Електричний заряд і його дискретність

Електричний заряд і його дискретність. Закон збереження заряду.

Закон збереження електричного заряду говорить, що алгебраїчна сума зарядів електрично замкнутої системи зберігається.

q, Q, e - позначення електричного заряду. Одиниці заряду в СІ [q] = Кл (Кулон).

1мкл = 10-3 Кл; 1 мкКл = 10-6 Кл; 1нКл = 10-9 Кл;

е = 1,6 # 8729; 10-19 Кл - елементарний заряд.

Елементарний заряд, е - мінімальний заряд, що зустрічається в природі.

Електрон: qe = - e - заряд електрона; m = 9,1 # 8729; 10-31 кг - маса електрона і позитрона.

Позитрон, протон: qp = + e - заряд позитрона і протона.

Будь-яке заряджене тіло містить ціле число елементарних зарядів:

Формула (1) висловлює принцип дискретності електричного заряду, де N = 1,2,3 ... - ціле позитивне число.

Закон збереження електричного заряду: заряд електрично ізольованої системи з плином часу не змінюється:

Закон Кулона. Польова трактування закону Кулона.

Закон Кулона - це закон про взаємодію точкових електричних зарядів.

Модуль сили взаємодії двох точкових зарядів у вакуумі прямо пропорційний добутку модулів цих зарядів і обернено пропорційний квадрату відстані між ними.

Введемо величину вектора напруженості електричного поля в точці знаходження пробного зоря по формулі

Напруженість електричного поля. Принцип суперпозиції.

Помістивши в деяку точку поля різні заряди, можна встановити, що сила, яка діє на них прямо пропорційна їх величині. Тоді відношення сили, з якою електричне поле діє на заряд, до величини заряду постійно і може бути прийнято за характеристику поля в даній точці. Ця величина називається напруженістю електричного поля і є його силовий характеристикою.

Напруженість - векторна величина, тобто має напрямок; вона спрямована від позитивного заряду до негативного.

Одиниця виміру напруженості - 1 Н / Кл - ньютон на кулон (існує й інша одиниця - 1В / м - вольт на метр).

Сила спрямована туди ж, куди і напруженість, якщо заряд позитивний, і в протилежну сторону, якщо заряд від'ємний.

Якщо на тіло діє кілька сил, то замість них можна розглядати результуючу (рівнодіюча) силу, рівну їх геометричній (векторній) сумі.

Якщо це - сили, що діють на заряд з боку декількох полів, то, розділивши рівність на величину цього заряду, отримаємо за визначенням напруженості:

Це рівняння виражає принцип суперпозиції (накладення) полів. Якщо в даній точці простору заряджені частинки і тіла створюють поля з деякими напряженностямі, то результуюча напруженість дорівнює їх векторній сумі. Рівняння принципу суперпозиції не містить величин в ступеня вище першої, тобто є лінійним. Поля, описувані такими рівняннями, також називаються лінійними. Такі поля не впливають самі на себе. Електромагнітне поле лінійно. Гравітаційне поле лінійно в теорії тяжіння Ньютона і нелінійно в теорії тяжіння Ейнштейна.

Робота електростатичного поля. Потенційність електростатичного поля.

Кулонівські сили є потенційними (консервативними), тобто їх робота не залежить від форми траєкторії, по якій переміщається тіло, і на замкнутому шляху дорівнює нулю. Це випливає з закону збереження енергії - в іншому випадку, переміщаючи заряд з точки А в точку В по одній траєкторії, а назад по інший, можна було б отримати корисну роботу, але насправді це неможливо. Крім цього, закон Кулона має ту саму математичну форму, що і закон всесвітнього тяжіння, значить, так як сили тяжіння потенційні, то і кулонівських сили теж потенційні. Якщо поле потенційно, то становище в ньому двох точок визначає роботу по переміщенню заряду з однієї точки в іншу. Вона дорівнює зміні потенційної енергії, взятому з протилежним знаком

Знаходження електричного поля прямим застосуванням закону Кулона.

Знаходження електричного поля з використанням теореми Гаусса.

Конденсатори і їх ємність.

Конденсатор - система провідників, електрична ємність якої не залежить від оточуючих тел. Він являє собою два провідники, розділені шаром діелектрика, товщина якого мала в порівнянні з розмірами провідників. Ці провідники називають обкладками конденсатора. Електроємність конденсатора може бути досить велика. Конденсатор також є пристроєм для накопичення електричного заряду.

