Vilka sektioner omfattar elektrostatik? Elektrostatik

... Alla förutsägelser av elektrostatik följer av dess två lagar.
Men det är en sak att uttrycka dessa saker matematiskt, och en helt annan att
applicera dem med lätthet och med precis rätt mängd kvickhet.
Richard Feynman

Elektrostatik studerar interaktionen mellan stationära laddningar. Nyckelexperiment inom elektrostatik utfördes på 1600- och 1700-talen. Med upptäckten av elektromagnetiska fenomen och revolutionen inom teknik som de producerade, tappade intresset för elektrostatik under en tid. Men modern vetenskaplig forskning visar elektrostatikens enorma betydelse för att förstå många processer av levande och livlös natur.

Elektrostatik och liv

1953 visade de amerikanska forskarna S. Miller och G. Urey att en av "livets byggstenar" - aminosyror - kan erhållas genom att passera en elektrisk urladdning genom en gas som till sin sammansättning liknar jordens primitiva atmosfär, som består av av metan, ammoniak, väte och ångvatten. Under de kommande 50 åren upprepade andra forskare dessa experiment och fick samma resultat. När korta strömpulser passerar genom bakterier uppstår porer i deras skal (membran), genom vilka DNA-fragment från andra bakterier kan passera in, vilket utlöser en av evolutionens mekanismer. Den energi som krävs för uppkomsten av livet på jorden och dess utveckling kan alltså verkligen vara den elektrostatiska energin från blixturladdningar (Fig. 1).

Hur elektrostatik orsakar blixtnedslag

Vid varje given tidpunkt blinkar cirka 2 000 blixtar på olika punkter på jorden, cirka 50 blixtar träffar jorden varje sekund och varje kvadratkilometer av jordens yta träffas av blixtar i genomsnitt sex gånger om året. Tillbaka på 1700-talet bevisade Benjamin Franklin att blixtnedslag från åskmoln är elektriska urladdningar som bär negativ avgift. Dessutom förser var och en av urladdningarna jorden med flera tiotals coulombs elektricitet, och amplituden för strömmen under ett blixtnedslag varierar från 20 till 100 kiloampere. Höghastighetsfotografering visade att ett blixtnedslag bara varar i tiondels sekund och att varje blixt består av flera kortare.

Med hjälp av mätinstrument installerade på atmosfäriska sonder mättes i början av 1900-talet jordens elektriska fält, vars styrka vid ytan visade sig vara cirka 100 V/m, vilket motsvarar en total laddning av planeten av cirka 400 000 C. Bäraren av laddningar i jordens atmosfär är joner, vars koncentration ökar med höjden och når ett maximum på en höjd av 50 km, där under påverkan av kosmisk strålning har ett elektriskt ledande skikt bildats - jonosfären. Därför kan vi säga att jordens elektriska fält är fältet för en sfärisk kondensator med en applicerad spänning på cirka 400 kV. Under påverkan av denna spänning flyter hela tiden en ström på 2–4 kA från de övre skikten till de nedre, vars densitet är (1–2) 10 –12 A/m 2 och energi frigörs upp. till 1,5 GW. Och om det inte fanns några blixtar skulle detta elektriska fält försvinna! Det visar sig att vid bra väder laddas jordens elektriska kondensator ur, och under ett åskväder laddas den.

Ett åskmoln är en enorm mängd ånga, varav en del har kondenserats till små droppar eller isflak. Toppen av ett åskmoln kan vara på en höjd av 6–7 km, och botten kan hänga över marken på en höjd av 0,5–1 km. Över 3–4 km består molnen av isflak av olika storlek, eftersom temperaturen där alltid är under noll. Dessa isbitar är i konstant rörelse, orsakade av stigande strömmar av varm luft som stiger upp underifrån från jordens uppvärmda yta. Små isbitar är lättare än stora, och de förs bort av stigande luftströmmar och kolliderar med stora längs vägen. Med varje sådan kollision uppstår elektrifiering, där stora isbitar laddas negativt och små - positivt. Med tiden samlas positivt laddade små isbitar främst i den övre delen av molnet, och negativt laddade stora - längst ner (fig. 2). Med andra ord, toppen av molnet laddas positivt, och botten - negativt. I detta fall induceras positiva laddningar på marken direkt under åskmolnet. Nu är allt klart för en blixtladdning, där luftnedbrytning inträffar och den negativa laddningen från botten av åskmolnet strömmar till jorden.

Det är typiskt att före ett åskväder kan styrkan på jordens elektriska fält nå 100 kV/m, det vill säga 1000 gånger högre än dess värde i bra väder. Som ett resultat ökar den positiva laddningen av varje hårstrå på huvudet på en person som står under ett åskmoln med samma mängd, och de, som trycker ifrån varandra, står på ända (fig. 3).

Fulgurit - spår av blixten på marken

Vid en blixtladdning frigörs energi i storleksordningen 10 9 –10 10 J. Det mesta av denna energi går åt till åska, uppvärmning av luften, ljusblixt och utsändning av andra elektromagnetiska vågor och endast en liten del släpps ut. på den plats där blixten kommer ner i marken. Men även denna "lilla" del är tillräckligt för att orsaka en brand, döda en person eller förstöra en byggnad. Blixten kan värma kanalen genom vilken den rör sig till 30 000°C, vilket är mycket högre än sandens smältpunkt (1600–2000°C). Därför smälter blixten, som slår i sanden, den, och den varma luften och vattenångan, som expanderar, bildar ett rör från den smälta sanden, som efter en tid härdar. Så här föds fulguriter (åska pilar, djävulens fingrar) - ihåliga cylindrar gjorda av smält sand (fig. 4). De längsta utgrävda fulguriterna gick under jorden till ett djup av mer än fem meter.

