Реферат: Электризация. Электростатика вокруг нас. Реферат по физике на тему электростатика

Курсовая работа - Электризация. Электростатика вокруг нас

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ НЕТИПОВОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ГУБЕРНАТОРСКИЙ МНОГОПРОФИЛЬНЫЙ ЛИЦЕЙ-ИНТЕРНАТ»

Научно-исследовательское общество лицеистов «Юность. Поиск. Открытие»

IX научно-исследовательская конференция «Мы­–будущие Кузбасса»

Секция точных наук

Электризация. «Электростатика вокруг нас»

(зачетная работа)

Автор: Шепить Сергей, 9 «А» класс

Научный руководитель: Иванов С.А.,

учитель физики высшей квалификационной

категории

2010г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВСТУПЛЕНИЕ

Глава 1 Понятие электростатики

Глава 2 Человек и статическое напряжение

Глава 3 Применение электростатики в акустике

Глава 4 Плюсы и минусы статического электричества

4.1 Плюсы

4.2 Минусы

СОДЕРЖАНИЕ

Цель работы:

Задача работы:

Введение

Из жизни мы хорошо знаем, что многие предметы после натирания начинают притягивать к себе соринки, бумажки, волосы и т.д. Наша жизнь сегодня такова, что далеко не всегда мы задумываемся о том, что происходит вокруг нас, и уж тем более почему. Мы очень часто говорим, что мир слишком сложен, и мы не можем, да и не имеем времени на то, чтобы остановиться и попытаться сделать хоть небольшой шаг к его пониманию. А на самом деле человек вынужден подчас бороться с отрицательными воздействиями статического электричества и изобретать различные антистатики, браслеты для специалистов, обслуживающих современную электронику, спецодежду и т.д. Впрочем, всё не так уж и сложно, что касается хоть той же расчески. В основе этого явления лежит поляризация диэлектриков, а это явление из электростатики, которая в свою очередь одна из электромагнитных сил, которые в своей совокупности составляют 97% от всех существующих в природе сил, с которыми и благодаря которым мы живем как днем, так и ночью.

Глава 1. Понятие электростатика.

В природе существуют два рода электрических зарядов, условно назывные «положительными» и «отрицательными» зарядами. Носителями электрических зарядов являются элементарные частицы, входящие в состав атомов,– электрон, заряженный отрицательно, и протон с положительным зарядом. Электрические заряды взаимодействуют таким образом, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Взаимодействие, покоящихся электрических зарядов, осуществляется с помощью электростатического поля, которое передает действие одних наэлектризованных тел на другие. Электростатическое поле представляет собой одну из форм материи, существующую в пространстве вокруг электрического заряда и проявляющую себя силами, действующими на другие заряды, расположенные в этом пространстве. Сила взаимодействия между двумя покоящимися точечными зарядами определяется законом Кулона, установленным опытным путем: в воздухе сила взаимодействия пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: Она направлена по прямой, соединяющей две точки, в которых расположены заряды.

Взаимодействие электрических зарядов было количественно описано Кулоном, но оставался вопрос: как же именно один заряд оказывает действие на другой? Согласно теории близкодействия, удалённые тела могут взаимодействовать только за счёт промежуточных звеньев или среды, передающих взаимодействие от точки к точке; передача взаимодействия происходит с конечной скоростью. Многие учёные для объяснения электромагнитных взаимодействий на основе этой теории придумывали невидимые всевозможные атмосферы и истечения, вокруг заряженных тел, но науке эти размышления ничего не давали.

Максвелл не смог доказать это экспериментально, но в этом теперь нет необходимости, так как известно множество фактов, подтверждающих, что электромагнитное поле реально, а электромагнитные взаимодействия передаются с конечной скоростью. В настоящее время теория близкодействия полностью подтверждена. Электромагнитные взаимодействия передаются в электромагнитном поле. По современным представлениям, гравитационные взаимодействия осуществляются гравитационным полем (полем тяготения). Скорость их распространения равна скоростисвета, это доказано экспериментально в 2004 году.

