1.а)Электродина́мика — раздел физики, изучающий электромагнитное поле в наиболее общем случае (то есть, рассматриваются переменные поля, зависящие от времени) и его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд (электромагнитное взаимодействие) б) Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:1.Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. 2.Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.3.Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения. В)закон сохранения электрического заряда. алгебраическая сумма зарядов до взаимодействия должна быть равна алг.сумме зарядов после взаимод-я:

q1 + q2 + q3 + ... +qn = const.

  Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака. С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.

e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.

Г)Зако́н Куло́на — это закон, описывающий силы взаимодействия между точечными электрическими зарядами. Был открыт Шарлем Кулоном в 1785 г. Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона: Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. Иначе: Два точечных заряда в вакууме действуют друг на друга с силами, которые пропорциональны произведению модулей этих зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды. Эти силы называются электростатическими (кулоновскими).

Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:1)точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров — впрочем, можно доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии;2)их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд;3)взаимодействие в вакууме.

Однако с некоторыми корректировками закон справедлив также для взаимодействий зарядов в среде и для движущихся зарядов. В векторном виде в формулировке Ш. Кулона закон записывается следующим образом:

где — сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2;— величина зарядов;— радиус-вектор (вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2, и равный, по модулю, расстоянию между зарядами —);— коэффициент пропорциональности. Таким образом, закон указывает, что одноимённые заряды отталкиваются (а разноимённые — притягиваются).

2.а) Электрическое поле — особая форма материи, существующая вокруг тел или частиц, обладающихэлектрическим зарядом, а также в свободном виде в электромагнитных волнах. Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться по его действию и с помощью приборов. Основным действием электрического поля является ускорение тел или частиц, обладающих электрическим зарядом. Электрическое поле можно рассматривать как математическую модель, описывающую значение величины напряженности электрического поля в данной точке пространства.

Свойства электрического поля :1.Порождается электрическим зарядом;2.Обнаруживается по действию на заряд;3.Действует на заряды с некой силой, не имеет границ.

Б) Напряженность электрического поля. Физическая величина, равная отношению силы, с которой электрическое поле действует на точечный электрический заряд, к значению этого заряда, называется напряженностью электрического поля. Обозначив напряженность буквой , запишем

 , (38.1)

где q₁ — заряд, на который действует сила . Используя закон Кулона и определение понятия напряженности поля, получим выражение для модуля напряженности электрического поля в некоторой точке А на расстоянии r от точечного заряда q. Если в точку А поместить точечный заряд q₁, то на него будет действовать сила, по закону Кулона равная

.

Для нахождения модуля напряженности электрического поля в точке А разделим модуль силы на модуль заряда q₁:

 ,

 . (38.2)

Напряженность электрического поля — векторная величина. За направление вектора напряженности электрического поля принимается направление вектора кулоновской силы , действующей на точечный положительный электрический заряд, помещенный в данную точку поля. Зная напряженность электрического поля в данной точке поля, можно определить модуль и направление силы ,с которой электрическое поле будет действовать на любой электрический заряд q в этой точке:

. (38.3)

Опыт показывает, что если на электрический заряд q действуют одновременно электрические поля нескольких зарядов, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих со стороны каждого поля в отдельности. Это свойство электрических полей означает, что поля подчиняются принципу суперпозиции: если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля с напряженностями , и т. д., то вектор напряженности электрического поля равен сумме векторов напряженностей всех электрических полей (рис. 129):

. (38.4)

3.а)При перемещении пробного заряда q в электрическом поле электрические силы совершают работу. Эта работа при малом перемещении равна

Электростатическое поле обладает важным свойством: Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.

Аналогичным свойством обладает и гравитационное поле, и в этом нет ничего удивительного, так как гравитационные и кулоновские силы описываются одинаковыми соотношениями. Следствием независимости работы от формы траектории является следующее утверждение: Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Силовые поля, обладающие этим свойством, называют потенциальными или консервативными.  Таким образом, работа на малом перемещении зависит только от расстояния r между зарядами и его изменения Δr. Потенциальная энергия заряда q, помещенного в любую точку (1) пространства, относительно фиксированной точки (0) равна работе A10, которую совершит электрическое поле при перемещении заряда q из точки (1) в точку (0):

Wp1 = A10.

Потенциальная энергия определена с точностью до постоянной величины, зависящей от выбора опорной точки (0). Такая неоднозначность в определении потенциальной энергии не приводит к каким-либо недоразумениям, так как физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а разность ее значений в двух точках пространства. Работа, совершаемая электрическим полем при перемещении точечного заряда q из точки (1) в точку (2), равна разности значений потенциальной энергии в этих точках и не зависит от пути перемещения заряда и от выбора точки (0).

A12 = A10 + A02 = A10 – A20 = Wp1 – Wp2.

Б) Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом φ электрического поля:

  Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля. Работа A12 по перемещению электрического заряда q из начальной точки (1) в конечную точку (2) равна произведению заряда на разность потенциалов (φ1 – φ2) начальной и конечной точек:

A12 = Wp1 – Wp2 = qφ1 – qφ2 = q(φ1 – φ2).

 СИ:единицей потенциала является вольт (В).

1 В = 1 Дж / 1 Кл.

Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за опорную точку (0) удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом: Потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

  Потенциал φ∞ поля точечного заряда Q на расстоянии r от него относительно бесконечно удаленной точки вычисляется следующим образом:

  Как следует из теоремы Гаусса, эта же формула выражает потенциал поля однородно заряженного шара (или сферы) при r ≥ R, где R – радиус шара. Для наглядного представления электрического поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности. Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала. Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Эквипотенциальные поверхности кулоновского поля точечного заряда – концентрические сферы. На рис. 4.4.3 представлены картины силовых линий и эквипотенциальных поверхностей некоторых простых электростатических полей.