Hur elektrostatik skyddar mot blixtnedslag

Som tur är sker de flesta blixtnedslag mellan moln och utgör därför inget hot mot människors hälsa. Man tror dock att blixtar dödar mer än tusen människor runt om i världen varje år. Åtminstone i USA, där sådan statistik förs, drabbas cirka tusen människor av blixtnedslag varje år och mer än hundra av dem dör. Forskare har länge försökt skydda människor från detta "Guds straff". Till exempel försvarade uppfinnaren av den första elektriska kondensatorn (Leyden-burken), Pieter van Muschenbrouck, i en artikel om elektricitet skriven för den berömda franska encyklopedin, traditionella metoder för att förhindra blixtnedslag - ringande klockor och avfyrning av kanoner, som han trodde var ganska effektiva .

1750 uppfann Franklin blixtstången. I ett försök att skydda huvudstadsbyggnaden i Maryland från ett blixtnedslag fäste han en tjock järnstång på byggnaden, som sträckte sig flera meter ovanför kupolen och ansluten till marken. Forskaren vägrade att patentera sin uppfinning och ville att den skulle börja tjäna människor så snart som möjligt. Verkningsmekanismen för en blixtstång är lätt att förklara om vi kommer ihåg att den elektriska fältstyrkan nära ytan av en laddad ledare ökar med ökande krökning av denna yta. Därför, under ett åskmoln nära åskledarens spets, kommer fältstyrkan att vara så hög att det kommer att orsaka jonisering av den omgivande luften och en koronaurladdning i den. Som ett resultat kommer sannolikheten att blixten träffar blixtstången öka avsevärt. Kunskapen om elektrostatik gjorde det alltså inte bara möjligt att förklara blixtens ursprung, utan också att hitta ett sätt att skydda sig mot dem.

Nyheten om Franklins blixtledare spreds snabbt över hela Europa, och han valdes in i alla akademier, inklusive den ryska. Men i vissa länder hälsade den hängivna befolkningen denna uppfinning med indignation. Själva tanken att en person så lätt och enkelt kunde tämja Guds vredes huvudvapen verkade hädisk. Därför bröt människor på olika platser av fromma skäl blixtstång.

En märklig incident inträffade 1780 i en liten stad i norra Frankrike, där stadsborna krävde att blixtstångsmasten av järn skulle rivas och saken kom till rättegång. Den unge advokaten, som försvarade åskledaren från obskurantisters attacker, grundade sitt försvar på det faktum att både det mänskliga sinnet och hans förmåga att erövra naturens krafter är av gudomligt ursprung. Allt som hjälper till att rädda ett liv är till det goda, hävdade den unge advokaten. Han vann fallet och fick stor berömmelse. Advokaten hette... Maximilian Robespierre.

Nåväl, nu är porträttet av blixtledarens uppfinnare den mest eftertraktade reproduktionen i världen, eftersom det pryder den välkända hundradollarsedlen.

Elektrostatik som ger livet tillbaka

Energin från kondensatorurladdningen ledde inte bara till uppkomsten av liv på jorden, utan kan också återställa liv till människor vars hjärtceller har slutat slå synkront. Asynkron (kaotisk) sammandragning av hjärtceller kallas flimmer. Hjärtflimmer kan stoppas genom att skicka en kort strömpuls genom alla dess celler. För att göra detta appliceras två elektroder på patientens bröst, genom vilka en puls passerar med en varaktighet på cirka tio millisekunder och en amplitud på upp till flera tiotals ampere. I det här fallet kan urladdningsenergin genom bröstet nå 400 J (vilket är lika med den potentiella energin för en kilovikt som höjs till en höjd av 2,5 m). En enhet som ger en elektrisk stöt som stoppar hjärtflimmer kallas en defibrillator. Den enklaste defibrillatorn är en oscillerande krets som består av en kondensator med en kapacitet på 20 μF och en spole med en induktans på 0,4 H. Genom att ladda kondensatorn till en spänning på 1–6 kV och ladda ur den genom spolen och patienten, vars resistans är ca 50 ohm, kan man få den strömpuls som krävs för att få patienten till liv igen.

Elektrostatik som ger ljus

En fluorescerande lampa kan fungera som en bekväm indikator på elektrisk fältstyrka. För att verifiera detta, medan du är i ett mörkt rum, gnugga lampan med en handduk eller halsduk - som ett resultat kommer den yttre ytan av lampglaset att laddas positivt och tyget - negativt. Så fort detta händer kommer vi att se ljusblixtar dyka upp på de ställen på lampan som vi vidrör med en laddad trasa. Mätningar har visat att den elektriska fältstyrkan inuti ett fungerande lysrör är cirka 10 V/m. Vid denna intensitet har fria elektroner den energi som krävs för att jonisera kvicksilveratomer inuti en lysrörslampa.

Det elektriska fältet under högspänningsledningar - kraftledningar - kan nå mycket höga värden. Därför, om en fluorescerande lampa fastnar i marken under en kraftledning på natten, kommer den att lysa upp, och ganska starkt (fig. 5). Så med hjälp av energin från ett elektrostatiskt fält kan du belysa utrymmet under kraftledningar.

Hur elektrostatik varnar för brand och gör röken renare

I de flesta fall, när man väljer typ av brandlarmdetektor, prioriteras en brandvarnare, eftersom en brand vanligtvis åtföljs av att en stor mängd rök släpps ut och det är denna typ av detektor som kan varna människor i byggnaden om faran. Rökdetektorer använder jonisering eller fotoelektrisk princip för att upptäcka rök i luften.