• Электрическое поле материально, то есть реально существует. Его природу, строение и механизм действия невозможно установить на данном этапе развития науки. Зато можно установить его свойства. Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Электростатическое поле создаётся только электрическими зарядами. Оно постоянно существует в пространстве, окружающем эти заряды.
• Электрическое поле действует на находящиеся в нём заряды с некоторой силой, зависящей от расстояния до порождающего поле заряда.
• Электрическое поле неограниченно в пространстве. Сила, с которой оно действует на заряд, уменьшается с расстоянием, но не до нуля (из закона Кулона следует, что сила равна нулю, если равен нулю хотя бы один из зарядов, а в этом случае не имеет смысла говорить о взаимодействии).
• Электрическое поле взаимопроницаемо. На заряд, находящийся в полях нескольких других зарядов, каждый из них действует с такой же силой, как если бы других зарядов не было.

Глава 2.Человек и статическое напряжение.

Накопление зарядов статического электричества на теле человека происходит при его трении о синтетическою одежду, обшивку дивана или напольные покрытия при ходьбе, вставание со стула и т.д. При этом электростатический заряд человека обусловлен трением или контактов двух материалов, один из которых должен быть хорошим диэлектриком. Использование в помещение напольных покрытий с высоким значением объемного удельного сопротивления приводит к значительной электризации человека. Особенно актуальна эта проблема в жилых объектах, где относительная влажность составляет не более 40%. В это время наблюдается наиболее интенсивное накопление зарядов СЭ, которое может привести к возникновению разрядов между заряженным человеком (потенциал тела человека достигает 10-20кВ) и корпусами заземлённого оборудования и компьютерной техники. В момент разряда человек получает болевые ощущения, которые могут привести к травмам, а во взрывоопасных и пожароопасных помещениях может привести к возникновению аварийных ситуаций с летальным исходом.

Глава 3. Применение электростатики в акустике. Электростатическая головка

Как и в ленточном преобразователе, в электростатической головке для возбуждения звуковых колебаний используется тонкая мембрана. Но на этом сходство заканчивается. Динамический и ленточный громкоговорители являются электромагнитными преобразователями и работают за счет электрически индуцируемого магнитного взаимодействия. Принцип работы электростатического громкоговорителя совершенно иной — электростатическое взаимодействие.

В электростатической головке тонкая подвижная мембрана — иногда сделанная из прозрачной майларовой пленки — натянута между двумя неподвижными электродами, называемыми статорами. К мембране подводится очень высокое напряжение относительно статоров. На статоры подается звуковой сигнал, создающий вокруг них электростатические поля, изменяющиеся под влиянием изменения звукового сигнала. Возникающие вокруг статоров переменные электростатические поля взаимодействуют с постоянным электростатическим полем мембраны, отталкивая и притягивая ее. Один статор притягивает мембрану, другой ее отталкивает, тем самым воспроизводя звук. В электростатическом громкоговорителе используются очень высокие напряжения. Приложенное к диафрагме поляризующее напряжение достигает 10000 В (10 кВ). Вдобавок, напряжение звукового сигнала при помощи повышающего трансформатора, размещенного внутри электростатического громкоговорителя, увеличивается с нескольких десятков (на первичной обмотке) до нескольких тысяч вольт (на вторичной обмотке). Столь высокие напряжения необходимы для создания вокруг диафрагмы и статоров электростатических полей достаточной напряженности.

Для предотвращения искрения (электрического разряда) статоры часто покрывают изоляционным материалом. Тем не менее, если на электростатический громкоговоритель подано избыточное напряжение, то электростатическое поле отнимает свободные электроны у находящегося в воздухе кислорода, ионизируя его; это создает проводящий путь для электрического заряда. Большие отклонения диафрагмы (при высоком уровне громкости) приближают диафрагму к статорам и также способствуют возникновению искрения. Оно может разрушить электростатические панели, пробивая небольшие отверстия в мембране. Искрение является более серьезной проблемой во влажных климатических условиях, чем в сухих, поскольку влага увеличивает электропроводность воздуха между статорами.