В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей. Если пробный заряд q совершил малое перемещение вдоль силовой линии из точки (1) в точку (2), то можно записать:

ΔA12 = qEΔl = q(φ1 – φ2) = – qΔφ,

где Δφ = φ1 – φ2 – изменение потенциала. Отсюда следует

  Это соотношение в скалярной форме выражает связь между напряженностью поля и потенциалом. Здесь l – координата вдоль силовой линии. Из принципа суперпозиции напряженностей полей, создаваемых электрическими зарядами, следует принцип суперпозиции для потенциалов:

φ = φ1 + φ2 + φ3 + ...

 4.а)Электризация проводников и диэлектриков во внешнем электрическом поле существенно отличается друг от друга: индуцированные заряды на поверхности проводников возникают в результате перемещения свободных зарядов во внешнем поле, в то время как в диэлектрике нет свободных зарядов, способных перемещаться под действием поля.

В)Электризацию диэлектриков называют поляризацией. Механизм ее заключается в перераспределении зарядов внутри нейтральных атомов и молекул под действием поля, либо в поворотах диполей в полярных диэлектриках, либо смещением подрешеток в пространстве в кристаллическом диэлектрике. Дело в том, что кристаллические решетки многих ионных диэлектриков типа NaCl можно считать состоящими из двух вставленных одна в другую подрешеток, каждая из которых образована ионами одного знака. Во внешнем электрическом поле и происходит смещение этих подрешеток.

Б)Все диэлектрики можно условно разделить на три группы: полярные, неполярные и ионные.

Неполярные диэлектрики состоят из атомов и молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов (рис. 1, б) совпадают (инертные газы, кислород, бензол, водород и др.).

Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают (рис. 1, а) (спирт, вода и др.). В качестве модели молекулы полярного диэлектрика используются электрические диполи — система двух равных по модулю и противоположных по знаку точечных зарядов, находящихся на расстоянии l друг от друга (рис. 2, а). Тепловое движение молекул приводит к хаотической ориентации диполей. Из-за этого на поверхности диэлектрика, а также и в любом его объеме, содержащем большое число молекул (рис. 3, а), электрический заряд в среднем равен нулю.

Поместим теперь диэлектрик в однородное электростатическое поле между двумя параллельными металлическими пластинами. Со стороны поля на каждый электрический диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю и противоположные по направлению (рис. 2, б). Они создают момент пары сил, стремящийся повернуть диполь так, чтобы ось его была направлена по линиям напряженности поля (рис. 2, в). Положительные заряды смещаются при этом в направлении электростатического поля, а отрицательные — в противоположную сторону.

Хаотическое тепловое движение молекул препятствует созданию упорядоченной ориентации всех диполей. Только при абсолютном нуле все диполи выстроились бы вдоль линий напряженности. Под влиянием поля происходит лишь частичная ориентация электрических диполей. Это означает, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем число диполей, ориентированных противоположно полю. На рис. 3, б видно: у положительной пластины на поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а у отрицательно заряженной — положительные. В результате на поверхности диэлектрика возникает нескомпенсированный связанный заряд. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга и средний связанный электрический заряд по-прежнему равен нулю.

Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Под действием поля положительные и отрицательные заряды молекулы смещаются в противоположные стороны и центры распределения положительного и отрицательного зарядов перестают совпадать, как и у полярной молекулы.

Такие деформированные молекулы можно рассматривать как электрические диполи, оси которых направлены вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, появляются связанные заряды, как и при поляризации полярного диэлектрика.

Рис. 4

Связанный заряд создает электростатическое поле напряженностью , направленной в диэлектрике против напряженности внешнего поля зарядов на пластинах (рис. 4). Поэтому поле внутри диэлектрика ослабляется. Напряженность результирующего электростатического поля

 или 

Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика. Для характеристики электрических свойств диэлектриков вводится особая величина, называемая диэлектрической проницаемостью.

Диэлектрическая проницаемость ε — это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности электростатического поля Ε внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряженности поля E₀ в вакууме, созданного теми же зарядами:

Г)При анализе электростатических полей используют вектор электрического смещения:

.

Единицей электрического смещения является кулон на метр квадратный (Кл/м²).

Величина e = e₀ + c является основной характеристикой диэлектрика и называется абсолютной диэлектрической проницаемостью. Отношение e_r = e/e₀ называют относительной диэлектрической проницаемостью.

5.а) Проводниками называют материалы, имеющие так называемые свободные заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника под действием сколь угодно малого внешнего электрического поля.Примечание: Типичным примером проводников являются металлы, атомы которых при формировании кристалла решетки отдают в коллективное использование 1-3 -в с внешних оболочек. Эти электроны, несмотря на то, что находятся в потенциальной яме объема проводника, весьма слабо связаны с атомом, то есть имеют большую подвижность (связь каждого электрона одновременно принадлежит всем атомам, что и обеспечивает их высокую подвижность).Примечание: При помещении проводников во внешнее электрическое поле, свободные заряды начинают перемещаться в этом поле, если в объем проводника был дополнительно внесен некоторый заряд, то под действием этого внешнего поля, этот дополнительный заряд распределиться по поверхности проводника.Примечание: Таким образом, при электризации проводника сообщенный ему дополнительный заряд оказывается, распределен в области поверхности проводника. Это распределение заряда будет происходить до тех пор, пока при распределении заряда потенциал поля в любой точке проводника не станет одинаковым.

