Закон Кулона. Электрическое поле. Проводники и диэлектрики в электрическом поле.
Закон Кулона: сила электрического взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
в СИ:
А закон Кулона имеет вид:
=8,85.10-12 Кл2/Н.м2.-называется электрической постоянной.
Если заряды находятся в каком- либо веществе, то закон Кулона имеет вид:
-диэлектрическая проницаемость среды.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД (е) фундаментальная константа, равная абсолютной величине наименьшего электрического заряда, которым может обладать наблюдаемая частица:
е = 1,6.10-19 Кл. Электрический заряд любого тела кратен элементарному.
Электрическое поле является, как и другие физические поля, одним из видов материи; оно существует реально и независимо от наших знаний о нём.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ .Электромагнитное поле, проявляющееся через свое воздействие на заряженные тела (или частицы), независимо от того, движутся они или нет.
Источником электрического поля являются электрические заряды, а также переменное магнитное поле.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ-поле, создаваемое неподвижными зарядами. Силовые линии электростатического поля , либо начинаются на положительных, оканчиваются на отрицательных зарядах, либо одним своим концом уходят в бесконечность. Силовые линии вихревого электрического поля замкнуты.
НАПРЯЖЁННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (Е)
Е- напряжённость эл. поля (В/м); F- сила (Н); q- заряд (Кл).
векторная физическая величина, измеряемая отношением силы, действующей на электрический заряд, к величине этого заряда.
Напряжённость точечного заряда
q - заряд (Кл); ε0- электрическая постоянная (Ф/м); ε - диэлектрическая проницаемость среды;
r - расстояние до заряда (м).
РАБОТА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ – работа, которую совершают электростатические силы при перемещении заряженной частицы из одной точки поля в другую.
А=Eqd
А – работа (Дж); Е - напряжённость эл. поля (В/м); q - заряд (Кл); d - перемещение (м).
ПОТЕНЦИАЛ электростатического поля (φ) - скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии пробного заряда в поле к величине этого заряда. Работа электростатического поля по любой замкнутой траектории равна нулю.
Вводится как энергетическая характеристика поля. Единицей потенциала в СИ является вольт (В).
Разность потенциалов(∆=φ1-φ2)
∆φ- разность потенциалов [В]; А- работа [Дж]; q- заряд [Кл].
Разность потенциалов для электростатического поля совпадает с напряжением.
ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ - поверхность, все точки которой имеют один и тот же потенциал.
Связь напряжённости с разностью потенциалов.
Эта формула позволяет:
Вычислить Е через величины, которые можно измерить.
Получить единицу измерения Е [В/м].
ПРОВОДНИКИ– вещества, содержащие свободные заряженные частицы, то есть частицы, способные перемещаться по всему объему вещества под действием сколь угодно слабого электрического поля.
К проводникам относятся: металлы, электролитические жидкости и плазма. Электрическое поле внутри проводника равно нулю.
ДИЭЛЕКТРИКИ– вещества, не содержащие свободных заряженных частиц.
Диэлектриками при нормальных условиях являются: все газы, многие чистые жидкости (включая воду), пластмассы, неметаллические кристаллы.
Существуют два вида диэлектриков: полярные и неполярные (они различаются строением молекул). Поляризованный диэлектрик сам создаёт эл. поле. Это поле ослабляет внутри диэлектрика внешнее эл. поле.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЁМКОСТЬ конденсатора (С) – скалярная физическая величина, равная отношению заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками. Единицей электроемкости в СИ является фарад (Ф).
С- электроёмкость [Ф]; q- заряд [Кл]; U- напряжение [В].
Электроёмкость плоского конденсатора
ε0 -электрическая постоянная (Ф/м); ε -диэлектрическая проницаемость среды; S- площадь одной из пластин (м2); d- расстояние между пластинами (м).
Виды конденсаторов: Бумажные (обкладки: две ленты тонкой металлической фольги, между ними бумажная лента, пропитанная парафином). Слюдяные ( листки станиоля прокладываются слюдой), могут работать при напряжениях от сотен до тысяч вольт. Керамические (обкладки в виде слоя серебра, нанесённого на поверхность керамики и защищена слоем лака). Широкое распространение получили электролитические конденсаторы.
Задача №1. Антенны нередко электризуются под действием ветра с пылью или сухим снегом. Определите потенциал, до которого зарядилась антенна, если её электроёмкость 200 пФ, а заряд 10-9 Кл.
