fizika_1

31. Диэлектрики. Полярные и неполярные диэлектрики. Диэлектрические

восприимчивость и проницаемость

Диэлектрики (изоляторы) – вещества, которые плохо проводят или совсем не проводят электрический ток. К диэлектрикам относят воздух, некоторые газы, стекло, пластмассы, различные смолы, многие виды резины.

В таких телах нет свободных электрически заряженных частиц, способных перемещаться в теле под действием внешнего электрического поля.

Различают два основных типа диэлектриков: полярный и неполярный.

Диэлектрик называют неполярным, если в его молекулах в отсутствие внешнего электрического поля центры тяжести отрицательных и положительных зарядов

совпадают, например,

Для них диполный момент , т. к. . И, следовательно, суммарный дипольный момент неполярного диэлектрика .

В молекулах полярных диэлектриков ( , спирты, НС1...) центры тяжести зарядов разных знаков сдвинуты друг относительно друга. В этом случае молекулы обладают

собственным дипольным моментом . Но эти дипольные моменты в отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул ориентированы хаотически и суммарный дипольный момент такого диэлектрика равен нулю, т. е.

.

Полярные диэлектрики (дипольные) - состоят из полярных молекул, обладающих электрическим моментом. В таких молекулах из-за их асимметричного строения центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

К полярным диэлектрикам относятся фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы, кремний, органические соединения, хлорированные углеводороды и др.

Величина, показывающая во сколько раз ослабляется поле в диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью среды и обозначается буквой Е(с завитушкой):

.

Диэлектрическая восприимчивость (поляризуемость ) вещества — физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля.

Диэлектрическая восприимчивость — коэффициент линейной связи между поляризацией диэлектрика P и внешним электрическим полем E в достаточно малых полях:

В системе СИ:

где — электрическая постоянная; произведение называется в системе СИ

абсолютной диэлектрической восприимчивостью.

В случае вакуума

У диэлектриков, как правило, диэлектрическая восприимчивость положительна. Диэлектрическая восприимчивость является безразмерной величиной.

32. Сила тока, плотность тока, механизм проводимости металлов.

Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля.

Сила тока (I) — скалярная величина, равная отношению заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени (t), в течение которого шёл ток.

I=q/t, где I— сила тока, q — заряд, t — время.

Единица измерения силы тока в системе СИ: [I]=1A (ампер).

Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е.

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2).

Направление вектора плотности тока совпадает с направлением вектора скорости

упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

Элементарные метал­лы являются проводниками электричества первого рода. Способ­ность металлов проводить электричество - их электрическая проводимость обусловлена наличием в них кристаллических решет­ках электронов, находящихся в состоянии проводимости.

В кристаллической решетке металлов имеются так называемые "свободные" электроны. Это те электроны, которые находятся на высоких орбитах (высоких энергетических уровнях) и слабо связаны кулоновскими силами с ядром. Атомы металла в решетке обмениваются этими электронами, они свободно покидают один и примыкают к другому, тем не менее они не могут покинуть весь кристалл, т. к. это

приведет к увеличению кулоновского притяжения во много раз. таким образом электроны образуют так называемый "электронный газ" совокупность элементарных частиц, равномерно распределенных по всему кристаллу металла. Если к этому газу приложить даже очень слабую разность потенциалов, она повлечет за собой движение всех свободных электронов от отрицательного заряда к положительному. Это и есть электрический ток.

33. Закон Ома для однородного участка цепи, сопротивление, зависимость

сопротивления металлов от температуры, закон Джоуля-Ленца.

закон Ома для однородного участка цепи:

Ток, текущий по однородному металлическому проводнику, пропорционален падению напряжения на проводнике.

I=()

Электри́ческое сопротивле́ние — физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

R= U/I

где

R — сопротивление, Ом;

U — разность электрических потенциалов (напряжение) на концах проводника, В;

I — сила тока, протекающего между концами проводника под действием разности потенциалов, А.