                                                                       

Б) Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q₁ и q₂, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников. Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U. Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q₁ = – q₂ = q. В этом случае можно ввести понятие электрической емкости.

Электроемкостью системы из двух проводников называется физическая величина, определяемая как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

В системе СИ единица электроемкости называется фарад (Ф): 

В) Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, – обкладками.

Простейший конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами (рис. 1.6.1); однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния. В целом ряде задач приближенно можно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками (рис. 1.6.2). Но в других задачах пренебрежение полем рассеяния может привести к грубым ошибкам, так как при этом нарушается потенциальный характер электрического поля (см. § 1.4).

Рисунок 1.6.1. Поле плоского конденсатора

Рисунок 1.6.2. Идеализированное представление поля плоского конденсатора. Такое поле не обладает свойством потенциальности

Каждая из заряженных пластин плоского конденсатора создает вблизи поверхности электрическое поле, модуль напряженности которого выражается соотношением (см. § 1.3) 

Согласно принципу суперпозиции, напряженность поля, создаваемого обеими пластинами, равна сумме напряженностейиполей каждой из пластин:

Внутри конденсатора вектора ипараллельны; поэтому модуль напряженности суммарного поля равен

Вне пластин вектора инаправлены в разные стороны, и поэтомуE = 0. Поверхностная плотность σ заряда пластин равна q / S, где q – заряд, а S – площадь каждой пластины. Разность потенциалов Δφ между пластинами в однородном электрическом поле равна Ed, где d – расстояние между пластинами. Из этих соотношений можно получить формулу для электроемкости плоского конденсатора: 

Таким образом, электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз: 

Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрический конденсаторы. Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R₁ и R₂. Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R₁ и R₂ и длины L. Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами: 

(сферический конденсатор),  (цилиндрический конденсатор).

Конденсаторы могут соединяться между собой, образуя батареи конденсаторов. При параллельном соединении конденсаторов (рис. 1.6.3) напряжения на конденсаторах одинаковы:U₁ = U₂ = U, а заряды равны q₁ = С₁U и q₂ = C₂U. Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости C, заряженный зарядом q = q₁ + q₂ при напряжении между обкладками равном U. Отсюда следует 

Таким образом, при параллельном соединении электроемкости складываются.

Рисунок 1.6.3. Параллельное соединение конденсаторов. C = C1 + C2

Рисунок 1.6.4. Последовательное соединениеконденсаторов.

При последовательном соединении (рис. 1.6.4) одинаковыми оказываются заряды обоих конденсаторов: q₁ = q₂ = q, а напряжения на них равны иТакую систему можно рассматривать как единый конденсатор, заряженный зарядомq при напряжении между обкладками U = U₁ + U₂. Следовательно, 

При последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.

Формулы для параллельного и последовательного соединения остаются справедливыми при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.

Г)

Энергия электрического поля конденсатора. Под  энергией электрического поля конденсатора будем понимать энергию одной его обкладки, находящейся в поле, созданном другой  обкладкой. Тогда:   Формулы справедливы для любого конденсатора.
Плотность энергии.  - плотность энергии (энергия единицы объема). Формула справедлива для полей любых конденсаторов и, кроме того, для полей, меняющихся со временем (неэлектростатических).

6.а) Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил.

За направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц.

Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.

Б)Условия существования постоянного электрического тока.Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.Источник тока - устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля. В источнике тока на заряженные частицы в замкнутой цепи действуют сторонние силы. Причины возникновения сторонних сил в различных источниках тока различны. Например в аккумуляторах и гальванических элементах сторонние силы возникают благодаря протеканию химических реакций, в генераторах электростанций они возникают  при движении проводника в магнитном поле, в фотоэлементах - при действия света на электроны в металлах и полупроводниках.Электродвижущей силой источника тока называют отношение работы сторонних сил к величине положительного заряда, переносимого от отрицательного полюса источника тока к положительному.

В) Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил (). В замкнутом контуре () тогда ЭДС будет равна:

, где — элемент длины контура.

ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в вольтах. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами тока вне самого источника равна нулю.

ЭДС индукции: Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называется электромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением,где—поток магнитного поля через замкнутую поверхность , ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре.

Г)Сила тока - скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через проводник, ко времени, за которое этот заряд прошел.где I - сила тока, q - величина заряда (количество электричества), t - время прохождения заряда.

Напряжение - скалярная физическая величина, равная отношению полной работе кулоновских и сторонних сил при перемещении положительного заряда на участке к значению этого заряда.где A - полная работа сторонних и кулоновских сил,  q - электрический заряд.

Электрическое сопротивление - физическая величина, характеризующая  электрические свойства участка цепи.

где ρ - удельное сопротивление проводника, l - длина участка проводника,  S - площадь поперечного сечения проводника.

 

Д) Законы ОмаЗакон Ома для однородного участка цепи.

Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении участка  и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении.где U - напряжение на участке,  R - сопротивление участка. 

 

Закон Ома для произвольного участка цепи, содержащего источник постоянного тока.

где   φ₁ - φ₂ + ε = U напряжение на заданном участке цепи, R - электрическое сопротивление  заданного участка цепи.

 

 

Закон Ома для полной цепи.

Сила тока в полной цепи равна отношению электродвижущей силы источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участка цепи.где R - электрическое сопротивление внешнего участка цепи,  r - электрическое сопротивление внутреннего участка цепи.

