺžka vodiča, ρ je rezistivita, S je plocha prierezu. ρ je charakteristika materiálu a jeho stavu. [ρ] = Ohm m.

Vodiče môžu byť zapojené do série. Odpor takéhoto spojenia sa zistí ako súčet odporov:

Pri paralelnom pripojení sa reciproká hodnota odporu rovná súčtu inverzných odporov:

Aby elektrický prúd prúdil v obvode dlhú dobu, musí obvod obsahovať zdroje prúdu. Prúdové zdroje sú kvantitatívne charakterizované svojou elektromotorickou silou (EMF). Toto je pomer práce vykonanej vonkajšími silami pri prenose elektrického náboja cez uzavretý okruh k množstvu preneseného náboja:

Ak je záťažový odpor R pripojený na svorky zdroja prúdu, potom vo výslednom uzavretom okruhu bude prúdiť prúd, ktorého silu možno vypočítať pomocou vzorca:

Tento vzťah sa nazýva Ohmov zákon pre úplný obvod.

Elektrický prúd prechádzajúci vodičmi ich zahrieva a vykonáva prácu:

kde t je čas, I je sila prúdu, U je potenciálny rozdiel, q je odovzdaný náboj.

Základné pojmy a zákony magnetostatiky

Charakteristikou magnetického poľa je magnetická indukcia B. Keďže ide o vektor, treba určiť smer tohto vektora aj jeho veľkosť. Smer vektora magnetickej indukcie je spojený s orientačným účinkom magnetického poľa na magnetickú ihlu. Smer vektora magnetickej indukcie sa považuje za smer od južného pólu S k severnému pólu N magnetickej ihly, ktorá je voľne umiestnená v magnetickom poli.

Smer vektora magnetickej indukcie priameho vodiča, ktorým prúdi prúd, možno určiť pomocou pravidla gimlet: ak sa smer translačného pohybu klinca zhoduje so smerom prúdu vo vodiči, potom smer otáčania gimletu rukoväť sa zhoduje so smerom vektora magnetickej indukcie.

Veľkosť vektora magnetickej indukcie je pomer maximálnej sily pôsobiacej z magnetického poľa na úsek vodiča, ktorým prechádza prúd, k súčinu sily prúdu a dĺžky tohto úseku:

Jednotka magnetickej indukcie sa nazýva tesla (1 Tesla).

Magnetický tok Φ cez obrysový povrch oblasti S je množstvo, ktoré sa rovná súčinu veľkosti vektora magnetickej indukcie plochou tohto povrchu a kosínusu uhla medzi vektorom magnetickej indukcie B a normálou k povrch n:

Jednotkou magnetického toku je weber (1 Wb).

Na vodič s prúdom umiestnený v magnetickom poli pôsobí ampérová sila.

Amperov zákon:

Na úsek vodiča s prúdom sily I a dĺžky l, umiestnený v rovnomernom magnetickom poli s indukciou B, pôsobí sila, ktorej modul sa rovná súčinu modulu vektora magnetickej indukcie a sily prúdu, dĺžkou úseku vodiča umiestneného v magnetickom poli a sínusom uhla medzi smerom vektora B a vodičom s prúdom:

Smer ampérovej sily sa určuje pomocou pravidla ľavej ruky:

ak je ľavá ruka umiestnená tak, že zložka vektora magnetickej indukcie kolmá na vodič vstupuje do dlane a štyri vystreté prsty ukazujú smer prúdu, potom palec ohnutý o 90◦ bude ukazovať smer ampérovej sily.

Elektrický náboj pohybujúci sa v magnetickom poli je ovplyvnený o Lorentzova sila. Lorentzov modul sily sa rovná súčinu modulu náboja a modulu vektora magnetickej indukcie a sínusu uhla medzi vektorom magnetickej indukcie a vektorom rýchlosti pohybujúceho sa náboja:

DIV_ADBLOCK237">

kde L je indukčnosť vodiča vytvárajúceho pole; I je prúd pretekajúci týmto vodičom.

Elektromagnetické kmity a vlny

Oscilačný obvod je elektrický obvod pozostávajúci z kondenzátora s kapacitou C a cievky s indukčnosťou L zapojených do série (pozri obrázok).

