Наблюдай пристально за природой, и ты будешь всё осознавать намного лучше.
Альберт Эйнштейн
Вопросы к экзамену
Для всех групп технического профиля
Учу малышей тому, как следует обучаться
Нередко сталкиваюсь с тем, что детки не веруют в то, что могут обучаться и научиться, считают, что обучаться очень тяжело.
10. Вопросы к зачету по теме "Электростатика"
Вопросы для подготовки к зачету по теме "Электростатика."
21. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.
22. Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Графическое изображение электрических полей. Характеристики линий напряженности электрического поля.
23. Работа сил электрического поля по переносу заряда. Потенциал, разность потенциалов. Напряжение.
24. Конденсаторы. Электроемкость плоского конденсатора. Энергия заряженного конденсатора.
Ответы.
Часть 1. Главные физические величины, единицы их измерения, формулы для нахождения.
Наименование
Обозначения
Единицы измерения в СИ
Формулы
Электрический заряд
Кл (кулон)
Закон сохранения электрического заряда
Закон Кулона
Напряженность
Н/Кл (ньютон на кулон)
В/м (вольт на метр
Принцип суперпозиции электрических полей
Работа сил электрического поля по переносу заряда.
Потенциал
Разность потенциалов
Напряжение
Электроемкость плоского конденсатора
Энергия заряженного конденсатора
Часть 2. Главные понятия.
1. Электрический заряд (определение, обозначение, ед. измерения).
Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц либо тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. Он определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.
Электрический заряд обычно обозначается знаками q либо Q.
Единица измерения электрического заряда — Кл (кулон)
2. Закон сохранения электрического заряда (определение, формула).
Закон сохранения электрического заряда: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной:
q1 + q2 + q3 + . +qn = const
3. Закон Кулона (определение, формула).
Закон Кулона: Силы взаимодействия недвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и назад пропорциональны квадрату расстояния между ними:
, где k — коэффициент пропорциональности, равный
4. Электрическое поле (определение).
Электрическое поле – это особенная форма материи, которая существует независимо от нас и от наших познаний о нем, порождается электрическими зарядами и определяется по действию на электрические заряды.
Главное свойство электрического поля — действие на электрические заряды с некоторой силой.
5. Напряженность электрического поля (определение, обозначение, формула, ед. измерения).
Напряженностью электрического поля именуют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку места, к величине этого заряда.
Напряженность электрического поля – это векторная величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля, и направленная в сторону деяния силы.
Напряженность обозначается буковкой Е.
Единица напряженности электростатического поля в СИ — Н/Кл (ньютон на кулон)
6. Принцип суперпозиции электрических полей.
Если электрическое поле создается несколькими заряженными телами, то осуществляетсяпринцип суперпозиции (наложения) полей точечных зарядов: напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке места, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами по отдельности:
7. Графическое изображение электрических полей.
Для приятного представления электрического поля применяют силовые полосы.
Силовой линией либо линией напряженности именуется такая линия, в каждой точке которой вектор напряженности поля ориентирован по касательной к ней.
При изображении электрического поля при помощи силовых линий, их густота пропорциональна модулю вектора напряженности поля.
8. Характеристики линий напряженности электрического поля.
Полосы напряженности электрического поля:
1) никогда не пересекаются;
2) не могут быть замкнуты сами на себя;
3) имеют начало на положительном заряде (либо в бесконечности) и завершаются на отрицательном заряде (либо в бесконечности).
9. Работа сил электрического поля по переносу заряда.
Работа A12 по перемещению электрического заряда q из исходной точки (1) в конечную точку (2) равна произведению заряда на разность потенциалов (φ1 – φ2) исходной и конечной точек:
A12 = Wp1 – Wp2 = qφ1 – qφ2 = q(φ1 – φ2)
Потенциалом φ электрического поля — именуют физическую величину, равную отношению возможной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда.
Потенциал обозначается буковкой φ.