Е)В электрической цепи при прохождении тока происходит ряд превращений энергии. Во внешнем участке цепи работу по перемещению заряда совершают силы стационарного электрического поля и энергия этого поля превращается в другие виды: механическую, тепловую, химическую, в энергию электромагнитного излучения. Следовательно, полная работа тока на внешнем участке цепи

Если же на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника.

В этом случае количество выделившейся теплоты равно работе, совершаемой током.

Количество теплоты Q, выделяемой током I за время t на участке цепи сопротивлением R, равно .

Эта формула выражает закон Джоуля—Ленца, установленный опытным путем в XIX в. двумя учеными (английским — Дж. Джоулем и русским Э. X. Ленцем).

При прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяющейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

На законе Джоуля Ленца основано действие многих электронагревательных приборов. Это утюги, электроплиты, электрочайники, кипятильники, паяльники, электрокамины и т.д.

Основной частью любого электронагревательного прибора является нагревательный элемент (проводник с большим удельным сопротивлением наматывается на пластинку из жаростойкого материала: слюды, керамики).

Вышеприведенную формулу закона Джоуля—Ленца удобно применять при последовательном соединении резисторов, так как сила тока во всех участках последовательно соединенной цепи одинакова. Если последовательно соединены два резистора с сопротивлениями R₁ и R₂, то ,, откуда, т.е.количество теплоты, выделяемой током в участках последовательно соединенной цепи, пропорционально сопротивлениям этих участков.

Согласно закону Ома, для однородного участка цепи постоянного тока . Тогда.

Эту формулу удобно использовать при параллельном соединении резисторов, так как напряжение на каждой ветви такой цепи одинаково. Если параллельно соединены два резистора с сопротивлениями R₁ и R₂, то ,, откудат.е.количество теплоты, выделяемой током в ветвях параллельно соединенной цепи, обратно пропорционально сопротивлениям резисторов, включенных в эти ветви.

7.а) Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения^[1], магнитная составляющая электромагнитного поля^[2].Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля)^[3][4]. С математической точки зрения —векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).

Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал.

Магнитное поле можно назвать особым видом материи^[7], посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

Магнитные поля являются необходимым (в контексте специальной теории относительности) следствием существования электрических полей.Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности, свет и все другиеэлектромагнитные волны.Характеристика неоднородного магнитного поля: магнитные линии искривлены;густота магнитных линий различна;сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку, различна в разных точках этого поля по величине и направлению. существует неоднородное магнитное поле

- вокруг прямого проводника с током;

- вокруг полосового магнита;

- вокруг соленоида (катушки с током).

ОДНОРОДНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Характеристика однородного магнитного поля: магнитные линии параллельные прямые;густота магнитных линий везде одинакова; сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку, одинакова во всех точках этого поля по величине и направлению.существует однородное магнитное поле

- внутри полосового магнита и внутри соленоида , если его длина много больше, чем диаметр.

Б) Для характеристики способности магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током вводится векторная величина — магнитная индукция .Силовое действие магнитного поля может обнаруживаться по действию силы Ампера на прямолинейный проводник с током и по вращающему действию на замкнутый контур.При исследовании магнитного поля с помощью прямолинейного проводника с током магнитная индукция определяется следующим образом: модуль магнитной индукции равен отношению максимального значения модуля силы Ампера , действующей на проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине l: Для определения направления вектора индукции нужно расположить прямолинейный проводник в магнитном поле таким образом, чтобы сила Ампера имела максимальное значение.    Раскрытую ладонь левой руки поместим в плоскости, проходящей через вектор силы Ампера и проводник с током. Четыре пальца левой руки расположим по направлению тока в проводнике, а большой палец, отогнутый в плоскости ладони под прямым углом к остальным четырем пальцам,— по направлению вектора силы Ампера. Тогда вектор индукции будет входить перпендикулярно в плоскость ладони

В) Закон Био́—Савара—Лапла́са — физический закон для определения модуля вектора магнитной индукции в любой точке магнитного поля, порождаемого постоянным электрическим током на некотором рассматриваемом участке. Был установлен экспериментально в 1820 году Био и Саваром. Лаплас проанализировал данное выражение и показал, что с его помощью путём интегрирования, в частности, можно вычислить магнитное поле движущегося точечного заряда, если считать движение одной заряженной частицы током.

ФормулировкаПусть постоянный ток течёт по контуру γ, находящемуся в вакууме,— точка, в которой ищется поле, тогда индукция магнитного поля в этой точке выражается интегралом

Направление перпендикулярнои, то есть перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Это направление может быть найдено по правилу нахождения линий магнитной индукции (правилу правого винта): направление вращения головки винта дает направление, если поступательное движение буравчика соответствует направлению тока в элементе. Модуль вектораопределяется выражением

Векторный потенциал даётся интегралом

Вывод из уравнений Максвелла

Закон Био — Савара — Лапласа может быть получен из уравнений Максвелла для стационарного поля. При этом производные по времени равны 0, так что уравнения для поля в вакууме примут вид

,,,

где — плотность тока в пространстве. При этом электрическое и магнитное поля оказываются независимыми. Воспользуемся векторным потенциалом для магнитного поля:

Калибровочная инвариантность уравнений позволяет наложить на векторный потенциал одно дополнительное условие:

Раскрывая двойной ротор по формуле векторного анализа, получим для векторного потенциала уравнение типа уравнения Пуассона:

Его частное решение даётся интегралом, аналогичным ньютонову потенциалу:

Тогда магнитное поле определяется интегралом

аналогичным по форме закону Био — Савара — Лапласа. Это соответствие можно сделать точным, если воспользоваться обобщёнными функциями и записать пространственную плотность тока, соответствующую витку с током в пустом пространстве. Переходя от интегрирования по всему пространству к повторному интегралу вдоль витка и по ортогональным ему плоскостям и учитывая, что

получим закон Био — Савара — Лапласа для поля витка с током.