Задача №2. Какова электроёмкость проводника, если при сообщении заряда 0,2 нКл его потенциал стал равным 40 В? Ответ выразить в пикофарадах (пФ)
Домашнее задание. Выучить конспект. Решить задачу:№754. Какова ёмкость конденсатора, если при его зарядке до напряжения 1,4 кВ он получает заряд 28 нКл?
К лабораторной работе №6
Закон Ома для участка цепи. Сопротивление. Соединение проводников.
ЗАКОН ОМА для участка цепи – сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на его концах к сопротивлению этого участка.
I- сила тока [А]; U- напряжение [В]; R- сопротивление [Ом].
СИЛА ТОКА ( I ) – скалярная физическая величина, равная отношению заряда, переносимого через сечение проводника за малый промежуток времени, к этому промежутку времени.
I- сила тока [А]; q-заряд [Кл]; t- время [с].
СОПРОТИВЛЕНИЕ электрическое (R) – скалярная физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току.
Из закона Ома для участка цепи следует, что при одном и том же напряжении в проводнике с большим сопротивлением течет меньший ток.
R - сопротивление [Ом]; ρ - удельное сопротивление [Ом . м]; l - длина проводника [м]; S - площадь поперечного сечения проводника [м2].
УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения. Единицей удельного сопротивления в СИ является Ом - метр (Ом·м).
Последовательное соединение проводников
Параллельное соединение проводников
Задача №1. Два резистора сопротивлениями 12 и 8 Ом соединены параллельно. Найти общее сопротивление этой цепи.
Задача №2. Чему равно сопротивление участка цепи, если при силе тока 4 мА напряжение на участке равно 2 кВ? Ответ выразить в килоомах (кОм).
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать: §§ 9.1,9.2 (стр.178-181). Решить задачу: №780. Можно ли включить в сеть напряжением 220 В реостат, на котором написано: а) 30 Ом, 5 А; б) 2000 Ом, 0,2 А?
К лабораторной работе №7
Виды источников. ЭДС – источника. Закон Ома для полной цепи.
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА (ЭДС) – скалярная физическая величина, равная отношению работы, совершаемой сторонними силами при перемещении заряда вдоль контура, к величине этого заряда.
ε- (ЭДС) электродвижущая сила (В); Аст- работа сторонних сил (Дж); q- заряд (Кл).
ЭДС является величиной, характеризующей лишь свойства самого источника тока. Единицей ЭДС в СИ является вольт (В).
ИСТОЧНИК ТОКА – в широком смысле: любое устройство, обеспечивающее длительное движение носителей тока в проводниках.
Виды источников: механические источники тока ( динамо-машина); химические – устройства, преобразующие энергию химических (окислительно-восстановительных) реакций в электрическую энергию (к химическим источникам тока относятся гальванические элементы и аккумуляторы); электромагнитные (индукционные генераторы); солнечные батареи.
ЗАКОН ОМА для полной (замкнутой) цепи – сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению, равному сумме внешнего сопротивления и внутреннего сопротивления источника тока.
I- сила тока (А); ε- ЭДС (В); R- внешнее сопротивление цепи (Ом); r- внутреннее сопротивление источника(Ом).
Сила тока короткого замыкания
Задача №1. ЭДС аккумулятора 2 В напряжение на внешнем участке цепи 1,8 В при токе в цепи 2 А. Определите внутреннее сопротивление аккумулятора.
Задача №2. Электрическая цепь состоит из источника тока с ЭДС 7,2 В и потребителя сопротивлением 2 Ом. Чему равна сила тока в цепи, если внутреннее сопротивление источника 1 Ом.
Домашнее задание. Выучить конспект. Решить задачу: № 815. К источнику с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 1 Ом подключён реостат, сопротивление которого 5 Ом. Найти силу тока в цепи и напряжение на зажимах источника.
К лабораторной работе №8
Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца.
РАБОТА ТОКА – работа, которую совершает электрическое поле при прохождении тока по цепи.
А- работа тока (Дж); I-сила тока (А); U- напряжение (В); t- время (с).
Используя закон Ома для участка цепи можно получить ещё два выражения этой работы:
МОЩНОСТЬ ТОКА (P) – скалярная физическая величина, равная отношению работы тока ко времени, за которое она была совершена.
Р- мощность тока (Вт); А- работа тока (Дж); t- время (с).
P - мощность тока (Вт); U - напряжение (В); I - сила тока (А).
Используя закон Ома для участка цепи можно получить ещё два выражения мощности:
ЗАКОН ДЖОУЛЯ –ЛЕНЦА – количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения по нему тока.