Единица измерения потенциала — В (вольт)
11. Разность потенциалов (напряжение) (определение, обозначение, формула, ед. измерения).
Разность потенциалов φ1 – φ2 либо напряжение между 2-мя точками поля численно равно работе сил поля по перемещению единичного заряда q между этими точками.
φ1 – φ2 = U = А / q
Разность потенциалов обозначается φ1 – φ2 , а напряжение обозначается U.
Единица измерения разности потенциалов (напряжения) — В (вольт)
12. Конденсатор (определение). Энергия заряженного конденсатора (формула)..
Система проводников, электроемкость которой не находится в зависимости от наружных критерий и от расположения окружающих тел, получила название конденсатора, а проводники, составляющие конденсатор, именуются обкладками.
Простой конденсатор – тонкий конденсатор – система из 2-ух плоских проводящих пластинок, расположенных параллельно друг дружке на малом по сопоставлению с размерами пластинок расстоянии и разбитых слоем диэлектрика.
13. Электрическая емкость (определение, обозначение, формула, ед. измерения).
Электрическая емкость (электроемкость) — это физическая величина, характеризующая способность проводника либо системы проводников копить электрический заряд.
Электроемкость обозначается C
Единица измерения электроемкости — Ф (фарад)
14. Энергия заряженного конденсатора.
Энергия заряженного конденсатора равна работе наружных сил, которую нужно затратить, дабы зарядить конденсатор.
Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если пользоваться соотношением q = CU .
Электрическую энергию We следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе.
Подробности Просмотров: 12966
Законы и формулы
Для улучшения работы веб-сайта и его взаимодействия с юзерами мы используем файлы cookie, которые сохраняются на Вашем компьютере. Нажимая СОГЛАСЕН, Вы подтверждаете то, что Вы проинформированы об использовании cookies на нашем веб-сайте и разрешаете внедрение cookie-файлов. Отключить cookies Вы сможете в настройках собственного браузера.
На данный момент 118 гостей и ни 1-го зарегистрированного юзера на веб-сайте
Если Вы являетесь создателем материалов либо владельцем прав автора, и Вы возражаете против его применения на моем интернет-ресурсе — пожалуйста, свяжитесь со мной. Информация будет удалена в очень короткие сроки.
Спасибо тем создателям и правообладателям, которые согласны на размещение собственных материалов на моем веб-сайте! Вы вносите бесценный вклад в обучение, воспитание и развитие подрастающего поколения.
Электрический заряд, напряжение, напряженность, потенциал
Хоть какой физический объект в окружающем нас мире состоит из множества простых частиц, владеющих зарядами. Простая частичка протон имеет простый электрический заряд, которому приписывают (условно) положительный символ, простая частичка электрон имеет простый отрицательный заряд.
Содержание:
Электрический заряд
Под электрическим зарядом понимают физическую величину, которая охарактеризовывает способность тел (объектов) вступать в электрическое взаимодействие. Электрический заряд обозначается через q (время от времени для обозначения применяют большую буковку Q) и в Интернациональной системе единиц (СИ) измеряется в Кулонах, [Кл].
Электрический заряд – дискретная величина, кратная простому электрическому заряду 1-го электрона (по модулю) e = 1,60217*10 -9 Кл.
где N – целое число.
С физической точки зрения 1 кулон [Кл] соответствует электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника при силе тока 1 Ампер за 1 секунду.
Заряды есть в 2-ух видах: положительные (+) и отрицательные (-). Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
Сила взаимодействия зарядов ориентирована вдоль прямой, соединяющей их, пропорциональна величине зарядов и назад пропорциональна квадрату расстояния между ними (набросок 1).
Рис. 1. Сила взаимодействия зарядов
где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц;
– единичный вектор, направленный вдоль прямой, соединяющей заряды q1 и q2.
Силу взаимодействия 2-ух зарядов принято именовать кулоновской силой в честь ученого-физика Шарля Кулона, обнаружевшего ее существование.