Г) Магнитное поле прямого тока — создается током, текущего по тонкому прямому бесконечному проводу

  

Вывод формулы для магнитного поля прямого тока :

За постоянную интегрирования возьмем угол α (угол между векторами dl и r) и выразим через него все остальные величины

  

Магнитная индукция, которая создавается одним элементом проводника, равна

  

Поскольку угол α для всех элементов прямого тока изменяется в пределах от 0 до π, то

  

Посчитаем интеграл, и получим формулу Магнитной индукции поля прямого тока

  

Магнитное поле кругового тока — Создается током текущему по тонкому круглому проводу

  

Вывод формулы для магнитного поля кругового тока :

Поскольку расстояние всех элементов проводника до центра кругового тока одинаково и равно R и все элементы проводника перпендикулярны радиусу-вектору (sinα=1), то

  

Тогда у нас получается

  

Решив интеграл, у нас получается формула для магнитного поля кругового тока

  

8.а) Если внести проводник с током в магнитном поле (рис. 86, а), то в результате сложения магнитных полей магнита и проводника произойдет усиление результирующего магнитного поля с одной стороны проводника (на чертеже сверху) и ослабление магнитного поля с другой стороны проводника (на чертеже снизу). В результате действия двух магнитных полей произойдет искривление

магнитных линий, и они, стремясь сократиться, будут выталкивать проводник вниз, (рис. 86, б).

Сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное иоле, называется электромагнитной силой. Направление этой силы можно определить по «правилу левой руки»: если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, как бы входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то большой отогнутый палец руки покажет направление действия силы (рис. 87).

Из рис. 88 видно, что направление силы, действующей на проводник, можно изменить, либо меняя полюсы и изменяя этим направление магнитного поля, либо меняя направление тока  в  проводнике.

Если же поменять направление поля и направление тока в проводнике одновременно, то направление силы, действующей на проводник, не изменится.

Сила F, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле (рис. 89), зависит от величины магнитной индукции В, величины тока I в проводнике, активной длины проводника l и синуса углаαмежду вектором индукции и направлением тока в проводнике:

Для прямолинейного проводника с током, помещенного перпендикулярно к направлению магнитного поля, сила, действующая на проводник, будет равна

так как в этом случае    

Вышеприведенная формула является выражением закона электромагнитных сил. Электромагнитные силы, действующие на проводники с током, которые расположены в магнитном поле, используются в различных электродвигателях для получения вращающего момента, иными словами, для преобразования электрической энергии в механическую. В электрических генераторах (т. е. машинах, преобразующих механическую энергию в электрическую) эти силы создают тормозящий (противодействующий) момент, который преодолевается первичным двигателем, приводящим в движение генератор.

Электромеханические     воздействия магнитного поля на проводники с током используются также в магнитоэлектрических измерительных приборах, применяемых в цепях постоянного тока.

Б) Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B,

F = IBΔl sin α

может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда.  Пусть концентрация носителей свободного заряда в проводнике есть n, а q – заряд носителя. Тогда произведение nqυS, где υ – модуль скорости упорядоченного движения носителей по проводнику, а S – площадь поперечного сечения проводника, равно току, текущему по проводнику:

I = qnυS.

  Выражение для силы Ампера можно записать в виде:

F = qnSΔlυB sin α.

В) Так как полное число N носителей свободного заряда в проводнике длиной Δl и сечением S равно nSΔl, то сила, действующая на одну заряженную частицу, равна

FЛ = qυB sin α.

Эту силу называют силой Лоренца. Угол α в этом выражении равен углу между скоростью ивектором магнитной индукции Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено поправилу левой руки или по правилу буравчика. Взаимное расположение векторов ,идля положительно заряженной частицы показано на рис. 4.18.1.

Модуль силы Лоренца численно равен площади параллелограмма, построенного на векторахипомноженной на заряд q.

Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам и

Г) При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной векторуто частица будет двигаться по окружности радиуса

  Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы (рис. 4.18.2).

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен

  Это выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения не зависит от скорости υ и радиуса траектории R. Угловая скорость движения заряженной частицы по круговой траектории

называется циклотронной частотой. Циклотронная частота не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) частицы. Это обстоятельство используется в циклотронах – ускорителях тяжелых частиц (протонов, ионов). Принципиальная схема циклотрона приведена на рис. 4.18.3. 

3

Рисунок 4.18.3. Движение заряженных частиц в вакуумной камере циклотрона.

9.а) Намагни́ченность — векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела. Обозначается обычно М или J. Определяется как магнитный момент единицы объёма вещества:Здесь,M — вектор намагниченности; m - вектор магнитного момента; V — объём.В общем случае (случае неоднородной, по тем или иным причинам, среды) намагниченность выражается каки является функцией координат.Связь междуM и напряженностью магнитного поля H в диамагнитных и парамагнитных материалах, обычно линейна (по крайней мере, при не слишком больших величинах намагничивающего поля):

где χ_m называют магнитной восприимчивостью. В ферромагнитных материалах нет однозначной связи между M и H из-за магнитного гистерезиса. Магнитная индукция определяется через намагниченность как:

б) Для объяснения намагничения тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи (молекулярные токи). Каждый такой ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследствие чего обусловленное ими результирующее поле равно нулю. В силу хаотической ориентации магнитных моментов отдельных молекул суммарный магнитный момент тела также равен нулю. Под действием поля магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего магнетик намагничивается – его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. Магнитные поля отдельных молекулярных токов в этом случае уже не компенсируют друг друга и возникает поле В’

в)  Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю точно), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаютсяферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о еще более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля. Известно два различных механизма магнетизма:1)зонный магнетизм;2)молекулярный магнетизм.Выделяют несколько основных типов магнетиков, различимых по конфигурации их магнитных структур: 1)ферромагнетики,2)неколлинеарные ферромагнетики,3)антиферромагнетики,4)ферримагнетики,5)гелимагнетики, 6)спиновые стёкла.