Joniseringsrökdetektorer innehåller en α-strålningskälla (vanligtvis americium-241) som joniserar luft mellan metallelektrodplattor, vars elektriska motstånd ständigt mäts med hjälp av en speciell krets. Jonerna som bildas till följd av α-strålning ger ledningsförmåga mellan elektroderna, och rökmikropartiklarna som uppträder där binder till jonerna, neutraliserar deras laddning och ökar därmed motståndet mellan elektroderna, som den elektriska kretsen reagerar på genom att larma . Sensorer baserade på denna princip visar mycket imponerande känslighet och reagerar redan innan det allra första tecknet på rök upptäcks av en levande varelse. Det bör noteras att strålningskällan som används i sensorn inte utgör någon fara för människor, eftersom alfastrålar inte kan passera ens genom ett pappersark och helt absorberas av ett flera centimeter tjockt luftlager.

Dammpartiklars förmåga att elektrifiera används i stor utsträckning i industriella elektrostatiska dammsamlare. En gas innehållande till exempel sotpartiklar, som stiger uppåt, passerar genom ett negativt laddat metallnät, som ett resultat av vilket dessa partiklar får en negativ laddning. Partiklarna fortsätter att stiga uppåt och befinner sig i det elektriska fältet av positivt laddade plattor, till vilket de attraheras, varefter partiklarna faller i speciella behållare, varifrån de periodiskt avlägsnas.

Bioelektrostatik

En av orsakerna till astma är avfallsprodukter från dammkvalster (Fig. 6) - insekter på cirka 0,5 mm stora som bor i vårt hus. Forskning har visat att astmaanfall orsakas av ett av de proteiner som dessa insekter utsöndrar. Strukturen av detta protein liknar en hästsko, vars båda ändar är positivt laddade. De elektrostatiska frånstötande krafterna mellan ändarna av ett sådant hästskoformat protein gör dess struktur stabil. Däremot kan egenskaperna hos ett protein ändras genom att neutralisera dess positiva laddningar. Detta kan göras genom att öka koncentrationen av negativa joner i luften med valfri jonisator, till exempel en Chizhevsky-ljuskrona (fig. 7). Samtidigt minskar frekvensen av astmaanfall.

Elektrostatik hjälper inte bara att neutralisera proteiner som utsöndras av insekter, utan också att fånga dem själva. Det har redan sagts att håret "står på ända" om det laddas. Du kan föreställa dig vad insekter upplever när de befinner sig elektriskt laddade. De tunnaste hårstråna på benen divergerar i olika riktningar, och insekterna förlorar förmågan att röra sig. Den här principen bygger på kackerlacksfällan som visas i figur 8. Kackerlackor attraheras av sött pulver som tidigare är elektrostatiskt laddat. Pulver (det är vitt på bilden) används för att täcka den lutande ytan runt fällan. Väl på pulvret blir insekterna laddade och rullar in i fällan.

Vad är antistatiska medel?

Kläder, mattor, överkast etc. föremål laddas efter kontakt med andra föremål, och ibland helt enkelt med luftstrålar. I vardagen och på jobbet kallas laddningar som genereras på detta sätt ofta för statisk elektricitet.

Under normala atmosfäriska förhållanden absorberar naturliga fibrer (bomull, ull, siden och viskos) fukt bra (hydrofilt) och leder därför lätt elektricitet. När sådana fibrer berör eller gnuggar mot andra material, uppstår överskott av elektriska laddningar på deras ytor, men under en mycket kort tid, eftersom laddningarna omedelbart flyter tillbaka genom de våta fibrerna i tyget som innehåller olika joner.

Till skillnad från naturfibrer, absorberar syntetiska fibrer (polyester, akryl, polypropen) inte fukt bra (hydrofob), och det finns färre rörliga joner på deras ytor. När syntetiska material kommer i kontakt med varandra laddas de med motsatta laddningar, men eftersom dessa laddningar rinner mycket långsamt fastnar materialen vid varandra, vilket skapar olägenheter och obehag. Håret ligger förresten väldigt nära syntetfibrer i struktur och är dessutom hydrofobt, så när det kommer i kontakt med till exempel en kam blir det laddat med elektricitet och börjar stöta bort varandra.

För att bli av med statisk elektricitet kan ytan på kläder eller andra föremål smörjas in med ett ämne som håller kvar fukten och därigenom ökar koncentrationen av mobila joner på ytan. Efter sådan behandling kommer den resulterande elektriska laddningen snabbt att försvinna från föremålets yta eller fördelas över det. En ytas hydrofilicitet kan ökas genom att smörja den med ytaktiva ämnen, vars molekyler liknar tvålmolekyler - en del av en mycket lång molekyl är laddad, och den andra inte. Ämnen som förhindrar uppkomsten av statisk elektricitet kallas antistatiska medel. Till exempel är vanligt koldamm eller sot ett antistatiskt medel, därför ingår, för att bli av med statisk elektricitet, så kallad lampsvart i impregneringen av mattor och klädselmaterial. För samma ändamål läggs upp till 3% naturliga fibrer och ibland tunna metalltrådar till sådana material.

Elektrodynamik, som en seriös och mångsidig gren av modern fysik, är uppdelad i flera huvudområden. Elektrodynamik är designat för att studera begreppet elektrisk laddning. Elektrisk laddning är tätt kopplad till det elektromagnetiska fältet. Det är dess materiella ursprungskälla. Det elektromagnetiska fältet i sig är en intern egenskap hos elementarpartiklar som är i ständig interaktion med varandra, vilket ger upphov till olika fysikaliska fenomen och egenskaper hos kroppar. Elektrisk laddning är en skalär fysisk storhet och bestämmer elektromagnetisk interaktion.