DEFINÍCIA

Elektromagnetické pole- ide o druh hmoty, ktorá sa prejavuje interakciou nabitých telies.

Elektrodynamika pre figuríny

Elektromagnetické pole sa často delí na elektrické a magnetické pole. Vlastnosti elektromagnetických polí a princípy ich vzájomného pôsobenia študuje špeciálny odbor fyziky nazývaný elektrodynamika. V samotnej elektrodynamike sa rozlišujú tieto časti:

1. elektrostatika;
2. magnetostatika;
3. elektrodynamika kontinua;
4. relativistická elektrodynamika.

Elektrodynamika je základom pre štúdium a rozvoj optiky (ako vedného odboru) a fyziky rádiových vĺn. Tento vedný odbor je základom pre rádiotechniku ​​a elektrotechniku.

Klasická elektrodynamika pri popise vlastností elektromagnetických polí a princípov ich interakcie využíva Maxwellov systém rovníc (v integrálnych alebo diferenciálnych formách), pričom ho dopĺňa systémom materiálových rovníc, okrajových a počiatočných podmienok. Podľa Maxwella existujú dva mechanizmy vzniku magnetického poľa. Ide o prítomnosť vodivých prúdov (pohyblivý elektrický náboj) a časovo premenlivého elektrického poľa (prítomnosť posuvných prúdov).

Maxwellove rovnice

Základné zákony klasickej elektrodynamiky (Maxwellov systém rovníc) sú výsledkom zovšeobecnenia experimentálnych údajov a stali sa kvintesenciou elektrodynamiky stacionárneho prostredia. Maxwellove rovnice sa delia na konštrukčné a materiálové. Štrukturálne rovnice sú písané v dvoch formách: integrálnej a diferenciálnej forme. Napíšme Maxwellove rovnice v diferenciálnom tvare (systém SI):

kde je vektor intenzity elektrického poľa; - vektor magnetickej indukcie.

kde je vektor intenzity magnetického poľa; - vektor dielektrického posunu; - vektor hustoty prúdu.

kde je hustota rozloženia elektrického náboja.

Maxwellove štruktúrne rovnice v diferenciálnej forme charakterizujú elektromagnetické pole v každom bode v priestore. Ak sú náboje a prúdy v priestore rozložené nepretržite, potom sú integrálne a diferenciálne formy Maxwellových rovníc ekvivalentné. Ak však existujú plochy diskontinuity, potom je integrálna forma zápisu Maxwellových rovníc všeobecnejšia. (Integrálnu formu zápisu Maxwellových rovníc nájdete v časti „Elektrodynamika“). Na dosiahnutie matematickej ekvivalencie integrálnych a diferenciálnych foriem Maxwellových rovníc je diferenciálny zápis doplnený o okrajové podmienky.

Z Maxwellových rovníc vyplýva, že striedavé magnetické pole generuje striedavé elektrické pole a naopak, to znamená, že tieto polia sú neoddeliteľné a tvoria jediné elektromagnetické pole. Zdrojmi elektrického poľa môžu byť buď elektrické náboje, alebo časovo premenné magnetické pole. Magnetické polia sú excitované pohyblivými elektrickými nábojmi (prúdmi) alebo striedavými elektrickými poľami. Maxwellove rovnice nie sú symetrické vzhľadom na elektrické a magnetické polia. Stáva sa to preto, že elektrické náboje existujú, ale magnetické náboje nie.

Materiálové rovnice

Maxwellov systém štruktúrnych rovníc je doplnený o materiálové rovnice, ktoré odrážajú vzťah vektorov s parametrami charakterizujúcimi elektrické a magnetické vlastnosti hmoty.

kde je relatívna dielektrická konštanta, je relatívna magnetická permeabilita, je špecifická elektrická vodivosť, je elektrická konštanta, je magnetická konštanta. Médium sa v tomto prípade považuje za izotropné, neferomagnetické, neferoelektrické.

