Физика (3 семестр) mobile

(закон Ома для

замкнутой цепи)

3. Цепь разомкнута, то:

То есть ЭДС, действующая в разомкнутой цепи, равна

разности потенциалов на её концах.

Чтобы узнать ЭДС источника тока, измеряют разницу потенциалов на клеммах источника при

разомкнутой цепи.

Полная мощность, развиваемая источником тока, идёт на выделение тепла во внешнем и внутреннем сопротивлении:

Мощность, выделяемая во внешнем сопротивлении –

полезная мощность.

Мощность, выделяемая во внутреннем сопротивлении – потеря мощности.

Коэффициент полезного действия схемы – отношение полезной мощности к полной мощности.

Полезная мощность зависит от силы тока и внешнего сопротивления. Для исследования зависимости полезной мощности от силы тока, перепишем уравнение (9):

( )

Правила Кирхгофа.

Расчёт сложных разветвлённых цепей, например нахождение токов в отдельных ветвях, значительно упрощается, если пользоваться правилами Кирхгофа.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле равна нулю.

∑

Узел – точка, в которой соединяются три и более проводника с токами.

Как правило, токи, втекающие в узел, берутся с одним знаком, а вытекающие из узла с другим.

Первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения заряда. Уравнение (1) можно записать для

узлов, где N – общее количество узлов в схеме.

Второе правило Кирхгофа: алгебраическая сумма падений напряжений на элементах замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом замкнутом контуре:

∑∑

Второе правило Кирхгофа относится к любому выделенному в развёрнутой цепи контуру.

Независимыми будут только уравнения для тех контуров, которые нельзя получить наложением других контуров друг на друга. При составлении уравнений необходимо приписывать определенные знаки для ЭДС и для падений напряжения.

Энергия электростатического поля.

Рассмотрим заряженный проводник. Заряд Q, находящийся на этом проводнике можно рассматривать как систему точечных зарядов . Поскольку поверхность проводника является эквипотенциальной, то энергию заряженного проводника найдем как энергию взаимодействия точечных зарядов .

∑ ∑

Пользуясь связью между зарядом, потенциалом и энергией:

, где – энергия заряженного проводника.

Энергия заряженного конденсатора

Для конденсатора вместо потенциала нужно поставить разность потенциалов на его обкладках:

Выразим через параметры поля между обкладками конденсатора, для этого рассмотрим плоский конденсатор, ёмкость которого:

̃

,где S – площадь обкладки конденсатора, d- расстояние между обкладками.

̃̃

,где – объемная плотность энергии заряда конденсатора; – объём пространства между обкладками.

̃

̃

Если поле однородно, то:

Магнитное статическое поле:

Опыт показывает, что подобно тому, как в пространстве, окружённом электрическими зарядами, возникает электрическое поле, в пространстве, окружённом токами и постоянными магнитами, возникает силовое поле, называемое магнитным.

Наличие магнитного поля обнаруживается то силовому действию на внесённый в поле проводник с током или постоянный магнит.

Название магнитного поля связывают с ориентацией магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током. Это явление было открыто Эрстедом в 1820 году.

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нём электрические заряды. Важная особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в нём электрические заряды.

Подобно тому, как при исследовании электростатического поля используются пробные точечные заряды, при исследовании магнитного поля используется замкнутый плоский контур с током (рамка с током). Размеры контура малы по сравнению с расстоянием до токов, создающих магнитное поле.

Характер воздействия магнитного поля на ток зависит от формы проводника, по которому этот ток протекает и от ориентации проводника в магнитном поле, а также от направления тока в

проводнике.

Рассмотрим рамку с током. Она характеризуется магнитным моментом:

В качестве положительного положения нормали принимают направление, связанное с током правилом правого винта: если головку правого винта вращать в

направлении тока, то поступательное движение винта укажет направление нормали и вектора магнитного момента (если смотреть с конца нормали, то кажется, что ток движется по рамке против часовой стрелки).

Опыт показал, что магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током, поворачивая её определённым образом. Этот результат связывают с

определённым направлением магнитного поля. За направление магнитного поля в данной точке может быть принято направление,

вдоль которого расположено положение нормали к рамке, также может быть принято направление, в котором установилась ось магнитной стрелки, соединяющей южный и северный полюса магнитной стрелки.

Рамкой с током можно воспользоваться также для количественного описания магнитного поля. Если в данной точке магнитного поля помещены рамки с разными магнитными моментами, то на них буду действовать различные вращательные моменты:

, однако отношения максимальных вращательных моментов к магнитным моментам рамок будут неизменны – это является характеристикой магнитного поля и называется индукцией магнитного поля:

Магнитное поле можно изобразить графически при помощи силовых линий. Магнитной силовой линией называют линию, касательная к которой в каждой точке линии совпадает с направлением вектора индукции (или напряжённости) магнитного поля.

Пусть имеется бесконечный прямолинейный проводник с током.

Направление магнитных силовых линий определяется правилом правого винта.

Направление силовых линий магнитного поля, создаваемых

соленоидом с током , определяется по правилу правой руки: правой рукой охватываем соленоид так, чтобы четыре пальца были направлены по направлению движения тока, в таком случае большой палец покажет направление силовых линий магнитного поля.

Рассмотрим два опыта:

Опыт №1: возьмём прямоугольную рамку с током . Расположим плоскость рамки параллельно линиям магнитного поля.

На стороны рамки длиной будет действовать максимальный вращательный

момент:

Сила может быть измерена экспериментально, она пропорциональна силе тока, длине стороны проводника и вектору индукции магнитного поля:

Опыт №2: рассмотрим два параллельных, бесконечно длинных проводника с током. Экспериментально было установлено, что сила, действующая в вакууме на единицу длины проводника, равна:

̃

, откуда:

̃

, где – магнитная постоянная.

Опыт показывает, что для магнитного поля, как и для электрического поля, справедлив принцип суперпозиции полей: поле магнитной индукции, порождаемое несколькими токами или зарядами, равно векторной сумме полей магнитной индукции, порождаемых каждым током или зарядом в отдельности:

∑

Для характеристики магнитного поля водится величина

– напряжённость магнитного поля. До сих пор мы рассматривали макроскопические токи, текущие в проводнике, однако, согласно теории Ампера, в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движениями электронов в атомах и молекулах. Эти микроскопические токи создают своё магнитное поле и могут поворачиваться в магнитном поле макротоков, например, если любое тело поместить в магнитное поле, созданное проводником с током, то под воздействием этого магнитного поля микротоки во всех атомах определённым образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле.

Вектор индукции магнитного поля характеризует результирующее магнитное поле, созданное всеми макро-

и микротоками, то есть при одном токе и различных похожих условиях. Вектор индукции магнитного поля в