Если объект (система) не обменивается зарядами с окружающей средой, его именуют электрически изолированным. В таковой системе сумма электрических зарядов (положительных и отрицательных) не изменяется с течением времени, другими словами наблюдается закон сохранения заряда.
Большая часть тел в природе электрически нейтральны, так как содержат заряды обоих типов в одинаковом количестве. Положительные и отрицательные заряды попарно нейтрализуют действие друг дружку. Для перехода тела в заряженное состояние нужно пространственно перераспределить в нем заряды, сконцентрировав одноименные заряды в одной области тела. Это может быть выполнить, к примеру, с помощью трения либо взаимодействия с другим заряженным объектом (набросок 2).
Рис. 2. Переход незаряженного объекта в заряженное состояние
Электрический заряд порождает в окружающем его пространстве непрерывную материю, именуемую электрическим полем. Благодаря электрическому полю заряды имеют возможность вести взаимодействие между собой. В электротехнике электрическое поле характеризуется 2-мя величинами: напряженностью (силовая черта) и потенциалом (энергетическая черта).
Напряженность электрического поля
Напряженность электрического поля – это векторная физическая количественная черта электрического поля. Ее величина указывает силу, которая действует на пробный точечный единичный положительный заряд, помещенный в некоторую точку электрического поля.
Под точечным зарядом понимают облегченную модель положительного заряда, в какой его формой и размером можно пренебречь.
Вектор напряженности по направлению совпадает с вектором силы , с которой электрическое поле действует на положительный точечный заряд, помещенный в заданную точку поля (набросок 3).
Рис. 3. Вектор напряженности E , сделанной зарядом q, в точке А
Величина напряженности поля в точке А определяется согласно формуле
где r – расстояние от заряда q до точки А, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.
Электрическое поле графически изображается линиями напряженности электрического поля, которые условно принято обозначать исходящими из положительно заряженных частей и входящими в негативно заряженные заряды (набросок 4).
а) изолированные заряды б) взаимодействующие заряды
Рис. 4. Рассредотачивание линий напряженности для изолированных (а) и взаимодействующих (б) зарядов
Потенциал, напряжение
Физическую величину, равную отношению возможной энергии W электрического заряда в электростатическом поле к величине самого заряда q, именуют потенциалом φ электрического поля
Потенциал – это скалярная величина, которая указывает, какую работу способно затратить поле, дабы переместить единичный пробный положительный заряд в нескончаемо удалённую точку. Единицей измерения электрического потенциала является вольт, [В].
При всем этом принципиально отметить, что работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки электрического поля в другую не находится в зависимости от формы траектории движения, а зависит только от исходного и конечного положения заряда, также от его величины.
Если имеется некоторая система, состоящая из N точечных зарядов, то потенциал ее электрического поля φ будет равен алгебраической сумме потенциалов полей каждого входящего в него заряда, другими словами
Напряжение электрического поля – это разность потенциалов между 2-мя точками этого поля (набросок 5).
Напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между 2-мя точками поля.
U = A/q [Дж/Кл] либо [В]
Рис. 5. Графическая интерпретация напряжения электрического поля
Напряжение является относительной величиной, другими словами всегда определяется относительно некоторого уровня. Нулевой уровень выбирается произвольно и не оказывает влияние на итоговое значение напряжения, так как соответствует разности потенциалов в 2-ух точках (другими словами изменению возможной энергии). Для простоты расчетов в качестве нулевого уровня почти всегда принимают потенциал заземленного проводника либо земли.
Как уже было отмечено ранее электрическое напряжение – это разность потенциалов 2-ух точек, поэтому его значение определяется по формуле
В системе СИ за единицу измерения напряжения принимается вольт, [В]. На физическом уровне величина напряжения, равная 1 вольту, соответствует работе 1 джоуль при перемещении заряда в 1 кулон.