Príklady riešenia problémov

PRÍKLAD 1

Cvičenie	Napíšte Maxwellov systém štruktúrnych rovníc pre stacionárne polia.
Riešenie	Ak hovoríme o stacionárnych poliach, potom máme na mysli, že: . Potom má Maxwellov systém rovníc tvar: Zdrojmi elektrického poľa sú v tomto prípade iba elektrické náboje. Zdrojmi magnetického poľa sú vodivé prúdy. V našom prípade sú elektrické a magnetické polia navzájom nezávislé. To umožňuje študovať oddelene konštantné elektrické pole a oddelené magnetické pole.

PRÍKLAD 2

Cvičenie	Zapíšte funkciu hustoty posuvného prúdu v závislosti od vzdialenosti od osi solenoidu (), ak sa magnetické pole solenoidu mení podľa zákona: . R je polomer solenoidu. Solenoid je priamy. Zvážte prípad, keď Nakreslite graf).
Riešenie	Ako základ pre riešenie problému používame rovnicu z Maxwellovho systému rovníc v integrálnom tvare: Definujme predpätý prúd ako: Nájdite parciálnu deriváciu pomocou danej závislosti B(t):

ZÁKLADY ELEKTRODYNAMIE. ELEKTROSTATIKA

ZÁKLADY ELEKTRODYNAMIE

Elektrodynamika- náuka o vlastnostiach elektromagnetického poľa.

Elektromagnetické pole- určený pohybom a interakciou nabitých častíc.

Prejav elektrického/magnetického poľa- toto je pôsobenie elektrických/magnetických síl:
1) trecie sily a elastické sily v makrokozme;
2) pôsobenie elektrických/magnetických síl v mikrokozme (atómová štruktúra, spájanie atómov do molekúl,
transformácia elementárnych častíc)

Objav elektrického/magnetického poľa- J. Maxwell.

ELEKTROSTATIKA

Odvetvie elektrodynamiky študuje elektricky nabité telesá v pokoji.

Elementárne častice môže mať email náboj, potom sa nazývajú nabité;
- interagujú navzájom silami, ktoré závisia od vzdialenosti medzi časticami,
ale mnohonásobne prevyšujú sily vzájomnej gravitácie (táto interakcia sa nazýva
elektromagnetické).

Email poplatok- fyzický hodnota určuje intenzitu elektrických/magnetických interakcií.
Existujú 2 znaky elektrických nábojov: kladné a záporné.
Častice s podobnými nábojmi sa odpudzujú a častice s odlišnými nábojmi sa priťahujú.
Protón má kladný náboj, elektrón záporný náboj a neutrón je elektricky neutrálny.

Základný poplatok- minimálny poplatok, ktorý nemožno rozdeliť.
Ako môžeme vysvetliť prítomnosť elektromagnetických síl v prírode?
- Všetky telesá obsahujú nabité častice.
V normálnom stave tela je el. neutrálny (keďže atóm je neutrálny) a elektrický/magnetický. právomoci sa neprejavujú.

Telo je nabité, ak má prebytok poplatkov akéhokoľvek znamenia:
negatívne nabité - ak je prebytok elektrónov;
kladne nabitý – ak je nedostatok elektrónov.

Elektrifikácia tiel- to je jeden zo spôsobov, ako získať nabité telesá napríklad kontaktom).
V tomto prípade sú obe telesá nabité a náboje majú opačné znamienko, ale rovnakú veľkosť.

Zákon zachovania elektrického náboja.

V uzavretom systéme zostáva algebraický súčet nábojov všetkých častíc nezmenený.
(... ale nie počet nabitých častíc, keďže dochádza k premenám elementárnych častíc).

Uzavretý systém

Systém častíc, do ktorých nabité častice nevstupujú zvonku a nevystupujú.

Coulombov zákon

Základný zákon elektrostatiky.

Sila vzájomného pôsobenia dvoch bodovo pevne nabitých telies vo vákuu je priamo úmerná
súčin nábojových modulov a je nepriamo úmerný druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi.

Kedy telesá sa považujú za bodové telesá? - ak je vzdialenosť medzi nimi mnohonásobne väčšia ako veľkosť telies.
Ak majú dve telesá elektrický náboj, potom interagujú podľa Coulombovho zákona.

