150267 (Електрика і електростатика)

Зміст.

1. Вступ. .................................................................................................3.

2. Електростатика...................................................................................4.

а) будова атома ;

б) вимірювання електричних зарядів ;

в) закон Кулона, принцип суперпозиції електричних зарядів.

1. Електричне поле.................................................................................8.

а) поняття електричного поля ;

б) електричне поле точкового заряду ;

в) суперпозиція електричних полів ;

г) потенціал електричного поля ;

д) рух заряджених частинок у електричному полі ;

е) електрична батарея – джерело електричного струму.

1. Електричний струм та електричне коло........................................11.

а) електричний струм;

б) закон Ома;

в) поняття електричного опору;

г) закони Кірхгофа.

1. Електрична ємність..........................................................................14.

а) електричний конденсатор;

б) енергія зарядженого конденсатора;

в) послідовне, паралельне та змішане з’єднання конденсаторів.

1. Магнетизм.........................................................................................17.

2. Електромагнітна індукція. Закон електромагнітної індукції Фарадея………………………………………………………………………….20.

3. Кола змінного струму......................................................................22.

а) ефективні значення сили струму та напруги у колах змінного струму;

б) послідовне та паралельне з"єднання R-, C-, L- компонентів ;

в) будова та принцип дії трансформатора.

1. Висновок...........................................................................................27.

2. Література.........................................................................................28.

3. Додатки.............................................................................................29.

Вступ.

Фізичні принципи та закони мають загальний характер та діють у цілому Всесвіті. Саме тому вивчення фізики має не тільки пізнавальне, але й практичне значення. Тому метою даної роботи є не тільки вивчення англійської фізичної лексики, термінів, а й ознайомитися із рівнем та методикою викладання фізики у вищих навчальних закладах США, порівняти їх із викладанням курсу загальної фізики у нашій державі. І досягти даної мети можна лише опрацювавши підручник Петера Нолана “ Основи фізики ”.

Електростатика.

Явища, що відбуваються у цілому світі ми можемо описати за допомогою кількох фундаментальних взаємодій: гравітаційної, ядерної, тощо. Нам відомі такі величини як маса, час, шлях. У даному розділі ми познайомимося із наступним фундаментальним поняттям – із електричним зарядом.

Електростатика – це один із розділів фізики, що вивчає електричні заряди, що перебувають у стані спокою та під впливом електричних полів.

Наші знання про електричні заряди не нові. Перші досліди по електростатиці провів у 600 р. до н. е. Фалес Мілетський, він спостерігав як шматочки янтарю, натерті шерстю, притягують дрібні предмети.

У природі існує два види електричних зарядів: позитивні та негативні. Негативні заряди ми одержимо, коли шматочки янтарю натерти шерстю, а позитивні, коли скляну паличку натерти шовком.

Проведемо експеримент. До підвішеної до стелі кульки піднесемо заряджену негативно паличку із янтарю. Доторкнувшись до кульки ми побачимо, що вони будуть відштовхуватись одна від одної ( рис. 1 ).

Таку ж картину ми спостерігатимемо і тоді, коли піднесемо до кульки позитивно заряджену скляну паличку, отже на кульку переходить певний електричний заряд, після чого однаково заряджені предмети відштовхуватимуться один від одного. Я кщо ми підвісимо дві кульки та зарядимо їх п ротилежними за знаком зарядами, то кульки будуть притягуватися одна до одної. Отже можна зробити висновок, що протилежні заряди притягуються

Фундаментальний принцип електростатики звучить так: під час взаємодії однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються.

Щоб дати сучасне формулювання електростатики розглянемо будову атома.

а) будова атома.

У п”ятому столітті до нашої ери грецькі вчені – філософи Демокріт та Левкіпп висловили думку, що речовина складається із маленьких частинок, які назвали атомами. Слово “атом “ у перекладі із грецької означає “ неподільний ”. У ХІХ ст.

англійський вчений Джон Дальтон довів, що всі відомі хімічні елементи складаються із атомів.

У 1897 році інший англійський вчений Джон Томсон відкрив електрон, негативно заряджену частинку, яка має масу m_е = 9,1095 ∙ 10^-31 кг. Відкриття електрона висунуло велику кількість проблем у фізиці.

Де знаходиться електрон ? Яка будова атома ?

Всі ці питання стосувалися саме будови атома, бо у тому, що атоми є складними утворами вже не сумнівався ніхто. Оскільки атом є електронейтральним, то повинні бути і позитивні заряди щоб нейтралізувати у атомі негативно заряджені електрони. На початку ХХ століття англійський фізик Ернест Резерфорд ( 1871 – 1937 ) спостерігав відхилення α-частинок на тонкій золотій фользі і виявив, що вони відхиляються на незвично великий кут, що доводить наявність у атомі масивного ядра із великою масою. Згодом Резерфорд створив ядерну модель атома. Його модель атома складалася із маленького позитивно зарядженого ядра у якому зосереджена майже вся маса атома та негативно заряджених електронів, що обертаються навколо ядра. Це нагадувало обертання планет навколо Сонця, тому модель атома Резерфорда назвали планетарною моделлю атома. Саме Резерфорд відкрив позитивно заряджену частинку, відому нам під назвою протон. Згодом було відкрито і нейтрон, частинку, яка взагалі не володіє електричним зарядом. Відмінності між хімічними елементами зумовлені різною кількістю протонів та електронів, які входять е^- до складу атома. Так, наприклад, ядро атомагелію побудоване із двох протонів та двох нейтронів, навколо яких обертається два електрони. У наш час у модель е^- е^- Резерфорда внесено багато змін та 33 2 22222 доповнень, які покращили її. Зокрема було встановлено, що елементарні частинки, такі як протони, електрони, нейтрони, тощо, складаються із кварків – частинок, що володіють дробним елекричним зарядом.