Г) Напряжённость магни́тного по́ля — (стандартное обозначение Н) это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M. В СИ: , где - магнитная постоянная. В простейшем случае изотропной (по магнитным свойствам) среды и в приближении достаточно низких частот изменения поля B и H просто пропорциональны друг другу, отличаясь просто числовым множителем (зависящим от среды) B = μ H в системе СГС или B = μ₀μ H в системе СИ (см. Магнитная проницаемость, также см.Магнитная восприимчивость). В вакууме (или в отсутствие среды, способной к магнитной поляризации, а также в случаях, когда последняя пренебрежима) напряженность магнитного поля совпадает с вектором магнитной индукции. В магнетиках (магнитных средах) напряженность магнитного поля имеет физический смысл «внешнего» поля, то есть совпадает (быть может, в зависимости от принятых единиц измерения, с точностью до постоянного коэффициента, как например в системе СИ, что общего смысла не меняет) с таким вектором магнитной индукции, какой «был бы, если магнетика не было».

10.а) Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем 29 августа 1831 года. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Б) Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):где

 — электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура,   — магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.Знак «минус» в формуле отражает правило Ленца, названное так по имени русского физика Э. Х. Ленца:Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.Для катушки, находящейся в переменном магнитном поле, закон Фарадея можно записать следующим образом:где— электродвижущая сила,— число витков,— магнитный поток через один виток,— потокосцепление катушки.

В) Правило Ленца определяет направление индукционного тока и гласит:Индукционный ток всегда имеет такое направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающей этот ток.Правило сформулировано в 1833 году Э. Х. Ленцем. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея при изменении магнитного потока , пронизывающего электрический контур, в нём возбуждаетсяток, называемый индукционным. Величинаэлектродвижущей силы, ответственной за этот ток, определяется уравнением^[1]:где знак «минус» означает, что ЭДС индукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению потока. Этот факт и отражён в правиле Ленца.

Правило Ленца носит обобщённый характер и справедливо в различных физических ситуациях, которые могут отличаться конкретным физическим механизмом возбуждения индукционного тока. Так, если изменение магнитного потока вызвано изменением площади контура (например, за счёт движения одной из сторон прямоугольного контура), то индукционный ток возбуждается силой Лоренца, действующей на электроны перемещаемого проводника в постоянном магнитном поле. Если же изменение магнитного потока связано с изменение величины внешнего магнитного поля, то индукционный ток возбуждается вихревым электрическим полем, появляющимся при изменении магнитного поля. Однако в обоих случаях индукционный ток направлен так, чтобы скомпенсировать изменение потока магнитного поля через контур.

Если внешнее магнитное поле, пронизывающее неподвижный электрический контур, создаётся током, текущим в другом контуре, то индукционный ток может оказаться направлен как в том же направлении, что и внешний, так и в противоположном: это зависит от того, уменьшается или увеличивается внешний ток. Если внешний ток увеличивается, то растёт создаваемое им магнитное поле и его поток, что приводит к появлению индукционного тока, уменьшающего это увеличение. В этом случае индукционный ток направлен в сторону, противоположную основному. В обратном случае, когда внешний ток уменьшается со временем, уменьшение магнитного потока приводит к возбуждению индукционного тока, стремящегося увеличить поток, и этот ток направлен в ту же сторону, что и внешний ток..

Г)Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре^[1] при изменении тока, протекающего по контуру.При изменении тока в контуре пропорционально меняется^[2] и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром^[3]. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем).Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока :

.

Коэффициент пропорциональности называетсякоэффициентом самоиндукции или индуктивностью контура (катушки).

Д) Индукти́вность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, имагнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность^[1], краем которой является этот контур.^[2][3][4].

В формуле— магнитный поток,— ток в контуре,— индуктивность.Через индуктивность выражаетсяЭДС самоиндукции в контуре, возникающая при изменении в нём тока^[4]:.Из этой формулы следует, что индуктивность численно равнаЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.При заданной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током^[4]:.Практически участки цепи со значительной индуктивностью выполняют в видекатушек индуктивности^[4]. Элементами малой индуктивности (применяемыми для больших рабочих частот) могут быть одиночные (в том числе и неполные) витки или даже прямые проводники; при высоких рабочих частотах необходимо учитывать индуктивность всех проводников^[5].Для имитации индуктивности, т.е. ЭДС на элементе, пропорциональной и противоположной по знаку скорости изменения тока через этот элемент, в электронике используются^[6] и устройства, не основанные на электромагнитной индукции (см. Гиратор); такому элементу можно приписать определенную эффективную индуктивность, используемую в расчетах полностью (хотя вообще говоря с определенными ограничивающими условиями) аналогично тому, как используется обычная индуктивность.1)Индуктивность^[10] всегда положительна.2)Индуктивность зависит только от геометрических размеров контура и магнитных свойств среды (сердечника).