Jednotka elektrického náboja
1C je náboj, ktorý pri prúde 1A prejde prierezom vodiča za 1 sekundu.
1 C je veľmi veľký náboj.
Elementárny náboj:

ELEKTRICKÉ POLE

Okolo je elektrický náboj, materiálne.
Hlavná vlastnosť elektrického poľa: pôsobenie sily na elektrický náboj, ktorý je do neho vložený.

Elektrostatické pole- pole stacionárneho elektrického náboja sa časom nemení.

Intenzita elektrického poľa.- kvantitatívne charakteristiky el. poliach.
je pomer sily, ktorou pole pôsobí na vnesený bodový náboj, k veľkosti tohto náboja.
- nezávisí od veľkosti vneseného náboja, ale charakterizuje elektrické pole!

Smer vektora napätia
sa zhoduje so smerom vektora sily pôsobiaceho na kladný náboj a je opačný ako smer sily pôsobiacej na záporný náboj.

Sila poľa bodového náboja:

kde q0 je náboj vytvárajúci elektrické pole.
V ktoromkoľvek bode poľa je intenzita vždy nasmerovaná pozdĺž priamky spájajúcej tento bod a q0.

ELEKTRICKÁ KAPACITA

Charakterizuje schopnosť dvoch vodičov akumulovať elektrický náboj.
- nezávisí od q a U.
- závisí od geometrických rozmerov vodičov, ich tvaru, vzájomnej polohy, elektrických vlastností prostredia medzi vodičmi.

Jednotky SI: (F - farad)

KONDENZÁTORY

Elektrické zariadenie, ktoré uchováva náboj
(dva vodiče oddelené dielektrickou vrstvou).

Kde d je oveľa menšie ako rozmery vodiča.

Označenie na elektrických schémach:

Celé elektrické pole je sústredené vo vnútri kondenzátora.
Nabitie kondenzátora je absolútna hodnota náboja na jednej z dosiek kondenzátora.

Typy kondenzátorov:
1. podľa druhu dielektrika: vzduchové, sľudové, keramické, elektrolytické
2. podľa tvaru platničiek: ploché, guľovité.
3. podľa kapacity: konštantná, variabilná (nastaviteľná).

Elektrická kapacita plochého kondenzátora

kde S je plocha dosky (pokovovania) kondenzátora
d - vzdialenosť medzi doskami
eo - elektrická konštanta
e - dielektrická konštanta dielektrika

Vrátane kondenzátorov v elektrickom obvode

paralelný

sekvenčné

Potom celková elektrická kapacita (C):

pri paralelnom zapojení

.

pri zapojení do série

DC AC PRIPOJENIE

Elektrina- usporiadaný pohyb nabitých častíc (voľné elektróny alebo ióny).
V tomto prípade sa elektrina prenáša cez prierez vodiča. náboj (pri tepelnom pohybe nabitých častíc je celkový prenesený elektrický náboj = 0, keďže kladné a záporné náboje sú kompenzované).

Smer e-mailom prúd- konvenčne sa uznáva smer pohybu kladne nabitých častíc (od + do -).

E-mailové akcie prúd (vo vodiči):

tepelný účinok prúdu- ohrev vodiča (okrem supravodičov);

chemický účinok prúdu - objavuje sa len v elektrolytoch Na elektródach sa uvoľňujú látky, ktoré tvoria elektrolyt;

magnetický účinok prúdu(hlavný) - pozorovaný vo všetkých vodičoch (vychýlenie magnetickej strelky v blízkosti vodiča s prúdom a silový účinok prúdu na susedné vodiče cez magnetické pole).

OHMOV ZÁKON PRE OBVODOVÝ ÚSEK

kde , R je odpor časti obvodu. (za časť obvodu možno považovať aj samotný vodič).

Každý vodič má svoju špecifickú charakteristiku prúdového napätia.

ODPOR

Základné elektrické charakteristiky vodiča.
- podľa Ohmovho zákona je táto hodnota pre daný vodič konštantná.

1 Ohm je odpor vodiča s rozdielom potenciálov na jeho koncoch
pri 1 V a prúdová sila v ňom je 1 A.

Odpor závisí iba od vlastností vodiča:

kde S je plocha prierezu vodiča, l je dĺžka vodiča,
ro - rezistivita charakterizujúca vlastnosti vodivej látky.