В разумных температурных пределах вокруг некоторой точки зависимость удельного сопротивления металлов от температуры описывается как:

ΔR = α*R*ΔT, где α - температурный коэффициент электрического сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления может быть как положительным, так и отрицательным. У всех металлов сопротивление увеличивается с увеличением температуры, а следовательно, для металлов α >0. У всех электролитов в отличии от металлов сопротивление при нагревании всегда уменьшается. Сопротивление графита с повышением температуры также уменьшается. Для таких веществ α <0.

Согласно закону Джоуля-Ленца, электрический ток, проходящий по проводнику, сопровождается количеством теплоты, прямо пропорциональным квадрату тока и сопротивлению, а также времени течения этого тока по проводнику.

Q = I2Rt,

в которой Q отображает количество выделенной теплоты, I – силу тока, R – сопротивление проводника, t – период времени.

34. Сторонние силы, ЭДС, закон Ома для неоднородного участка цепи.

Сторонние силы, т. е. силы не электростатического происхождения. Они действуют лишь внутри источника тока. Разделяя заряды, эти силы создают разность потенциалов между концами остальной части цепи. В этой части движение зарядов обусловлено электрическим полем, возникающим в проводнике вследствие разности потенциалов между его концами.

Пример: химические процессы, диффузия носителей заряда, вихревые электрические поля.

Сторонние силы можно характеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по замкнутой цепи или ее участку зарядами.

Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда в цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС), действующей в цепи:

.

Стороннюю силу, действующую на заряд, можно представить в виде:

– напряженность поля сторонних сил. Скалярная физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется

электродвижущей силой (ЭДС).

Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид:

где R — общее сопротивление неоднородного участка.

ЭДС ε может быть как положительной, так и отрицательной. Это связано с полярностью включения ЭДС в участок: если направление, создаваемое источником тока, совпадает с направлением тока, проходящего в участке (направление тока на участке совпадает внутри источника с направлением от отрицательного полюса к положительному), т.е. ЭДС способствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε > 0, в противном случае, если ЭДС препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε < 0.

35. Магнитное поле, силовые линии магнитного поля.

Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Свойства магнитного поля:

•магнитное поле материально;

•источник и индикатор поля – электрический ток;

•магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;

•величина поля убывает с расстоянием от источника поля.

Важно!

Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции B . Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике I и его длине l :

Обозначение – B , единица измерения в СИ – тесла (Тл).

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Силовые линии магнитного поля – это воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают по направлению с вектором магнитной индукции.

Свойства силовых линий магнитного поля:

1.силовые линии магнитного поля не пересекаются и не прерываются;

2.густота силовых линий магнитного поля пропорциональна величине B индукции B→ магнитного поля;

3.силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, то есть магнитное поле −вихревое поле.

36. Сила Лоренца. Закон Ампера

Сила Лоренца Fл→ − это сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу.

Модуль силы Лоренца Fл равен произведению модуля индукции магнитного поля B, в котором находится заряженная частица, модуля |q| заряда q этой частицы, величины ее скорости V и синуса угла α между направлениями скорости V→ и вектора индукции магнитного поля B→:

Здесь F – сила Лоренца, q – заряд частицы, B – модуль вектора индукции магнитного поля, V – скорость частицы, sin a – угол между вектором индукции магнитного поля и направления движения.

Единица измерения силы – Н (ньютон).

Сила Лоренца — векторная величина. Сила Лоренца принимает своё наибольшее значение, когда векторы индукции и направления скорости частицы перпендикулярны (a=90 градусов).

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки:

Если вектор магнитной индукции входит в ладонь левой руки и четыре пальца вытянуты в сторону направления вектора движения тока, тогда отогнутый в сторону большой палец показывает направление силы Лоренца.

Закон Ампера показывает, с какой силой действует магнитное поле на помещенный в него проводник. Эту силу также называют силой Ампера.

Формулировка закона: сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки.

Правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а четыре пальца были вытянуты по направлению тока в проводнике, то отставленный на 90° большой палец, укажет направление силы Ампера.