Різниця потенціалів між обкладинками конденсатора пропорційна напруженості його поля, яка, в свою чергу, пропорційна заряду. Отже, відношення заряду до різниці потенціалів не залежить від заряду. Це дозволяє ввести поняття електроємності конденсатора.

Електроємність конденсатора дорівнює відношенню його заряду до різниці потенціалів (напруги) між його обкладинками.

Ємність конденсатора залежить від його форми, розміру, взаємного розташування обкладок і діелектричної проникності розділяє їх середовища. Її можна обчислити, знаючи ці характеристики.

Закони Ома і Джоуля-Ленца.

Закон Ома - фізичний закон, що визначає зв'язок між Електрорушійної силою джерела або напругою з силою струму і опором провідника.

Закон Ома для повного кола:

- ЕРС джерела напруги (В),

- сила струму в ланцюзі (А),

- опір всіх зовнішніх елементів ланцюга (Ом),

- внутрішній опір джерела напруги (Ом).

теж називають «Законом Ома».

Формулювання: Сила струму в ділянці кола прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна електричному опору даної ділянки ланцюга.

Закон Джоуля-Ленца: кількість теплоти, що виділяється в провіднику з струмом, пропорційно квадрату сили струму, часу його проходження і опору провідника.

Закон Джоуля-Ленца в диференціальній формі можна представити як:

де w - потужність виділення тепла в одиниці об'єму, # 963; - провідність середовища, Е - напруженість електричного поля.

Перше правило Кірхгофа: алгебраїчна сума струмів, що сходяться у вузлі, дорівнює нулю.

Перше правило Кірхгофа є наслідком закону збереження заряду, згідно з яким ні в одній точці провідника не повинні накопичуватися або зникати заряди.

Перше правило Кірхгофа можна сформулювати і так: кількість зарядів, що приходять в дану точку провідника за деякий час, дорівнює кількості зарядів, що йдуть з даної точки за той же час.

Друге правило Кірхгофа є узагальненням закону Ома. Друге правило Кірхгофа: в будь-якому замкнутому контурі розгалуженого ланцюга алгебраїчна сума ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі добутків струмів на опору відповідних ділянок цього контуру:

Правила Кірхгофа дозволяють визначити силу і напрям струму в будь-якій частині розгалуженої ланцюга, якщо відомі опору її ділянок і включені в них ЕРС.

Поле елементарного струму.

Векторний потенціал елементарного струму:

- магнітний момент елементарного струму.

У чистому вигляді диамагнетизм зустрічається у речовин, результуючий магнітний момент яких дорівнює нулю, тобто магнітні моменти всіх атомів компенсовані.

Діамагнетизм обумовлений прагненням електричних зарядів екранувати внутрішню частину обсягу тіла від дії зовнішнього магнітного поля і виникає внаслідок зміни орбітального руху електронів під дією поля.

Закон Кюрі - фізичний закон, описує магнітну сприйнятливість парамагнетиків, яка при постійній температурі для цього виду матеріалів приблизно прямо пропорційна додається магнітному полю. Закон Кюрі постулює, що при зміні температури і постійному зовнішньому полі, ступінь намагніченості парамагнетиків обернено пропорційна температурі:

M - отримується намагніченість матеріалу; B - магнітне поле, виміряний в Тесла; T - абсолютна температура в Кельвіна; C - постійна Кюрі даного матеріалу.

Це співвідношення виконується тільки при високих температурах або слабких магнітних полях. У зворотному випадку - тобто при низьких температурах або при сильних полях - магнітна сприйнятливість не підкоряється цим законом.

Коефіцієнт індуктивності (коефіцієнт самоіндукції) - коефіцієнт пропорційності між електричним струмом, поточним в будь-якому замкнутому контурі, і магнітним потоком, створюваним цим струмом через поверхню, краєм якої є цей контур.

- магнітний потік, I - струм в контурі, L - індуктивність.

Одиниці виміру в СІ: Гн.

Магнітна енергія струму.

Всякий електричний струм завжди оточений магнітним полем. Стаціонарні магнітні поля - поля постійних електричних струмів.

Для встановлення струму I в електричному ланцюзі необхідно зробити роботу. Цю роботу проводить джерело струму, включений в ланцюг. У разі наростаючого струму робота джерела більше кількості виділився тепла. Додаткова робота А, що витрачається на збільшення сили струму від 0 до I, дорівнює енергії W, що запасається контуром при встановленні в ньому струму.