Е) Вокруг контура, по которому проходит электрический ток, всегда существует магнитное поле, причем магнитное поле возникает и исчезает вместе с возникновением и исчезновением тока. Следовательно, часть энергии тока идет на создание магнитного поля, которое, подобно электрическому, является носителем энергии. Естественно предположить, что энергия магнитного поля равна работе, которая затрачивается током на создание этого поля. Она равна работе против ЭДС самоиндукции, возникающей при замыкании цепи. Определим эту работу.

Подключим к источнику тока проводящий контур с индуктивностью L. При замыкании цепи за время Δt сила тока увеличится от нуля до некоторого значения I. При этом магнитный поток, создаваемый этим током, возрастет от нуля до значения Среднее значение ЭДС самоиндукции, препятствующей увеличению тока в контуре,За времяΔt через контур переносится заряд где- среднее значение силы тока за времяΔt при равномерном его возрастании. Если изменение тока происходит не равномерно, то необходимо рассматривать малые промежутки времени, в течение которых можно считать ЭДС скорость изменения постоянной).

При переносе заряда q источник тока совершает работу

Работа, совершаемая источником тока против ЭДС самоиндукции, и будет равна энергии W магнитного поля:

Если магнитное поле создано током, проходящим в соленоиде, то магнитная индукция поля внутри соленоидаПодставив эти значенияL и I в формулу для энергии, получим

Так как — объем соленоида, то— энергия магнитного поля соленоида с током.

Согласно теории близкодействия, энергия магнитного поля (как и энергия электрического поля) распределена по всему объему V пространства, в котором существует магнитное поле.

Величина равная энергии магнитного поля, заключенной в единичном объеме этого поля, называетсяобъемной плотностью энергии магнитного поля. Ее можно рассчитать по формуле

где В — модуль индукции магнитного поля, μ — магнитная проницаемость среды, μ₀ — магнитная постоянная.

11.а) Электромагнитные колебания — это периодические изменения со временем электрических и магнитных величин (заряда, силы тока, напряжения, напряженности, магнитной индукции и др.) в электрической цепи.

Для возбуждения и поддержания электромагнитных колебаний требуются определенные системы, простейшей из которых является колебательный контур — цепь, состоящая из включенных последовательно катушки индуктивностью L, конденсатора емкостью С и резистора сопротивлением R (это может быть сопротивление провода катушки и проводов, соединяющих катушку с конденсатором) (рис. 1). Идеальный контур Томсона — колебательный контур без активного сопротивления (R = 0).

Рис. 1 Рассмотрим свободные электромагнитные колебания — колебания, происходящие в идеальном колебательном контуре за счет расходования сообщенной этому контуру энергии, которая в дальнейшем не пополняется. Рисунок 2 иллюстрирует характерные стадии колебаний в контуре за один период.

Отсчет времени t мы начинаем с момента подключения к контуру заряженного конденсатора. В этот момент (рис. 2, а) напряженность электрического поля в конденсаторе (направленная сверху вниз), а также напряжениеU на обкладках конденсатора максимальны, а тока в контуре еще нет, следовательно, отсутствует и магнитное поле.

Рис. 2При этом вся энергия W колебательного контура заключена в электрическом поле конденсатора, т.е.

В промежутке времени от 0 до (рис. 2, б) конденсатор, разряжаясь, создает через контур токI, идущий по часовой стрелке. При этом согласно правилу Ленца в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию этого тока. При разряде конденсатора уменьшаются напряженность электрического поля (сохраняя прежнее направление) и напряжениеU между его обкладками, следовательно, уменьшается энергия электрического поля в конденсаторе. Сила тока I и индукция магнитного поля, создаваемого этим током, увеличиваются, т.е. возрастает энергия магнитного поля в катушке индуктивности. Следовательно, энергия электростатического поля конденсатора превращается в энергию магнитного поля катушки.К моменту времени(рис. 2, в) конденсатор полностью разряжается, напряжениеU между его обкладками становится равным нулю, и электрическое поле в нем отсутствует К этому времени ток 1 в контуре и индукциямагнитного поля этого тока достигают максимальных значений. Следовательно, вся энергия контура заключена в этот момент в его магнитном поле, т.е.

В промежутке времени от допри уменьшении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции и индукционный ток, направление которого, согласно правилу Ленца, совпадает с направлением убывающего разрядного тока.

В результате конденсатор перезаряжается: нижняя обкладка конденсатора получает избыточный положительный заряд, а верхняя — отрицательный. Следовательно, в конденсаторе появляется электрическое поле, напряженность которого направлена снизу вверх. В указанном интервале времени сила тока I в контуре и индукция магнитного поля этого тока убывают, а напряженностьэлектрического поля и напряжениеU между обкладками конденсатора возрастают. Значит, энергия магнитного поля катушки превращается в энергию электрического поля конденсатора.

К моменту времени (рис. 2, д) ток в контуре прекращается, следовательно, исчезает магнитное полеНапряженность электрического поляи напряжениеU конденсатора максимальны. Таким образом, вся энергия колебательного контура заключена теперь в его электрическом поле, т.е.

в промежутке времени от до(рис. 2, е) конденсатор вновь разряжается и создает в контуре ток. Однако теперь положительно заряжена нижняя обкладка конденсатора, поэтому направление токаI в контуре меняется на противоположное. Меняется и направление индукции создаваемого им магнитного поля. Этот ток не может сразу достигнуть максимального значения, так как в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая быстрому нарастанию тока. В указанном промежутке времени сила токаI и индукция магнитного поля этого тока увеличиваются, а напряженность электрического поляи напряжениеU между обкладками конденсатора уменьшаются. Следовательно, электрическая энергия переходит в магнитную.