ELEKTRICKÉ OBVODY

Pozostávajú zo zdroja, spotrebiča elektrického prúdu, vodičov a spínača.

SÉRIOVÉ ZAPOJENIE VODIČOV

I - sila prúdu v obvode
U - napätie na koncoch časti obvodu

PARALELNÉ ZAPOJENIE VODIČOV

I - sila prúdu v nerozvetvenej časti obvodu
U - napätie na koncoch časti obvodu
R - celkový odpor časti obvodu

Pamätajte, ako sú pripojené meracie prístroje:

Ampérmeter - zapojený do série s vodičom, v ktorom sa meria prúd.

Voltmeter - zapojený paralelne k vodiču, na ktorom sa meria napätie.

PREVÁDZKA DC

Aktuálna práca- ide o prácu elektrického poľa na prenos elektrických nábojov pozdĺž vodiča;

Práca vykonaná prúdom na časti obvodu sa rovná súčinu prúdu, napätia a času, počas ktorého bola práca vykonaná.

Pomocou vzorca Ohmovho zákona pre časť obvodu môžete napísať niekoľko verzií vzorca na výpočet práce prúdu:

Podľa zákona zachovania energie:

Práca sa rovná zmene energie časti obvodu, takže energia uvoľnená vodičom sa rovná práci prúdu.

V sústave SI:

JOULE-LENZOV ZÁKON

Pri prechode prúdu vodičom sa vodič zahrieva a dochádza k výmene tepla s okolím, t.j. vodič odovzdáva teplo okolitým telesám.

Množstvo tepla, ktoré vodič prenášajúci prúd do okolia uvoľní, sa rovná súčinu druhej mocniny sily prúdu, odporu vodiča a času, keď prúd prechádza vodičom.

Podľa zákona zachovania energie sa množstvo tepla uvoľneného vodičom numericky rovná práci, ktorú vykoná prúd pretekajúci vodičom za rovnaký čas.

V sústave SI:

[Q] = 1 J

DC POWER

Pomer práce vykonanej prúdom za čas t k tomuto časovému intervalu.

V sústave SI:

Fenomén supravodivosti

Objav nízkoteplotnej supravodivosti:
1911 - Holandský vedec Kamerling - Onnes
pozorované pri ultranízkych teplotách (pod 25 K) v mnohých kovoch a zliatinách;
Pri takýchto teplotách je odpor týchto látok mizivo malý.

V roku 1957 bolo podané teoretické vysvetlenie fenoménu supravodivosti:
Cooper (USA), Bogolyubov (ZSSR)

1957 Collinsov experiment: prúd v uzavretom okruhu bez zdroja prúdu sa nezastavil 2,5 roka.

V roku 1986 bola objavená vysokoteplotná supravodivosť (pri 100 K) (pre kovokeramiku).

Ťažkosti s dosiahnutím supravodivosti:
- potreba silného chladenia látky

Oblasť použitia:
- získanie silných magnetických polí;
- výkonné elektromagnety so supravodivým vinutím v urýchľovačoch a generátoroch.

V súčasnosti v sektore energetiky existuje veľký problém
- veľké straty elektriny pri prenose ju drôtom.

Možné riešenie Problémy:
pri supravodivosti je odpor vodičov približne 0
a straty energie sa výrazne znížia.

Látka s najvyššou supravodivou teplotou
V roku 1988 sa v USA pri teplote –148°C dosiahol fenomén supravodivosti. Vodič bola zmesou oxidov tália, vápnika, bária a medi - Tl2Ca2Ba2Cu3Ox.

Polovodič -

Látka, ktorej rezistivita sa môže meniť v širokom rozsahu a s rastúcou teplotou veľmi rýchlo klesá, čo znamená, že elektrická vodivosť (1/R) rastie.
- pozorovaný u kremíka, germánia, selénu a niektorých zlúčenín.

Mechanizmus vedenia v polovodičoch

Polovodičové kryštály majú atómovú kryštálovú mriežku, kde sú vonkajšie elektróny viazané k susedným atómom kovalentnými väzbami.
Pri nízkych teplotách čisté polovodiče nemajú žiadne voľné elektróny a správajú sa ako izolant.