Figur 1. Begreppet elektrostatik. Author24 - utbyte av studentverk online

Enligt den första modellen för partikelinteraktion är vilken laddad partikel som helst kapabel att excitera det omgivande utrymmet runt den. I det här fallet kommer varje annan partikel som befinner sig i ett sådant stört utrymme att uppleva en viss kraft. I detta fall är det vanligt att betrakta en partikel som fångas i ett elektromagnetiskt fält. Faktumet av närvaron av en laddad partikel måste nödvändigtvis associeras med källan till denna kraft. Detta är den elektriska komponenten i processen. Den magnetiska basen kommer att vara associerad med dess rörelse. Varje laddad kropp kan betraktas som en samling laddade partiklar som kan skapa ett elektromagnetiskt fält.

Elektrostatik – avsnitt av elektrodynamik

Elektrostatik, som en gren av elektrodynamiken, betraktar interaktionen mellan stationära elektriska laddningar som passerar genom ett elektrostatiskt fält. Laddningar är stationära i förhållande till en annan referensram, så alla slutsatser kan dras på en ungefärlig nivå, men den rör sig alltid med viss hastighet i förhållande till en annan referensram.

Totalt är det vanligt att skilja mellan två typer av elektriska laddningar:

positiv;
negativ.

Elementarpartiklar kan fungera som bärare av sådana elektriska laddningar. Deras sammansättning måste verkligen innehålla atomer. Alla atomer består av:

negativ laddning (elektron);
positiv laddning (proton).

De har några karakteristiska egenskaper. Laddningsenheten är coulomb. En kropp är laddad om den innehåller olika antal positiva och negativa elementarpartiklar.

För manifestationen av ett elektromagnetiskt fält är verkan av elektromagnetiska krafter nödvändig. Den består av formationen:

friktionskrafter;
elastiska krafter;
verkan av elektromagnetiska krafter på nivån av elementarpartiklar.

När man studerar grunderna för elektrostatik är det omöjligt att inte uppehålla sig vid begreppet elektrifiering av kroppar. Detta är en metod för att producera laddade partiklar genom kontakt. I det här fallet kommer kropparna att vara ömsesidigt laddade, men de kommer att bli lika stora och motsatta i laddningens tecken.

Grundläggande begrepp inom elektrostatik

Grundlagen för elektrostatik är Coulombs lag. Den definieras som kraften i samverkan mellan två stationära punktladdade kroppar. Det sker under vakuumförhållanden och är direkt proportionell mot produkten av laddningsmodulerna, och även omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet mellan dem.

Kroppar anses vara punktkroppar i det ögonblick då avståndet mellan dem är mycket större än storleken på själva kropparna. Kroppar interagerar enligt Coulombs lag om de har elektriska laddningar.

Elektrisk fältstyrka är en viss kvantitativ egenskap hos det elektriska fältet. Den kombinerar egenskaperna hos ett maktförhållande. Med denna parameter verkar fältet på en punktladdning. Det är korrelerat med storleken på en given laddning. Fältstyrkan kan inte heller bero på mängden laddning som införs. Det kännetecknar bara hela det elektriska fältet i allmänhet. Riktningen på spänningsvektorn måste helt sammanfalla med riktningen för kraftvektorn som verkar på den positiva laddningen, och den är också motsatt riktningen för kraften som verkar på den negativa laddningen.

Kraftledningar

För att formulera begreppet elektriskt fält på en teoretisk nivå använder de kraftlinjer. Liknande linjer ritas så att spänningsvektorns riktning vid varje punkt sammanfaller med tangentens riktning till kraftlinjen. Kraftlinjer kan ha ett antal karakteristiska egenskaper och egenskaper.

De kan inte skära varandra i ett elektrostatiskt fält. Dessa linjer visar sig vara riktade mot negativa laddningar från positiva laddningar. När de avbildar elektriska fältlinjer tillgriper de olika appliceringstjocklekar. De måste vara proportionella mot storleken på fältstyrkevektorn. Deras densitet ökar i enlighet med spänningen och är alltid proportionell mot den.

Vid en viss punkt i rymden är det vanligt att bara dra en kraftlinje. Detta beror på det faktum att den elektriska fältstyrkan vid denna punkt endast kan specificeras entydigt.

Figur 2. Begreppet elektrodynamik. Author24 - utbyte av studentverk online

Om det elektriska fältet är enhetligt, är intensitetsvektorn också på samma nivå som den. Detta visar sig på alla punkter av fältet i rymden. Ett sådant fält skapas av en platt kondensator. De måste laddas med samma mängd laddning, åtskilda av ett lager av dielektrikum, men detta avstånd måste skapas mindre än själva plattornas storlek.

Elektrisk kapacitet kännetecknar ledarnas förmåga att ackumulera elektrisk laddning vid en viss punkt. Det beror på formen, det relativa arrangemanget av laddningar, storleken på ledarna, såväl som de karakteristiska egenskaperna hos mediet mellan ledarna.

De grundläggande formlerna för elektrostatik är följande. Här presenteras ekvationerna för interaktionen mellan laddningar, elektrisk potential, det elektrostatiska fältets arbete, elektrisk kapacitans samt elektrisk fältstyrka.

Figur 3. Grundformler inom elektrostatik. Author24 - utbyte av studentverk online

Elektrodynamik studerar också kraftlinjerna för det elektrostatiska fältet, det elektrostatiska fältets funktion och ekvipotentiella ytor. Grunderna i en elektrisk krets, lagarna för likström, motstånd och andra definitioner som är karakteristiska för denna gren av fysiken introduceras också.