37. Закон Био-Савара-Лапласа, принцип суперпозиции.

Закон Био-Савара-Лапласа определяет величину и направление индукции магнитного поля, созданного произвольным элементом токав некоторой точке А пространства, определяемой радиус-вектором, проведенным от элемента тока в эту точку.

Закон Био Савара Лапласа — Магнитное поле любого тока может быть вычислено как векторная сумма полей, создаваемая отдельными участками токов.

Закон Био-Савара-Лапласа для некоторых токов:

Магнитное поле прямого тока:

Магнитное поле кругового тока:

В формуле использовали:

— Магнитная индукция

— Вектор, по модулю равный длине dl элемента проводника и совпадающий по направлению с током

— Магнитная постоянная

— Относительная магнитная проницаемость (среды)

— Сила тока

— Расстояние от провода до точки, где мы вычисляем магнитную индукцию

— Угол между вектором dl и r

Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности:

Принцип суперпозиции полей справедлив для случая, когда поля, созданные несколькими различными зарядами, не оказывают никакого влияния друг на друга, т. е. ведут себя так, как будто других полей нет. Опыт показывает, что для полей обычных интенсивностей, встречающихся в природе, это имеет место в действительности.

38.Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

39.Закон электромагнитной индукции, правило Ленца.

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Измеряется в В(вольтах).

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Электромагнит­ная индукция — это возникновение электрического поля и электрического тока при изменении во времени магнитного поля или при движении проводника в магнитном поле. Эти два типа эффектов электромагнитной индукции отличаются физической природой процессов, отвечающих за их возникновение. Первый тип обусловлен наведением вихревого элект­рического поля переменным магнитным полем, второй — действием сил Лоренца на движущиеся заряды в стационарном магнитном поле.

Правило Ленца определяет направление индукционного тока и гласит: Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии: если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре

направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле.

40. Возникновение ЭДС в движущемся и неподвижном проводниках,

генераторы применения тока.

Наличие в контуре ЭДС означает, что на носители заряда в контуре действуют сторонние силы. В проводнике, движущемся в магнитном поле, это сила Лоренца.

Пусть проводник конечной длины l движется со скоростью в направлении, перпендикулярном к проводнику и к вектору. Сила Лоренца разделяет разноименные заряды, смещая их к противоположным концам проводника. В проводнике возникает электростатическое поле. Разделение зарядов продолжается до тех пор, пока лоренцева сила и сила электростатического поля не уравновесятся (Fстор = Fэл).

В процессе разделения зарядов сторонние силы совершают работу. Но сила Лоренца, работы не совершает. В рассмотренном случае сила, создающая ЭДС, является не полной силой Лоренца, а только ее составляющей. Действительно, в процессе разделения заряды перемещаются не только вместе с проводником со скоростью, но и вдоль проводника.

Полная сила Лоренца перпендикулярна к результирующей скорости.

ЭДС индукции возникает и в неподвижных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле. Силой Лоренца механизм возникновения ЭДС в этом случае объяснить нельзя.

ЭДС индукции не зависит от рода вещества проводника, от состояния проводника, в частности, от его температуры, которая может быть неодинаковой вдоль проводника.

Следовательно сторонние силы, индуцируемые магнитным полем, не связаны с изменением свойств проводника в магнитном поле, а обусловлены самим магнитным полем.

Максвелл для объяснения ЭДС индукции в неподвижных проводниках предположил, что переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в проводнике.

Вихревое электрическое поле не является электростатическим.

Силовые линии электростатического поля всегда разомкнуты — они начинаются и заканчиваются на электрических зарядах. Именно поэтому напряжение по замкнутому контуру в электростатическом поле всегда равно нулю, это поле не может поддерживать замкнутое движение зарядов и, следовательно, не может привести к возникновению электродвижущей силы.

Напротив, электрическое поле, возбуждаемое изменениями магнитного поля, имеет непрерывные силовые линии, т.е. представляет собой вихревое поле. Такое поле