Электрический заряд. Закон Кулона
Электрический заряд, обозначаемый в интернациональной системе единиц знаками q и Q, считается скалярной физической величиной, которая определяет свойство частички либо тела выступать в качестве источника электромагнитного поля и вступать в прямое взаимодействие с ним. В физике существует некоторое количество видов электромагнитных заряженных частиц, и они именуются положительными либо отрицательными. Обе единицы измеряются в Кулонах, а отыскать их можно путём вычисления произведения 1-го Ампера с одной секундой.
Понятие из учебного пособия
Использование электризации
1.Электрофильтры.
Для чистки воздуха от пыли, к примеру, при производстве цемента, чистки частиц дыма на ТЭС применяют электрофильтры. Наэлектризованные частички пыли притягиваются к заряженному элементу снутри фильтра.
2. Равномерное распыление краски краскопультом.
Читайте также: Как верно определять температуру инфракрасным указателем температуры: обзор B.Well WF-5000
Электростатическая покраска применяется для покрытия железных поверхностей, к примеру, в покрасочном цехе авто кузовов. Для равномерного распыления краски на краскопульт подают отрицательный заряд, а кузову автомобиля докладывают положительный заряд. Негативно заряженные капельки краски умеренно распределяются по поверхности кузова, образуя крепкий, ровненький слой.
3. Изготовка наждачной бумаги.
4. Генератор высокого напряжения Ван де Граафа.
Электризация отыскала практическое использование в науке и технике. До недавнешнего времени в ядерных исследовательских работах на ускорителях простых частиц обширно применялся генератор Ван-дер-Ваальса. С его помощью удавалось генерировать напряжение до нескольких миллионов вольт. Генератор разработан в 1929 году южноамериканским физиком Робертом Ван-дер-Ваальсом. Применяется электризация трением. Заряд переносится на перемещающейся ленте и неоднократно снимается с нее на полый железный проводник.
5. Чистка зерна.
6. Дактилоскопия.
7. Лазерный принтер и ксерокс.
Электризация тел при облучении отыскала использование в ксерокопирование и лазерном принтере.
8. Медицина.
При работе люстры Чижевского появляется огромное количество отрицательно заряженных ионов кислорода. При вдыхании воздуха ионы кислорода отдают электрические заряды эритроцитам крови, а потом – клеточкам. Вследствие чего улучшается обмен веществ в организме.
Формула нахождения заряда
Найти разыскиваемую величину можно из физико-математической формулы силы тока. В согласовании с ней, необходимо перемножить силу тока на время его прохождения по проводнику. Количество заряда можно выяснить через формулу +-ne, где n служит целым числом, а е равно значению = -1,6*10^-19 Кулон.
Направьте внимание! Формула заряда является следствием прямой зависимости напряженности электромагнитного поля от потенциала его частички, что является главным правилом нахождения емкости заряженного конденсатора и величины энергии, скопленной в нём. Не считая того, вычислить количество заряда можно через силу Лоренца.
Главные формулы
Как вычислять при помощи законов
Так как q и Q являются скалярными единицами, вычислить их при помощи законов можно через четкие формулы, выведенные известными учеными-физиками. Например, в согласовании с законом Кулона, можно отыскать величину и силовое направление взаимодействия заряженных частиц между несколькими недвижными телами.
Для вас это будет любопытно Особенности осветительного прибора ДРЛ 250
Читайте также: Как подключить термодатчик к Ардуино
Закон сохранения
Все простые частички разделяются на нейтральные либо заряженные. Они вступают во взаимодействие вместе снутри электромагнитного поля. Частички, которые имеют одноименный электрон, отталкиваются, а разноименный – притягиваются. В первом случае наблюдается излишек электронов, а во 2-м – их недочет. Оба типа частиц заряжаются средством электризации. На практике, при появлении данного явления, заряженные частички равны по модулю, невзирая на противоположность символов. Когда различные частички притягиваются, то между ними происходит электризация и сохранение электрона. При всем этом, сумма всех изолированных системных частиц не меняется, другими словами, q + q + q…= const.