Federal Agency for Education State Educational Institute of Higher Professional Education Tula State Pedagogical University

uppkallad efter L. N. Tolstoj

Yu. V. Bobylev V. A. Panin R. V. Romanov

ALLMÄN FYSIKKURS

elektrodynamik

Kort föreläsningskurs

Godkänd av Utbildnings- och metodförbundet

inom områden för lärarutbildning vid Ryska federationens utbildnings- och vetenskapsministerium som ett läromedel

för studenter vid högre utbildningsanstalter som studerar i riktningen 540200 (050200)

"Fysik- och matematikundervisning"

Tula Publishing House TSPU im. L. N. Tolstoj

BBK 22.3ya73 B72

Recensent –

Professor Yu. F. Golovnev (Tashkent State Pedagogical University uppkallad efter L. N. Tolstoy)

Bobylev, Yu. V.

B72 Allmän fysikkurs. Elektrodynamik: En kort kurs med föreläsningar / Yu. V. Bobylev, V. A. Panin, R. V. Romanov. – Tula: Tula Publishing House. stat ped. unta im. L. N. Tolstoy, 2007.– 107 sid.

Denna lärobok är en kort föreläsningskurs om elektromagnetism och innehåller det nödvändiga materialet som helt överensstämmer med den statliga utbildningsstandarden.

Manualen är främst avsedd för elever som av en eller annan anledning inte kan delta i eller delta i klassrumslektioner oregelbundet och som ägnar sig åt självutbildning, inklusive distansundervisning.

Genom att minska den matematiska delen kan manualen placeras för elever med icke-fysiska specialiteter.


Förord................................................. ......................................................................
Introduktion................................................. ...................................................................... ........
Föreläsning 1. Elladdning................................................ ......................
Föreläsning 2. Coulombs lag................................................. .......................................

Föreläsning 4. Gauss sats................................................ .......................................
Föreläsning 5. Elektrisk fältpotential......................................... ......
Föreläsning 6. Elektrisk fältpotential (forts.)...................
Föreläsning 7. Ledare i ett elektriskt fält........................................... .......
Föreläsning 8. Dielektrik i ett elektriskt fält........................................... .......
Föreläsning 9. Elektrisk kapacitans. Kondensatorer................................
Föreläsning 10. Elektrostatisk energi......................................... .......
Föreläsning 11. Likström. Grundläggande begrepp och lagar...................
Föreläsning 12. Elektriska kretsar......................................... ......................
Föreläsning 13 Aktuell i metaller................................................... .......................................
Föreläsning 14. Aktuell i ett vakuum........................................... ........................................
Föreläsning 15. Ström i gaser. ................................................................ ............................
Föreläsning 16. Ström i elektrolyter. ................................................................ ..........
Föreläsning 17. Magnetismens grundlagar. ................................................
Föreläsning 18. Magnetismens grundlagar (forts.)................
Föreläsning 19. Rörelse av laddade partiklar i ett magnetfält..........
Föreläsning 20 Elektromagnetisk induktion. ............................................
Föreläsning 21. Elektrisk oscillerande krets...................................
Föreläsning 22. Växelström................................................... ......................................
Föreläsning 23. Elektriskt fält................................................ ......................
Föreläsning 24. Maxwells ekvationer................................................ ..........
Föreläsning 25. Elektromagnetiska vågor.................................................. ....... ....
Slutsats................................................. ............................................
Litteratur................................................. ...................................................

Förord

Författarna till denna manual arbetar vid fakulteten för matematik, fysik och datavetenskap vid Tula State Pedagogical University. L.N. Tolstoy och har redan upprepade gånger undervisat i olika discipliner och specialkurser relaterade till elektromagnetiska processer, inklusive fenomen i icke-jämviktsmateriella medier, som en del av kurser i allmän och teoretisk fysik.

Undervisningserfarenhet, bildad av betydande arbetserfarenhet (från 20 till 25 år), föreslog konceptet att skapa en enda end-to-end-kurs i elektrodynamik. Det bör inkludera, utan duplicering eller upprepning, vilket är ganska viktigt, alla ämnen som studerats i kurserna i allmän och teoretisk fysik, såsom "Elektricitet och magnetism", "Elektrodynamik och grunderna för SRT", "Elektrodynamik för kontinuerliga medier" och så vidare.

En sådan kurs låter dig upprätthålla en enhetlig presentations- och designstil, samma notation, ett enhetligt system av enheter och en liknande användning av matematisk apparatur, vilket säkerligen kommer att förenkla uppfattningen av detta svåra material för studenter.

Det bör noteras att författarnas vetenskapliga intressen ligger inom områdena elektrodynamik för högst icke-jämviktsplasma, olinjära fenomen i elektrodynamiska system och strukturer av olika karaktär, vissa frågor om plasmaelektronik och radiofysik, vilket naturligtvis gör denna handbok till en nära som möjligt moderna vetenskapliga landvinningar.

Implementeringen av detta koncept började 2002 med utgivningen av en lärobok för kursen "Elektricitet och magnetism: en kurs med föreläsningar. Del 1. Elektrostatik”, som godkändes av undervisningsministeriet som ett läromedel för elever i fysik och matematik.

Undervisning med hjälp av denna manual har visat sin otvivelaktiga effektivitet och efterfrågan bland elever. 2004 publicerades en samling problem för kursen "Elektricitet och magnetism". Utarbetandet av dessa material i WEB-dokumentformat gjorde det möjligt att använda dem inte bara för heltidsstudenter utan även för distansundervisning.