Наведена таблиця, у якій містяться позначення та заряди всіх відомих кварків.

Заряд протона буде рівний:

q =2 ⁄3 +2⁄3 -1 ⁄3 = 1

Кварки у вільному стані виявлені не були і як свідчить теорія вони у вільному стані існувати не можуть.

У природі всі речовини поділяються на провідники та діелектрики. Якщо речовина містить вільні елекрони, то вона є провідником, до них належать майже всі метали. Діелектрики не проводять електричний струм, вони не містять вільних елекронів. До діелектриків відносять, як правило, неметали. Існує також невелика група речовин, які називають напівпровідниками, вони розташовані між провідниками та діелектриками.

Оскільки заряд електрона незначний, то у фізиці величиною для вимірювання електричного заряду є кулон, названий на честь французького фізика Шарля Кулона ( 1736 – 1806 ). Заряд у один кулон еквівалентний сумарному заряду 6,242 ∙10¹⁸ електронів. Заряд одного електрона рівний 1,60219 10 ^–19 Кл, що є сталою величиною у фізиці.

б) методи вимірювання електричних зарядів.

Д ля вимірювання електричних зарядів використовують електроскоп.

Він складається із кулі, з’єднаної з двома тонкими пластинками із алюмінію чи золота. Якщо доторкнутися зарядженою паличкою до кулі то електричні заряди перейдуть на листочки, які заряджаються до однакових зарядів та будуть відштовхуватись один від одного. По величині кута відштовхування і вимірюють електричні заряди.

в) закон Кулона та принцип суперпозиції електричних полів.

Ми спостерігали, що електричні заряди діяли один на одний із певною силою.

Але як виміряти цю силу? Відповідь на це питання дав у 1785 році французький вчений Шарль Кулон. Якщо два точкові електричні заряди q₁ та q₂ розташовані на відстані r один від одного, так як на рисунку 6, то сила взаємодії між q ₁ q₂ двома точковими зарядами q₁ та q₂ rпрямопропорційна добутку їх зарядів та оберненопропорційна квадрату відстані між ними. Дане визначення відоме як закон Кулона, математично який записують так:

F=K· ( 1)

де К – це константа, яка залежить від середовища у якому розташовані електричні заряди. Для вакууму К= 8,986· 10⁹ Н· м²⁄с². Для повітря значення К майже не відрізняється від його значення у вакуумі.

Іноді закон Кулона записують так:

F= · ( 2 )

У формулі (2) константа К рівна: К= , а ε₀ називають універсальною діелектричною сталою, яка рівна ε₀= 8,856 · 10¹² Ф/м². Якщо заряди розташовані не у вакуумі чи повітрі, а у іншому середовищі, тоді буде інше значення сталої ε для цього середовища, а отже і інше значення К. Якщо розміри зарядів більші чим розміри точкових зарядів, закон Кулона використовувати не можна. Це стосується й відстані між зарядами, вона повинна бути значно більшою за розміри самих зарядів.

Якщо у нас є три чи більше точкових зарядів, то сила, яка діє на один із них, визначається як векторна сума сил, що діють з боку інших зарядів на певний вибраний електричний заряд. Математично це записують так:

( 3 )

Вираз під номером 3 математично виражає принцип суперпозиції електричних зарядів.

Електричне поле.

а) поняття електричного поля.

Вивчаючи закон Кулона ми встановили, що заряди q₁ та q₂ взаємодіють між собою із силою F. Виникає питання про те, як переноситься дана взаємодія між зарядами.

Майкл Фарадей ( 1791 – 1867 ), відомий англійський вчений, створив теорію електричного поля. Один із видів матерії – електричне поле розташоване навколо електричного заряду. Саме електричне поле, вважають, і переносить взаємодію між електричними зарядами.

Головною характеристикою електричного поля є напруженість поля . Напруженість електричного поля – це відношення сили , що діє на невеликий додатній пробний заряд q₀ до величини самого заряду q₀:

= (4)

У системі СІ напруженість електричного поля вимірюється у ньютонах ділених на кулон: Н\Кл. дя того, щоб електричне поле пробного заряду не впливало на електричне поле досліджуваного заряду, його величина повинна бути мінімальна.

б) електричне поле точкового заряду.

Електричне поле точкового заряду ми визначаємо за допомогою закону Кулона та формули (4 ).

F=K· , тоді напруженість поля точкового заряду рівна: