Электричество и магнетизм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электричество и магнетизм

1. Электрический заряд. Закон Кулона. Электрическое поле, его напряженность и потенциал. Связь напряженности и потенциала

Электрический заряд -- это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях. Заряд является количественной характеристикой. Единица измерения заряда в СИ -- кулон -- электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1А за время 1с.

Закон Кулона -- это закон о взаимодействии точечных электрических зарядов. Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Электрическое поле -- одна из составляющих электромагнитного поля, особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Напряжённость электрического поля -- векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда

q: .

Электростатический потенциал -- скалярная энергетическая характеристика электростатического поля, характеризующая потенциальную энергию поля, которой обладает единичный заряд, помещённый в данную точку поля. Электростатический потенциал равен отношению потенциальной энергии взаимодействия заряда с полем к величине этого заряда:

.

Электрическое поле характеризуется двумя физическими величинами: напряженностью (силовая характеристика) и потенциалом (энергетическая характеристика):

2. Поток напряженности электростатического поля. Теорема Остроградского-Гаусса

Формула Остроградского -- формула, которая выражает поток векторного поля через замкнутую поверхность интегралом от дивергенции этого поля по объёму, ограниченному этой поверхностью:

то есть интеграл от дивергенции векторного поля , распространённый по некоторому объёму T, равен потоку вектора через поверхность S, ограничивающую данный объём.

Формула применяется для преобразования объёмного интеграла в интеграл по замкнутой поверхности.

3. Электрический диполь. Дипольный момент. Поле диполя

Электрический диполь - система двух точечный зарядов +Q и -Q, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. На диполь, находящийся в электрическом поле, действует пара сил, стремящихся установить его вдоль силовых линий.

Электрический диполь представляет собой физическую модель макроскопического тела с выраженными по электрическому полю полюсами с противоположными знаками, обусловленными распределением свободных электрических зарядов.

Дипольный момент -- векторная физическая величина, характеризующая электрические свойства системы заряженных частиц. Электрический дипольный момент определяет электрическое поле диполя на большом расстоянии от него, а также воздействие на диполь внешнего электрического поля.

4. Проводники в электростатическом поле. Распределение свободных зарядов. Поле и потенциал внутри проводника

Проводники -- это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях -- вода (хотя вода не полностью проводник, так на половину или даже на треть), ртуть, электролиты, при высоких температурах -- расплавы металлов. Пример проводящих газов -- ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества при нормальных условиях являющиеся изоляторами при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании и т. п.

Проводниками также называют части электрических цепей -- соединительные провода и шины.

5. Электростатическое поле в диэлектрике. Свободные и связанные заряды. Диэлектрические восприимчивость и проницаемость. Электрическая индукция

Диэлектрик (изолятор) -- материал, плохо проводящий или совсем не проводящий электрический ток. Диэлектрики в электростатическом поле поляризуются. Диэлектрики (например стекло, пластмасса) -- тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.

Свободные заряды - электрические заряды, способные перемещаться внутри вещества под действием электрического поля. Свободные заряды не принадлежат конкретным атомам или молекулам.

Связные заряды - электрические заряды, входящие в состав атомов и молекул вещества и проявляющиеся при их деформации.

Электростатическая индукция -- явление наведения собственного электростатического поля, при действии на тело внешнего электрического поля. Явление обусловлено перераспределением зарядов внутри проводящих тел, а также поляризацией внутренних микроструктур у непроводящих тел.

Диэлектрическая восприимчивость вещества ?e -- физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость (е), величина, характеризующая диэлектрические свойства среды -- её реакцию на электрическое поле. D = eЕ, где Е -- напряжённость электрического поля, D -- электрическая индукция в среде.

6. Сила и плотность тока. Законы Ома и Джоуля-Ленца

Сила тока (часто просто «ток») в проводнике -- скалярная величина, численно равная заряду , протекающему в единицу времени через сечение проводника. Обозначается буквой . Единица измерения в системе СИ -- 1 Ампер (А) = 1 Кулон / секунду.

Закон Ома -- открыт в 1826 году, это физический закон, определяющий связь между напряжением, силой тока и сопротивлением проводника в электрической цепи. Формулировка: Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению этого участка

.

Где: I -- сила тока (А), U -- напряжение (В), R -- сопротивление (Ом).

Закон Джоуля -- Ленца -- физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. В словесной формулировке звучит следующим образом: Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

.

Где w -- мощность выделения тепла в единице объёма, -- плотность электрического тока, -- напряжённость электрического поля, ? -- проводимость среды.

7. Проводники второго рода. Законы Фарадея

Проводники бывают первого и второго рода. К проводникам первого рода относят те проводники, в которых имеется электронная проводимость (посредством движения электронов). К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью (электролиты).