I den här manualen används en mer kortfattad "telegrafisk" presentationsstil, och språket är generellt sett långt ifrån akademiskt och är så nära vardagligt som möjligt, som det faktiskt borde vara, eftersom materialet är en notera vad studenten hörde och såg på föreläsningen.

Ett stort antal ritningar används, som dock är schematiska och förenklade. Vissa komplexa formler ges med detaljerade slutsatser, vilket kommer att vara särskilt värdefullt för elever som tar examen från landsbygdsskolor. Dessutom innehåller manualen enligt författarna ett betydande antal exempel på problemlösningar som gör det lättare att förstå

teoretiskt material och bidra till utvecklingen av den blivande lärarens praktiska färdigheter.

I Det internationella enhetssystemet (SI) används som det huvudsakliga systemet.

I I allmänhet motsvarar materialet det minimum som anges i Statens utbildningsnorm för högre yrkesutbildning och läroplanen.

Författarna tror att den här läroboken om elektromagnetism kommer att hjälpa elever som av en eller annan anledning (vi kommer att anse den som giltig) inte kan delta i eller delta i klassrumsklasser oregelbundet och som är engagerade i självutbildning. Det finns fler och fler sådana elever, men att få dem att läsa traditionella läroböcker och noggrant välja den nödvändiga informationen från dem, med hänsyn till dagens realiteter, är mycket problematiskt. Denna handbok innehåller det nödvändiga redan utvalda materialet som helt överensstämmer med den statliga utbildningsstandarden, så att den genomsnittliga studenten får ett positivt betyg på provet utan användning av ytterligare litteratur.

För studenter som vill skaffa sig djupare kunskaper och planerar att fortsätta sina studier på ett masterprogram finns i slutet av denna manual en ganska omfattande lista med användbar litteratur.

Du ska inte tro att den här manualen bara är lämplig för elever som släpar efter. Den är avsedd för alla studenter, den enda skillnaden är att en student som gick på föreläsningen och en student som missade föreläsningen kommer att behöva arbeta med denna manual på olika sätt.

Dessutom, i samband med övergången till utbildning på två nivåer och under villkoren för ökad penetration och implementering av Bolognaprocessens grundläggande idéer, är sådana manualer, som å ena sidan tillräckligt enhetliga för att uppfylla statens strikta krav standard, och å andra sidan har en otvivelaktig "stämpel" av individualitet och kreativa åsikter författare kommer att bli mer och mer efterfrågade på "studentmarknaden".

Det bör också noteras att denna manual, samtidigt som den förkortar den matematiska delen, kan placeras för studenter med icke-fysiska specialiteter.

Tula, april 2007

Introduktion

1. Elektrodynamik som vetenskap

Definition: Elektrodynamik– en vetenskap som studerar beteendet hos det elektromagnetiska fältet som interagerar mellan elektriska laddningar.

2. Historisk bakgrund

Här kan du citera nästan hela kursen om fysiks historia, som vi hänvisar till.

3. Teori om lång- och kortdistansverkan

Under lång tid dominerades fysiken av teorin om långvägsverkan, som, baserat på matematiska lagar, beskrev kropparnas interaktion utan att ange mekanismen för denna interaktion. Detta beror på det faktum att Newtons välformulerade lagar perfekt beskrev alla mekaniska fenomen, utan att själva vara föremål för någon förklaring. Det mekaniska tillvägagångssättet sträckte sig till andra grenar av fysiken (Coulombs lag). Verken av Ostrogradsky, Gauss, Laplace, etc. denna teori fick en fullständig matematisk form. Samtidigt var forskarna oroliga över frågan om hur och med vilken hjälp interaktionen överförs. Faraday introducerade begreppet ett fält, som är bäraren av interaktion. Under lång tid existerade teorier lika.

I kvasistatiska fält leder de till samma resultat. Och först efter Hertz och Popovs experiment med snabbt varierande fält löstes frågan tydligt till förmån för teorin om kortdistanshandling. Man tror att interaktioner mellan laddningar utförs med hjälp av ett elektromagnetiskt fält som fortplantar sig i rymden. I ett vakuum fortplantar sig fältet med en hastighet

c=299792458 m/s≈3,00·108 m/s.

Elektrisk laddning

1. Allmänna begrepp

Definition: Elektrisk laddningär en fysisk storhet som bestämmer det elektromagnetiska fältet genom vilket interaktionen mellan laddningar sker.

Trots de olika sätten att få en laddning finns det bara två typer av elektricitet: "glas" och "harts" ("+" och "–"). Även om det finns en åsikt att detta i själva verket är ett överskott eller brist på el av ett slag, nämligen negativ. I naturen är mängden positiv elektricitet ungefär lika med mängden negativ elektricitet.

2. Metoder för att erhålla elektrifierade karosser

3. Laddningsmätning

Definition: En testladdning är en laddning som inte introducerar förvrängning i det befintliga fältet.

Låt det bli något elektriskt fält. Vi placerar en provladdning någon gång i fältet. Fältet kommer att agera på det med viss kraft.

Vi introducerar ytterligare en testladdning i detta område. Om krafterna är riktade i en riktning, så är laddningarna som, om inte, så är de motsatta.

F 1 = F 2 q 1 q 2

F 1 = const = q 1 F 2 q 2

Genom att känna till förhållandet mellan krafter känner vi också till förhållandet mellan laddningar, och med en av laddningarna som standard anger vi den grundläggande metoden för att mäta laddningar.