ELEKTRICKÝ PRÚD VO VÁKUU

Čo je vákuum?
- toto je stupeň riedenia plynu, pri ktorom prakticky nedochádza k zrážkam molekúl;

Elektrický prúd nie je možný, pretože možný počet ionizovaných molekúl nemôže poskytnúť elektrickú vodivosť;
- je možné vytvoriť elektrický prúd vo vákuu, ak použijete zdroj nabitých častíc;
- pôsobenie zdroja nabitých častíc môže byť založené na fenoméne termionickej emisie.

Termionická emisia

- ide o emisiu elektrónov tuhými alebo kvapalnými telesami pri ich zahriatí na teploty zodpovedajúce viditeľnej žiare horúceho kovu.
Zahriata kovová elektróda nepretržite vyžaruje elektróny a vytvára okolo seba elektrónový oblak.
V rovnovážnom stave sa počet elektrónov, ktoré opustili elektródu, rovná počtu elektrónov, ktoré sa do nej vrátili (keďže elektróda sa pri strate elektrónov nabije kladne).
Čím vyššia je teplota kovu, tým vyššia je hustota elektrónového oblaku.

Vákuová dióda

Elektrický prúd vo vákuu je možný vo vákuových trubiciach.
Vákuová trubica je zariadenie, ktoré využíva fenomén termionickej emisie.

Vákuová dióda je dvojelektródová (A - anóda a K - katóda) elektrónová trubica.
Vo vnútri sklenenej nádoby sa vytvára veľmi nízky tlak

H - vlákno umiestnené vo vnútri katódy na jej ohrev. Povrch vyhrievanej katódy vyžaruje elektróny. Ak je anóda pripojená k + zdroja prúdu a katóda je pripojená k -, potom obvod preteká
konštantný termionický prúd. Vákuová dióda má jednosmernú vodivosť.
Tie. prúd v anóde je možný, ak je anódový potenciál vyšší ako katódový potenciál. V tomto prípade sú elektróny z elektrónového oblaku priťahované k anóde, čím vzniká elektrický prúd vo vákuu.

Prúdová charakteristika vákuovej diódy.

Pri nízkom anódovom napätí nie všetky elektróny emitované katódou dosiahnu anódu a elektrický prúd je malý. Pri vysokých napätiach prúd dosiahne saturáciu, t.j. maximálna hodnota.
Na usmernenie striedavého prúdu sa používa vákuová dióda.

Prúd na vstupe diódového usmerňovača:

Výstupný prúd usmerňovača:

Elektrónové lúče

Ide o prúd rýchlo letiacich elektrónov vo vákuových trubiciach a plynových výbojkách.

Vlastnosti elektrónových lúčov:

Odchylky v elektrických poliach;
- vychýliť sa v magnetických poliach pod vplyvom Lorentzovej sily;
- keď sa lúč dopadajúci na látku spomalí, objaví sa röntgenové žiarenie;
- spôsobuje žiaru (luminiscenciu) niektorých pevných látok a kvapalín (luminofóry);
- zahriať látku dotykom.

Katódová trubica (CRT)

Využívajú sa termoionické emisné javy a vlastnosti elektrónových lúčov.

CRT sa skladá z elektrónovej pištole, horizontálnych a vertikálnych deflektorov
elektródové dosky a sito.
V elektrónovom dele prechádzajú elektróny emitované vyhrievanou katódou cez elektródu riadiacej mriežky a sú urýchľované anódami. Elektrónové delo zaostruje elektrónový lúč do bodu a mení jas svetla na obrazovke. Vychyľovacie vodorovné a zvislé dosky vám umožňujú presunúť elektrónový lúč na obrazovke do ľubovoľného bodu na obrazovke. Obrazovka trubice je potiahnutá fosforom, ktorý pri bombardovaní elektrónmi začne žiariť.

Existujú dva typy rúr:

1) s elektrostatickým riadením elektrónového lúča (vychýlenie elektrického lúča len elektrickým poľom);
2) s elektromagnetickým ovládaním (sú pridané magnetické vychyľovacie cievky).

Hlavné aplikácie CRT:

Obrazovky v televíznych zariadeniach;
Počítačové displeje;
elektronické osciloskopy v meracej technike.