Электролит -- вещества, расплавы или растворы которых проводят электрический ток вследствие диссоциации на ионы, однако сами вещества не проводят электрический ток. Примерами электролитов могут служить растворы кислот, солей и оснований. Электролиты -- проводники второго рода, вещества, которые в растворе (или расплаве) состоят полностью или частично из ионов, и обладающие вследствие этого ионной проводимостью.

Электромагнитная индукция -- явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в системе СИ):

,

где -- электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура, -- магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур.

В 1832 году Фарадей установил, что масса M вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит:

если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток с силой тока I. Коэффициент пропорциональности называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

Второй закон Фарадея записывается в следующем виде:

где -- молярная масса данного вещества, -- сила тока, пропущенного через вещество или смесь веществ (раствор, расплав), -- время, в течение которого проводился электролиз, -- постоянная Фарадея, -- число участвующих в процессе электронов.

8. Взаимодействие токов. Индукция и напряжённость магнитного поля. Закон Био-Савара-Лапласа. Сила Лоренца

электрический ток напряженность заряд

Французский физик А. Ампер наблюдал силовое взаимодействие двух проводников с токами и установил закон взаимодействия токов. По современным представлениям, проводники с током оказывают силовое действие друг на друга не непосредственно, а через окружающие их магнитные поля. Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи).

Магнитная индукция -- векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства. Показывает, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся с определённой скоростью .

или ,

где ? -- угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Напряжённость магнитного поля -- это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности

J. ,

где ?0 - магнитная постоянная.

Закон Био--Савара--Лапласа -- физический закон для определения модуля вектора магнитной индукции в любой точке магнитного поля, порождаемого постоянным электрическим током на некотором рассматриваемом участке.

Пусть постоянный ток i течёт по контуру ?, находящемуся в вакууме, r0-- точка, в которой ищется поле, тогда индукция магнитного поля в этой точке выражается интегралом (в системе СИ):

Сила Лоренца -- сила, с которой, в рамках классической физики, электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу.Силой Лоренца называют иногда силу, действующую на движущийся со скоростью v заряд q лишь со стороны магнитного поля, нередко же полную силу -- со стороны электромагнитного поля вообще иначе говоря, со стороны электрического E и магнитного B полей в системе

СИ: F=q(E+[v,B])

Частным случаем силы Лоренца является сила Ампера.

8. Магнитные свойства тел. Диамагнетизм. Парамагнетизм. Ферромагнетизм

Магнитные свойства вещества:

-Антиферромагнетики -- магнитные моменты вещества направлены противоположно и равны по силе.

-Диамагнетики -- вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля.

-Парамагнетики -- вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля.

-Ферромагнетики -- вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов

-Ферримагнетики -- материалы, у которых магнитные моменты вещества направлены противоположно, но не равны по силе.

Диамагнетизм -- один из видов магнетизма, который проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего поля.

Термин «Парамагнетизм» ввёл в 1845 году Майкл Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные. Парамагнетики -- вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам.

Ферромагнетик -- такое вещество, которое при охлаждении ниже определённой температуры приобретает магнитные свойства.

9. Электромагнитная индукция. Закон Фарадея и правило Ленца

Электромагнитная индукция -- явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в системе СИ):

,

где электродвижущая сила, действующая вдоль произвольно выбранного контура - , магнитный поток через поверхность, натянутую на этот контур - .

Правило Ленца:

Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

10. Характеристики магнитного поля. Взаимосвязь электрических и магнитных полей

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.

Магнитная индукция -- векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства.

Магнитный поток -- поток как интеграл вектора магнитной индукции через конечную поверхность

Магнитная проницаемость -- физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукцией B и напряжённостью магнитного поля H в веществе.

Напряжённость магнитного поля -- это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности J.

Электромагнитное поле -- фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представимое как совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга.

11. Законы электромагнитного поля. Уравнения Максвелла

Обычно, говоря об уравнениях Максвелла, имеют в виду законы электромагнитного поля, которое понимается как объединение электрического и магнитного полей.

Уравнения Максвелла -- система дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.

,

,

,

12.Энергия электрического и магнитного поля

Для электрического и магнитного полей их энергия пропорциональна квадрату напряжённости поля. Вычисление полной энергии электрического поля даже одного электрона приводит к значению равному бесконечности, поскольку соответствующий интеграл расходится. Бесконечная энергия поля вполне конечного электрона составляет одну из теоретических проблем классической электродинамики. Вместо него в физике обычно используют понятие плотности энергии электромагнитного поля (в определенной точке пространства). Общая энергия поля равняется интегралу плотности энергии по всему пространству.

Плотность энергии электромагнитного поля является суммой плотностей энергий электрического и магнитного полей.

Размещено на Allbest.ru