4. Ladda enhet

Definition: 1 Coulomb är en SI-enhet för elektrisk laddning lika med laddningen som flyter genom tvärsnittet av en ledare på 1 s vid en konstant ström på 1 A.

5. Lag om bevarande av laddning

Om en energisk foton faller på ett slutet system kan en parad elektrisk laddning skapas. Totalt kommer systemets laddning inte att förändras. Alla experiment visar att laddning har den inneboende egenskapen att vara bevarad, så denna position är upphöjd till postulat.

Lag: I ett slutet system är elektrisk laddning en konstant storhet.

∑ qi = konst.

i=1

6. Ladda jorden

Jordens laddning är negativ.

q = − 6 105 C .

7. Avgiftsinvarians

I grund och botten mäts laddningar genom att jämföra krafter. Kraft är en invariant, dvs. det är samma i olika referenssystem. Därför är laddningsförhållandet också oföränderligt. Och om avgiftsstandarden är densamma kan vi säga att avgiften har samma kvantitativa värde i olika referenssystem.

8. Betalningsdiskret

Alla avgifter kan representeras i formuläret

q = Ne, N = 0, ± 1, ± 2, ...

|e| = 1,6021892(46)·10-19 C - elementär laddning

Elektrisk laddning sägs vara diskret eller kvantiserad, d.v.s. Det finns en viss minimiavgift som inte kan delas upp ytterligare.

9. Modeller av laddade kroppar

Som regel tror man att laddningen kontinuerligt "smetas ut" över kroppen och begreppen fysiskt oändlig laddning och volym introduceras.

<< dV <

10− 27

÷ 10

− 30 m 3 ;

<< dq << Q ;

Bulkdensitet

Ytlig

Linjär densitet

densitet

ρ =

= ρ(x, y, z)

σ = dq

τ = dq

Q = ∫ ρ (x, y, z) dV

Q = ∫ σ dS

Q = ∫ τ dl

V kropp

S kropp

L kropp

10. Poängladdning

Definition: Poängavgift kallas en materiell punkt som har en laddning.

Punktladdningstätheten kan skrivas som en formel;

ρ (r) = q δ (r − r 0 ).

Här är r 0 radievektorn som bestämmer punktladdningens position; δ (r − r 0 )

– Dirac deltafunktion.

11. Deltafunktion eller Dirac-funktion.

I det endimensionella fallet definieras denna funktion enligt följande:

0, x ≠ 0
0, x ≠ 0		∫ δ (x) dx = 1
δ(x) = ∞, x = 0		∫ δ (x) dx = 1

Det följer också av det

Elektrostatik är en gren av vetenskapen om elektricitet som studerar stationära elektriska laddningar. Den är baserad på 3 huvudfakta: förekomsten av två typer av laddningar, närvaron av interaktion mellan dem och principen om superposition (samverkan mellan två laddningar påverkas inte av den tredje).

Och så i naturen finns det två typer av elektriska laddningar. Konventionellt tilldelas en av dem ett plustecken "+" och den andra ett minustecken "-". Det finns ett elektriskt fält runt dessa laddningar, och om dessa laddningar är stationära, så kallas fältet elektrostatiskt.

Figur 1 Negativa och positiva laddningar.

Elektrisk laddning är en diskret storhet. Det vill säga, den består av elementära laddningar av en viss storlek. Och den totala laddningen av någon kropp är en multipel av denna elementära laddning.

När man studerar laddningar i elektrostatik används medelvärdesberäkningsmetoder, både i tid och rum. Detta gör att vi kan betrakta laddningar i kaotisk termisk rörelse som stationära.

Alla laddningar, både positiva och negativa, är en del av ett ämnes molekyler. Således har varje kropp ett stort antal avgifter. Men fenomenen med interaktion av elektrostatiska laddningar kan endast observeras om kroppen har ett överskott (brist) av laddningar av samma tecken.

Lagen om bevarande av laddning säger att om ett system är stängt så är den totala laddningen i det oförändrad. Dessa avgifter kan fördelas på vilket sätt som helst inom systemet, vilket inte kommer att påverka avgiften för systemet som helhet.

Måttenheten för det fält som skapas av elektriska laddningar är intensitet. Den är avbildad grafiskt i form av kraftlinjer. Fältlinjernas täthet anger storleken på fältstyrkan.

Figur 2 fält mellan olika laddningar.

Liknande laddningar stöter alltid bort, och till skillnad från laddningar attraherar. Mellan laddningar av storlekar som kan försummas (punktladdningar) verkar den så kallade Coulomb-kraften. Coulombs lag bestämmer kraften i växelverkan mellan två elektriska laddningar, beroende på deras storlek och avståndet mellan dem.

Formel 1 Coulombs lag

Det elektrostatiska fältet är potential. Detta innebär att arbetet som görs för att flytta en laddning från en punkt till en annan inte beror på formen på laddningsvägen. Om en av punkterna är i oändligheten kan begreppet elektrisk potential introduceras. Det bestämmer det arbete som spenderas på att flytta en laddning från oändligheten till en given punkt i rymden.

Och slutligen, låt oss prata om principen om fältsuperposition. Kärnan i principen är att det resulterande fältet av flera punktladdningar kommer att vara vektorsumman av fälten för var och en av laddningarna separat. Det vill säga, fältet för den tredje laddningen påverkar inte fälten för de andra två laddningarna.

Figur 3 principen för fältsuperposition

De huvudsakliga problemen som elektrostatiken löser är att bestämma laddningsfördelningen över en yta, att känna till ytans potential eller dess totala laddning. Att hitta energin i ett system av ledare, känna till deras laddningar och potentialer. Och även studiet av olika ämnens beteende i ett elektriskt fält.