Задача №1. За какое время электрический ток на участке цепи совершит работу 16 Дж, если напряжение на этом участке 2,5 В, а сила тока 0,2 А?
Задача №2. Сколько теплоты выделится в проводнике сопротивлением 3 кОм при протекании по нему тока 70 мА в течение 10с?
Домашнее задание. Выучить конспект. Сделать индивидуальное расчётное задание (рассчитать стоимость электроэнергии, потреблённой вашей семьёй за неделю). Прочитать § 9.2 (стр.184-186)Решить задачу: №806. Объяснить, почему при последовательном включении двух ламп мощностью 40 и 100 Вт первая горит значительно ярче второй.
Занятие №15
Магнитное поле. Переменный ток. Получение и передача электроэнергии.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ – распространяющиеся в пространстве возмущения электромагнитного поля. Теоретически предсказаны Дж. Максвеллом (1865); экспериментально открыты немецким физиком Г. Герцем (1888). Обобщение сделанное Максвеллом: магнитное поле может возбуждаться не только движущимися электрическими зарядами, но и любыми переменными во времени электрическими полями. Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, переменное магнитное поле в свою очередь приводит к возникновению переменного электрического поля и т.д. Электромагнитные волны обладают теми же свойствами, что и волны любой другой природы, с учётом того, что они поперечны.
Как мы уже знаем, электрический ток бывает постоянным и переменным. Но широко применяется только переменный ток. Это обусловлено тем, что напряжение и силу переменного тока можно преобразовывать практически без потерь энергии.
ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК – электрический ток, который с течением времени изменяется.
Мгновенное значение силы переменного тока меняется во времени по гармоническому (синусоидальному) закону.
Мгновенное значение силы тока.
i-мгновенное значение силы тока (А); Im- амплитуда силы тока (А); ω- циклическая частота колебаний (рад/с); φс- разность (сдвиг) фаз между колебаниями тока и напряжения.
ДЕЙСТВУЮЩЕЕ ЗНАЧЕНИЕ (эффективное значение) силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, который в данной цепи создал бы тепловой эффект, равный эффекту, создаваемому имеющимся переменным током.
Действующее значение напряжения
Мощность переменного тока
P- мощность переменного тока (Вт); U- действующее значение напряжения (В); I- действующее значение силы тока (А).
Трансформатор (от лат. transformo — преобразовывать) – аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. В простейшем случае трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки с проволочными обмотками. Та из обмоток, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной, а та, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.
Переменный ток создаёт в первичной обмотке переменное магнитное поле, которое и является причиной ЭДС взаимной индукции во вторичной обмотке.
Передача электроэнергии
Потребитель
Понижающий трансформатор
→
Низковольтная линия
→
Подстанция (понижающий трансформатор) →
Высоковольтная линия передачи эл. энергии (ЛЭП) →
Подстанция(повышающий трансформатор) →
ТЭЦ
→
Задача №1. Под каким напряжением находится первичная обмотка трансформатора, имеющая 1000 витков, если напряжение на вторичной обмотке, содержащей 3500 витков, равно 105 В?
Задача №2. Понижающий трансформатор со 110 витками во вторичной обмотке понижает напряжение от 22 000 В до 110 В. Сколько витков в его первичной обмотке? Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 15.12 (Дмитриева). Решить задачу: № 986. Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220 до 660 В. Каков коэффициент трансформации? Сколько витков во вторичной обмотке?
Занятие № 16
Радиосвязь и телевидение. Электромагнитная природа света. Интерференция и дифракция света.
Впервые Александр Степанович Попов публично продемонстрировал свой приёмник 25 апреля (7 мая) 1895 г. на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в физической лаборатории Петербургского университета. Этот день в нашей стране ежегодно отмечается как День радио.
АНТЕННА (лат. antenna – мачта) – устройство для излучения или приема радиоволн. ЗАЗЕМЛЕНИЕ 1) устройство для электрического соединения с землей аппаратов, машин, приборов и т. п. 2) процесс передачи электрического заряда Земле. Земной шар намного больше тел, находящихся на нем, и поэтому, после соприкосновения с Землей заряженное тело отдает ей почти весь свой заряд и становится практически нейтральным. МОДУЛЯЦИЯ – изменение во времени амплитуды, частоты или фазы высокочастотных колебаний по определенному закону. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ – изменение амплитуды высокочастотных электромагнитных колебаний с частотой, равной частоте звукового сигнала.
ДЕМОДУЛЯЦИЯ (детектирование) – процесс выделения низкочастотных (звуковых) колебаний из модулированных колебаний высокой частоты; процесс, обратный модуляции колебаний. Применяется в радиоприемных устройствах, телевидении и др.