Закон сохранения
Закон Кулона
Выше было сказано, что электрические заряженные наночастицы бывают как положительными, так и отрицательными, а их наличие подтверждается силовым взаимодействием, которое при помощи тестов на весах обрисовал в 1785 году О. Кулон, создав свой физико-математический закон.
Закон Кулона представляет собой физическую закономерность, которая обрисовывает взаимодействие наэлектризованных частиц между не электризованными, зависимо от промежутка между ними. В согласовании с этой формулировкой, чем больше электронов имеет частичка, тем поближе она размещена к другой простой единице заряда, и, соответственно, сила растет.
Направьте внимание! При увеличении расстояния между частичками, сал их взаимодействия постоянно убывает. В математической формуле это смотрится так: F1 = F2 = K*(q1*q2/r2), где q1 и q2 числятся модулями заряженных наночастиц, k является коэффициентом пропорциональности, который находится в зависимости от системного выбора единицы, а r — расстоянием.
Закон Кулона
Единицы измерения заряда. Закон Кулона
В итоге длительных наблюдений учеными было установлено, что разноименно заряженные тела притягиваются, а одноименно заряженные напротив – отталкиваются. Это означает, что между телами появляются силы взаимодействия. Французский физик Ш. Кулон опытным методом изучил закономерности взаимодействия железных шаров и установил, что сила взаимодействия между 2-мя точечными электрическими зарядами будет прямопропорциональна произведению этих зарядов и назад пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерений физических величин, которые входят в формулу, также и от среды, в какой находятся электрические заряды q1 и q2. r – расстояние между ними.
Отсюда можем прийти к выводу, что закон Кулона будет справедлив только точечных зарядов, другими словами для таких тел, размерами которых полностью можно пренебречь по сопоставлению с расстояниями между ними.
В векторной форме закон Кулона будет иметь вид:
Где q1 и q2 заряды, а r – радиус-вектор их соединяющий; r = |r|.
Силы, которые действуют на заряды, именуют центральными. Они ориентированы по прямой, соединяющей эти заряды, при этом сила, действующая со стороны заряда q2 на заряд q1, равна силе, действующей со стороны заряда q1 на заряд q2, и обратна ей по знаку.
Для измерения электрических величин могут употребляться две системы счисления – система СИ (основная) и время от времени могут применять систему СГС.
В системе СИ одной из основных электрических величин является единица силы тока – ампер (А), то единица электрического заряда будет ее производной (выражается через единицу силы тока). Единицей определения заряда в СИ является кулон. 1 кулон (Кл) – это количество «электричества», проходящего через поперечное сечение проводника за 1 с при токе в 1 А, другими словами 1 Кл = 1 А·с.
Коэффициент k в формуле 1а) в СИ принимается равным:
Читайте также: Требования безопасности при работе с электроприборами
И закон Кулона можно будет записать в так именуемой «рационализированной» форме:
Многие уравнения, описывающие магнитные и электрические явления, содержат множитель 4π. Но, если данный множитель ввести в знаменатель закона Кулона, то он пропадет из большинства формул магнетизма и электричества, которые очень нередко используют в практических расчетах. Такую форму записи уравнения именуют рационализированной.
Величина ε0 в данной формуле – электрическая неизменная.