Encyklopedisk YouTube

1 / 5
Grunden till elektrostatiken lades av Coulombs arbete (även om tio år före honom erhölls samma resultat, även med ännu större noggrannhet, av Cavendish. Resultaten av Cavendishs arbete förvarades i familjens arkiv och publicerades endast ett hundratal år senare); lagen om elektriska interaktioner som upptäcktes av den senare gjorde det möjligt för Green, Gauss och Poisson att skapa en matematiskt elegant teori. Den viktigaste delen av elektrostatik är potentialteorin, skapad av Green och Gauss. Mycket experimentell forskning om elektrostatik utfördes av Rees, vars böcker tidigare utgjorde huvudguiden för studiet av dessa fenomen.

Dielektricitetskonstanten

Att hitta värdet på den dielektriska koefficienten K för något ämne, en koefficient som ingår i nästan alla formler som man har att göra med inom elektrostatik, kan göras på väldigt olika sätt. De vanligaste metoderna är följande.
1) Jämförelse av de elektriska kapacitanserna för två kondensatorer med samma storlek och form, men i en av vilka det isolerande skiktet är ett luftskikt, i den andra - ett skikt av dielektrikumet som testas.
2) Jämförelse av attraktioner mellan ytorna på en kondensator, när en viss potentialskillnad tilldelas dessa ytor, men i ett fall finns det luft mellan dem (attraktionskraft = F 0), i det andra fallet testvätskeisolatorn ( attraktionskraft = F). Den dielektriska koefficienten hittas av formeln:
K = Fo F. (\displaystyle K=(\frac (F_(0))(F)).)
3) Observationer av elektriska vågor (se Elektriska svängningar) som utbreder sig längs ledningar. Enligt Maxwells teori uttrycks hastigheten för utbredning av elektriska vågor längs ledningar med formeln
V = 1 K μ . (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu )))).)
där K betecknar den dielektriska koefficienten för mediet som omger tråden, μ betecknar den magnetiska permeabiliteten för detta medium. Vi kan sätta μ = 1 för de allra flesta kroppar, och därför visar det sig
V = 1 K. (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K))).)
Vanligtvis jämförs längderna av stående elektriska vågor som uppstår i delar av samma tråd som ligger i luften och i testdielektrikumet (vätskan). Efter att ha bestämt dessa längder λ 0 och λ får vi K = λ 0 2 / λ 2. Enligt Maxwells teori följer det att när ett elektriskt fält exciteras i något isolerande ämne, uppstår speciella deformationer inuti detta ämne. Längs induktionsrören är det isolerande mediet polariserat. Elektriska förskjutningar uppstår i den, som kan liknas vid positiv elektricitets rörelser i riktning mot dessa rörs axlar, och genom varje tvärsnitt av röret passerar en mängd elektricitet lika med
D = 14 πKF. (\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi ))KF.)
Maxwells teori gör det möjligt att hitta uttryck för de inre krafter (spännings- och tryckkrafter) som uppstår i dielektrikum när ett elektriskt fält exciteras i dem. Denna fråga övervägdes först av Maxwell själv, och senare mer i detalj av Helmholtz. Ytterligare utveckling av teorin om denna fråga och den nära sammankopplade teorin om elektrostriktion (det vill säga teorin som beaktar fenomen som beror på förekomsten av speciella spänningar i dielektrikum när ett elektriskt fält exciteras i dem) tillhör Lorbergs verk, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller och några andra

Gränsförhållanden

Låt oss avsluta vår korta presentation av de viktigaste aspekterna av elektrostriktion genom att överväga frågan om brytning av induktionsrör. Låt oss föreställa oss två dielektrika i ett elektriskt fält, separerade från varandra av någon yta S, med dielektriska koefficienter K 1 och K 2.
Låt vid punkterna P 1 och P 2 belägna oändligt nära ytan S på vardera sidan om den, potentialernas storlek uttrycks genom V 1 och V 2, och storleken på krafterna som upplevs av en enhet av positiv elektricitet placerad vid dessa punkter genom F 1 och F 2. Sedan för en punkt P som ligger på själva ytan S måste det finnas V 1 = V 2,
d V 1 d s = d V 2 d s , (30) (\displaystyle (\frac (dV_(1))(ds))=(\frac (dV_(2))(ds)),\qquad (30))
om ds representerar en oändlig förskjutning längs skärningslinjen för tangentplanet till ytan S i punkt P med planet som går genom normalen till ytan vid denna punkt och genom riktningen för den elektriska kraften i den. Å andra sidan borde det vara det
K 1 d V 1 d n 1 + K 2 d V 2 d n 2 = 0. (31) (\displaystyle K_(1)(\frac (dV_(1))(dn_(1)))+K_(2)( \frac (dV_(2))(dn_(2)))=0.\qquad (31))
Låt oss beteckna med ε 2 vinkeln som skapas av kraften F2 med normalen n2 (inuti det andra dielektrikumet), och med ε 1 vinkeln som skapas av kraften F 1 med samma normal n 2. Använd sedan formler (31) och (30), finner vi
tg e 1 t g e 2 = K 1 K 2 . (\displaystyle (\frac (\mathrm (tg) (\varepsilon _(1)))(\mathrm (tg) (\varepsilon _(2))))=(\frac (K_(1))(K_( 2))))
Så på ytan som skiljer två dielektrika från varandra, genomgår den elektriska kraften en förändring i sin riktning, som en ljusstråle som kommer in från ett medium till ett annat. Denna konsekvens av teorin motiveras av erfarenhet.
- Total:0
- I kontakt med 0
- Google+ 0
- OK 0
- Facebook 0