РАДИОВОЛНЫ – электромагнитные волны с длиной волны от 5×10–5 до 1010 м. В настоящее время принято выделять следующие диапазоны радиоволн: сверхдлинные волны (с длиной волны в вакууме от 100 до 10 км). Радиоволны находят широкое применение в жизни и деятельности людей. Они применяются в радиовещании, телевидении, радиолокации, радиоастрономии, радиосвязи.
Электромагнитная природа света. До середины 19 века под светом понимали то, что воспринимается нашим глазом, т.е. то что сейчас называется видимым излучением.
Природа света в то время была не ясна. Одни учёные, в частности И. Ньютон и его последователи, рассматривали свет как поток частиц (корпускул). Другие учёные, например Х. Гюйгенс, Т. Юнг, О. Френель рассматривали свет как упругую волну в некоторой особой среде- мировом эфире. Каждая теория обладала достоинствами и недостатками. И лишь в 60-х годах 19 столетия после создания Максвеллом математической теории электромагнитного поля и открытия электромагнитных волн природа света была раскрыта. Оказалось, что свет представляет собой не упругую, а электромагнитную волну.
Это открытие сняло все трудности. Открытие Эйнштейном в 1905 году квантовых свойств света сохранило неизменным представление о свете как о электромагнитной волне, изменилось лишь понимание механизма излучения и поглощения света и его взаимодействия с веществом.
На базе исследований оптических явлений возникли две фундаментальные области современной физики: теория относительности и квантовая физика.
Подлинная революция произошла в оптике в 60-е годы прошлого столетия, в связи с изобретением оптических квантовых генераторов (лазеров). Фронтом волны называют поверхность, все точки которой колеблются в одинаковых фазах. Иначе фронт волны ещё называют поверхностью равных фаз. Принцип Гюйгенса. 
Каждая точка до которой доходит волна, является в свою очередь, центром вторичных волн; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение фронта распространившейся к этому времени волны.
ДИСПЕРСИЯ СВЕТА (лат. рассеяние) – зависимость показателя преломления n вещества (или скорости распространения света) в нем от частоты ν проходящего через него света.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА – сложение двух (или нескольких) световых волн, при котором в одних точках пространства происходит усиление интенсивности света, а в других – ослабление. Является частным случаем общего явления интерференции волн.
Из естественных проявлений интерференции наиболее известно радужное окрашивание тонких пленок (масляные и бензиновые пленки на воде, мыльные пузыри, крылья стрекозы и т. д.).
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА – огибание световыми волнами границы непрозрачных тел и проникновение света в область геометрической тени.
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЁТКА - оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесенных на некоторую поверхность (от 0,25 до 6000 штрихов на 1 мм). Дифракционные решетки используются для разложения электромагнитного излучения (в частности, света) в спектр.
d- период решётки (м); φ- угол под которым виден соответствующий максимум; k- номер максимума; λ- длина световой волны (м).
Задача №1. От ближайшей звезды (α Центавра) свет доходит до Земли за 4,3 года. Каково расстояние до звезды?
Задача №2. Чему равна скорость света, если расстояние от Луны до Земли, примерно равное 3,84 .105 км, он проходит за 1,28 с?
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать §14.1, 18.2. Решить задачу: №1019. Сколько времени идёт свет от Солнца до Земли?
К лабораторной работе №9
Законы отражения и преломления света.
Закон обратимости световых лучей. Согласно нему луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.
ЗАКОН ПРЯМОЛИНЕЙНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА – в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно, то есть световые лучи в такой среде представляют собой прямые линии.
ЗАКОН ОТРАЖЕНИЯ СВЕТ – падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред лежат в одной плоскости и угол падения равен углу отражения.
ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА – падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела двух сред лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная и называется показателем преломления второй среды относительно первой.
Показателем преломления какой-либо среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления. n-показатель преломления; с- скорость света в вакууме (м/с); υ- скорость света в веществе (м/с).
Полное внутреннее отражение: угол преломления 900 и более.
Задача №1. Угол падения светового луча на отражающую поверхность равен 320. Чему равен угол между падающим и отражённым лучами (в градусах)?
Задача №2. Скорость распространения света в алмазе 120 . 103 км/с. Вычислить показатель преломления в алмазе.
Домашнее задание. Выучить конспект. Прочитать § 14.2. Решить задачу: № 1023. Под каким углом должен падать луч света на плоское зеркало, чтобы угол между отражённым и падающим лучами был равен 700?