Основными единицами системы СГС являются механические единицы СГС (гр, секунда, сантиметр). Новые главные единицы дополнительно к перечисленным выше трем в системе СГС не вводятся. Коэффициент k в формуле (1) принимается равным единице и безразмерным. Соответственно закон Кулона в не рационализированной форме будет иметь вид:
В системе СГС силу определяют в динах: 1 дин = 1 г·см/с2, а расстояние в сантиметрах. Представим, что q = q1 = q2, тогда из формулы (4) получим:
Если r = 1см, а F = 1 дин, то из этой формулы следует, что в системе СГС за единицу заряда принимают точечный заряд, который (в вакууме) действует на равный ему заряд, удаленный от него на расстояние 1 см, с силой в 1 дин. Такая единица заряда именуется абсолютной электростатической единицей количества электричества (заряда) и обозначается СГСq. Ее размерность:
Для вычисления величины ε0, сравним выражения для закона Кулона, записанные в системе СИ и СГС. Два точечных заряда по 1 Кл каждый, которые находятся на расстоянии 1 м друг от друга, будут вести взаимодействие с силой (согласно формуле 3):
В СГС данная сила будет равна:
Сила взаимодействия между 2-мя заряженными частичками находится в зависимости от среды, в какой они находятся. Дабы охарактеризовывать электрические характеристики разных, сред было введено понятие относительной диэлектрической проницательности ε.
Значение ε это разная величина для различных веществ – для сегнетоэлектриков ее значение лежит в границах 200 – 100 000, для кристаллических веществ от 4 до 3000, для стекла от 3 до 20, для полярных жидкостей от 3 до 81, для неполярных жидкостей от 1,8 до 2,3; для газов от 1,0002 до 1,006.
Также от температуры окружающей среды зависит и диэлектрическая проницаемость (относительная).
Если учитывать диэлектрическую проницаемость среды, в которую помещены заряды, в СИ закон Кулона воспримет вид:
Диэлектрическая проницаемость ε – величина безразмерная и она не находится в зависимости от выбора единиц измерения и для вакуума считается равной ε = 1. Тогда для вакуума закон Кулона воспримет вид:
Поделив выражение (6) на (5) получим:
Соответственно относительная диэлектрическая проницаемость ε указывает, во сколько раз сила взаимодействия между точечными зарядами в некий среде, которые находятся на расстоянии r друг относительно друга меньше, чем в вакууме, при том же расстоянии.
Для раздела электричества и магнетизма систему СГС время от времени именуют системой Гаусса. До возникновения системы СГС действовали системы СГСЭ (СГС электрическая) для измерения электрических величин и СГСМ (СГС магнитная) для измерения магнитных величин. В первой равной единице принималась электрическая неизменная ε0, а 2-ой магнитная неизменная μ0.
В системе СГС формулы электростатики совпадают надлежащими формулами СГСЭ, а формулы магнетизма, при условии, что они содержат только магнитные величины – с надлежащими формулами в СГСМ.
Но если в уравнении сразу будет содержаться и магнитные, и электрические величины, то данное уравнение, записанное в системе Гаусса, будет отличаться от этого же уравнения, но записанного в системе СГСМ либо СГСЭ множителем 1/с либо 1/с2. Величина с равна скорости света (с = 3·1010 см/с) именуется электродинамической неизменной.
Закон Кулона в системе СГС будет иметь вид:
Пример
На 2-ух полностью схожих каплях масла недостает по одному электрону. Силу ньютоновского притяжения уравновешивает сила кулоновского отталкивания. Необходимо найти радиусы капель, если расстояния между ними существенно превосходит их линейные размеры.
Решение
Так как расстояние между каплями r существенно больше их линейных размеров, то капли можно принять за точечные заряды, тогда и сила кулоновского отталкивания будет равна:
Где е – положительный заряд капли масла, равный заряду электрона.
Силу ньютоновского притяжения можно выразить формулой:
Где m – масса капли, а γ – гравитационная неизменная. Согласно условию задачи Fк = Fн, потому:
Читайте также: Проводим ремонт, если не греет термопот.
Масса капли выражена через произведение плотности ρ на объем V, другими словами m = ρV, а объем капли радиуса R равен V = (4/3)πR3, откуда получаем:
В данной формуле неизменные π, ε0, γ известны; ε = 1; также известен и заряд электрона е = 1,6·10-19 Кл и плотность масла ρ = 780 кг/м3 (справочные данные). Подставив числовые значения в формулу получим итог: R = 0,363·10-7 м.