К моменту времени (рис. 2, ж) конденсатор полностью разряжается, напряжениеU между его обкладками падает до нуля, электрическое поле исчезает а токI в контуре и индукция магнитного поля в этот момент максимальны. Вся электрическая энергия контура превратилась в энергию магнитного поля, т.е.

В промежутке времени от до(рис. 14.2, з) сила тока уменьшается, а возникшая в катушке ЭДС самоиндукции препятствует этому. На верхней пластине появляются избыточные положительные заряды, а на нижней — отрицательные. В конденсаторе появляется электрическое поле, напряженностькоторого направлена теперь сверху вниз. В указанном промежутке времени сила токаI в контуре и индукция магнитного поля убывают, а напряженностьэлектрического поля в конденсаторе и напряжениеU между его обкладками возрастают. Следовательно, магнитная энергия превращается в электрическую.

К моменту времени (рис. 2, и) ток в контуре прекращается, исчезает магнитное поле, а напряженностьэлектрического поля конденсатора и напряжениеU между его обкладками максимальны.

Значит, вся энергия колебательного контура заключена теперь в его электрическом поле, т.е.

вторая перезарядка возвращает контур в исходное состояние.

Таким образом, завершилось полное колебание. В дальнейшем процесс повторяется в уже описанном порядке.

Электромагнитные затухающие колебания возникают в электромагнитной колебательной систему, называемой LCR – контур (Рисунок 3.3).

Рисунок 3.3. Дифференциальное уравнение получим с помощью второго закона Кирхгофа для замкнутого LCR – контура: сумма падений напряжения на активном сопротивлении (R) и конденсаторе (С) равна ЭДС индукции, развиваемой в цепи контура.Падение напряжения:

- на активном сопротивлении: , где I – сила тока в контуре;- на конденсаторе (С): , где q – величина заряда на одной из обкладок конденсатора.

ЭДС, развиваемая в контуре – это ЭДС индукции, возникающая в катушке индуктивности при изменении тока в ней, а следовательно, и магнитного потока сквозь ее сечение: (закон Фарадея).

Подставим значения U_R, U_C, в уравнение, отражающее закон Кирхгофа, получим:.

Сила тока определяется как производная от заряда , тогда , и дифференциальное уравнение примет вид:

.

Обозначим , , получим в этих обозначениях дифференциальное уравнение затухающих колебаний в виде:

Решение дифференциального уравнения или уравнение колебаний для заряда на обкладках конденсатора имеет вид:

 или.

Амплитуда затухающих колебаний заряда имеет вид:, где .

Частота затухающих колебаний в LCR – контуре:

.Период затухающих электромагнитных колебаний:.

Возьмем уравнение для заряда в виде , тогда уравнение для напряженияна обкладках конденсатора можно записать так .Величина называется амплитудой напряжения на конденсаторе.Ток в контуре меняется со временем. Уравнение для силы тока в контуре можно получить, используя соотношение и векторную диаграмму.Окончательное уравнение для силы тока таково:,

где - начальная фаза.

Она не равна α, так как сила тока изменяется не по синусу, что дала бы производная от заряда, а по косинусу.

Энергия колебаний в контуре складывается из энергии электрического поля

и энергии магнитного поля

Полная энергия в любой момент времени:

где W₀ – полная энергия контура в момент времени t=0.

12.а) Электрический ток называется переменным, если он в течение времени меняет свое направление и непрерывно изменяется по величине.

Переменный ток, который используется для подключения бытовых или производственных электрических приборов, изменяется по синусоидальному закону:

i = I_msin(2πft)

• i – мгновенное значение тока

• Im – амплитудное или наибольшее значение тока

• f – значение частоты переменного тока

• t – время

Широко используется переменный ток благодаря тому, что электроэнергия переменного тока технически просто и экономно может быть преобразована из энергии более низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот. Это свойство переменного тока позволяет передавать электроэнергию по проводам на большие расстояния.

Промышленный переменный электрический ток получают при помощи электрических генераторов, принцип работы которых основан на законе электромагнитной индукции. Вращение генератора осуществляется механическим двигателем, использующим тепловую, гидравлическую или атомную энергию.

Переменный однофазный электрический ток имеет следующие основные характеристики:

f – частота переменного тока определяет количество циклов или периодов в единицу времени. За единицу измерения частоты переменного тока принят Герц (Гц):

1гц = 10³кгц = 10⁶мгц

Τ – период – время одного полного изменения переменной величины.Если в 1 секунду происходит 1 период Τ, то частота f = 1 Гц (Герц).

1c = 10³мс = 10⁶мкс = 10¹²нс

В Российской Федерации период Τпеременного тока принят равным 0,02секунды,следовательно по формуле ,f = 1/Τ можно определить частоту переменного тока:f = 1/0,02 = 50 Гц,ω – угловая скорость

Помимо частоты f при изучении цепей переменного тока вводится понятие угловой скорости ω. Угловая скорость ω связана с частотой f следующим соотношением:ω=2πf

При частоте 50 Гц угловая скорость равна 314 рад/с (2 × 3,14 × 50 = 314).Мгновенное значение (i,u,e,p) – значение величины в данный момент, мгновенное.Максимальное или амплитудное значение (Im,Um,Em,Pm). Эффективное значение тока – это величина переменного тока, равная такому току, который на сопротивлении R, создаёт тепловыделение равное данному переменному току, за тоже время t(I,U,E,P).

I =

Im √2

U =

Um √2