де / 2 - власна енергія струму I в даному контурі з індуктивністю L.

Індуктивністю замкнутого проводить контуру називається скалярна величина, що дорівнює відношенню магнітного потоку, зчепленого з контуром (потокосцепления), до сили струму в цьому контурі. Одиницею індуктивності в системі СІ є Генрі (Гн). Це індуктивність такого контуру, в якому при силі струму в 1 А виникає магнітний потік в 1 Вб. 1 Гн = 1 Вб / А.

Збільшення сили струму I в провіднику викликає відповідне посилення його магнітного поля, яке, подібно до електричного поля, володіє енергією. Власна енергія струмів є не що інше, як енергія магнітного поля даного контуру зі струмом.

Як приклад неоднорідного поля можна розглянути магнітне поле у вакуумі, що створюється довгим прямим провідником з постійним струмом I.

Нехай провідник розташований перпендикулярно площині малюнка і електричний струм I спрямований до нас. Силові лінії магнітного поля в цьому випадку є концентричними колами, вісь яких збігається з провідником.

Чим більше відстань до провідника, тим менше магнітна індукція і, отже, об'ємна щільність магнітної енергії.

Метод векторних діаграм.

Метод векторних діаграм, т. Е. Зображення величин, що характеризують змінний струм векторами, а не тригонометричними функціями, дуже зручний.

Змінний струм на відміну від постійного характеризується двома скалярними величинами -амплітуда і фазою. Тому для математичного опису змінного струму необхідний математичний об'єкт, також характеризується двома скалярними величинами. Існують два таких математичних об'єкта - це вектор на площині і комплексне число. У теорії електричних ланцюгів і ті і інші використовуються для опису змінних струмів.

При описі електричного кола змінного струму за допомогою векторних діаграм кожному току і напрузі зіставляється вектор на площині в полярних координатах, довжина якого дорівнює амплітуді струму або напруги, а полярний кут дорівнює відповідній фазі. Оскільки фаза змінного струму залежить від часу, то вважається, що всі вектори обертаються проти годинникової стрілки частотою змінного струму. Векторна діаграма будується для фіксованого моменту часу.

Кожному гармонійному коливання з частотою можна поставити у відповідність обертається з кутовою швидкістю вектор, довжина якого дорівнює амплітуді. а його початкова (стартове) положення задається кутом. збігається з початковою фазою.

За допомогою векторних діаграм також легко здійснити складання гармонійних коливань. Так, якщо необхідно скласти два гармонійних коливання з однаковими частотами

Еталон одиниці сили світла - кандели. Шкала сили світла - адитивна шкала відносин.

Основні поняття і закони геометричної оптики.

Геометрична оптика заснована на уявленні про світлові промені.

Світловий промінь - лінія, вздовж якої поширюється енергія світлового випромінювання. Луч завжди перпендикулярний до хвильової поверхні.

Оптичні властивості речовини характеризуються величиною, званої абсолютним показником заломлення n.

Абсолютний показник заломлення показує у скільки разів швидкість світла у вакуумі з більше швидкості світла в речовині v

Відносний показник заломлення дорівнює відношенню абсолютних показників заломлення в двох середовищах:

n # 8322; # 8321; = N # 8322; / n # 8321 ;; n # 8322; # 8321; = V # 8321; / v # 8322 ;.

де v # 8321; і v # 8322; - швидкість світла в першій і в другій середовищі відповідно.

Основні закони геометричної оптики.

1. Закон прямолінійного поширення світла і слідства з нього:

- в однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно;

- світловий промінь являє собою пряму лінію;

- освіту геометричній тіні;

- при малих отворах спостерігаються відхилення від цього закону внаслідок явища дифракції.

2. Закон відбиття світла:

- промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр, відновлений до кордону розділу двох середовищ у точці падіння лежать в одній площині;

- кут падіння a дорівнює куту відбиття a '

Від різних поверхонь світло відбивається по-різному. Існують наступні види відображення: дзеркальне і дифузне.

3. Закон заломлення світла:

- промінь падаючий, промінь переломлений і перпендикуляр, відновлений до кордону розділу двох середовищ у точці падіння лежать в одній площині.

- відношення синуса кута падіння a до синусу кута заломлення b є постійною величиною, званої відносним показником заломлення двох середовищ.