ELEKTRICKÝ PRÚD V PLYNOCH

Za normálnych podmienok je plyn dielektrikum, t.j. pozostáva z neutrálnych atómov a molekúl a neobsahuje voľné nosiče elektrického prúdu.
Vodivý plyn je ionizovaný plyn. Ionizovaný plyn má elektrónovo-iónovú vodivosť.

Vzduch je dielektrikum v elektrických vedeniach, vzduchových kondenzátoroch a kontaktných spínačoch.

Vzduch je vodič pri vzniku blesku, elektrickej iskry alebo pri vzniku zváracieho oblúka.

Ionizácia plynu

Ide o rozklad neutrálnych atómov alebo molekúl na kladné ióny a elektróny odstránením elektrónov z atómov. Ionizácia nastáva, keď sa plyn zahrieva alebo je vystavený žiareniu (UV, röntgenové žiarenie, rádioaktívne) a vysvetľuje sa rozpadom atómov a molekúl pri zrážkach pri vysokých rýchlostiach.

Výtok plynu

Ide o elektrický prúd v ionizovaných plynoch.
Nosičmi náboja sú kladné ióny a elektróny. Výboj plynu sa pozoruje v plynových výbojkách (lampy), keď je vystavený elektrickému alebo magnetickému poľu.

Rekombinácia nabitých častíc

- plyn prestáva byť vodičom, ak sa ionizácia zastaví, k tomu dochádza v dôsledku rekombinácie (znovu spojenie opačne nabitých častíc).

Existuje samoudržateľný a nesamosprávny výboj plynu.

Nesamostatný výboj plynu

Ak sa zastaví činnosť ionizátora, zastaví sa aj výboj.

Keď výboj dosiahne saturáciu, graf sa stane vodorovným. Tu je elektrická vodivosť plynu spôsobená len pôsobením ionizátora.

Samostatný výboj plynu

V tomto prípade výboj plynu pokračuje aj po ukončení externého ionizátora v dôsledku iónov a elektrónov vznikajúcich pri nárazovej ionizácii (= ionizácia elektrického šoku); nastáva vtedy, keď sa rozdiel potenciálov medzi elektródami zväčšuje (nastáva lavína elektrónov).
Nesamostatný plynový výboj sa môže premeniť na autonómny plynový výboj, keď Ua = Uignition.

Elektrický rozpad plynu

Proces prechodu nesamostatného výboja plynu na autonómny.

Dochádza k samovoľnému vypúšťaniu plynu 4 druhy:

1. tlenie - pri nízkych tlakoch (do niekoľkých mm Hg) - pozorované v plynových trubiciach a plynových laseroch.
2. iskra - pri normálnom tlaku a vysokej intenzite elektrického poľa (blesk - sila prúdu až státisíce ampérov).
3. koróna - pri normálnom tlaku v nerovnomernom elektrickom poli (na hrote).
4. oblúk - vysoká prúdová hustota, nízke napätie medzi elektródami (teplota plynu v oblúkovom kanáli -5000-6000 stupňov Celzia); pozorované v reflektoroch a projekčných filmových zariadeniach.

Pozorujú sa tieto výboje:

tlenie - v žiarivkách;
iskra - v blesku;
koróna - v elektrických odlučovačoch, pri úniku energie;
oblúk - pri zváraní, v ortuťových lampách.

Plazma

Toto je štvrtý stav agregácie látky s vysokým stupňom ionizácie v dôsledku zrážky molekúl vysokou rýchlosťou pri vysokej teplote; vyskytujúce sa v prírode: ionosféra – slabo ionizovaná plazma, Slnko – plne ionizovaná plazma; umelá plazma - v plynových výbojkách.

Plazma môže byť:

Nízka teplota - pri teplotách nižších ako 100 000 K;
vysoká teplota - pri teplotách nad 100 000 K.

Základné vlastnosti plazmy:

Vysoká elektrická vodivosť
- silná interakcia s vonkajšími elektrickými a magnetickými poľami.

Pri teplote

Akákoľvek látka je v plazmatickom stave.

Zaujímavé je, že 99 % hmoty vo vesmíre tvorí plazma

TESTOVACIE OTÁZKY NA TESTOVANIE