Прослушайте такие гибридные громкоговорители; иногда в них обнаруживается неравномерность амплитудно-частотной характеристики в районе частоты разделения, где НЧ-головка «передает эстафету» электростатической панели. Обратите внимание, например, на изменение тембра фортепиано, на воздушность и размер образа при звучании в различных регистрах. Акустический бас при воспроизведении джаза — это также хорошая проверка на однородность звучания гибридного громкоговорителя, состоящего из динамической и электростатической головок.

Одно из серьезных достоинств широкополосных ленточных и электростатических акустических систем — отсутствие разделительного фильтра: на диафрагму подается весь звуковой сигнал. Это исключает неоднородность звучания, возникающую при воспроизведении разных частот различными головками. Вдобавок, отсутствие резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, используемых в разделительном фильтре, существенно увеличивает прозрачность и точность звучания широкополосных планарных громкоговорителей. Даже в гибридных планарных акустических системах частота разделения между динамической НЧ-головкой и планарной панелью очень низкая (ниже 800 Гц, что примерно на октаву выше среднего «ля»), поэтому неоднородность звучания головок отсутствует в большей части звукового спектра.

Глава 4. Плюсы и минусы статического электричества.

Импульсные помехи возникающие при разрядах СЭ представляют большую опасность для микроэлектронной техники и часто приводят к выходу из строя транзисторов и микросхем, используемых в электронном оборудовании и компьютерах. Накопление зарядов статического электричества (СЭ) на теле человека может привести к: повышенной утомляемости, раздражительности, нарушению сна, депрессии, нарушению центральной нервной системы, болезни верхних дыхательных путей, выпадению волос, прыщи, покраснения кожи, дерматит.

www.ronl.ru

Реферат: Электростатика

Реферат: Электростатика

Закон Джоуля-Ленца.

            Если проводник неподвижен и в нём не протекают химические реакции, то работа тока идёт на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается.

            Количество тепла определяется по формуле:

            ,  где 

            Отсюда:

                                                         (47)

Это закон Джоуля-Ленца  в интегральной форме.

Если сила тока изменяется во времени, то количество тепла определяется по формуле:

                                                     (48)

Используя закон Джоуля-Ленца можно перейти к выражению, характеризующему выделение тепла в различных физически элементарных объёмах проводника.

Выделив в проводнике элементарный объём в видже цилиндра:

(Рисунок)

Здесь , ,

Разделив полученное уравнение на и , получим формулу удельной тепловой мощности электрического тока:

                                                       (49)

Обе полученные формулы закона Джоуля-Ленца справедливы и для неоднородного участка цепи, если сторонние силы имеют не химическое происхождение.

Электрический ток в газах.

Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом. Газ проводит ток в том случае, если некоторая часть его молекул ионизируется, то есть  нейтральный атом расщепляется на положительный ион и свободный электрон. При этом совершается работа противоположных сил электростатического притяжения со стороны положительного ядра и электрона. Такая работа называется – энергией ионизации.

Для газа:

Закон Ома для неоднородного участка цепи.

            На неоднородном участке цепи на носители тока действует электростатические силы  и сторонние силы  . Следовательно, плотность тока  в этих точках оказывается пропорциональной сумме напряжений:

                                                   (41)

Выражение (41) представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в дифференциальном виде.

Перейдём к интегральной форме закона Ома. Рассмотрим неоднородный участок цепи. В следствие закона сохранения электрического заряда, сила тока в любом сечении проводника будет постоянной.

(Рисунок)

            Подставим в (41) значения и . Получим выражение для элементарного участка цепи:

             ,

где и  - проекции на элемент контура  .

            Умножим последнее соотношение на модуль  и проинтегрируем по контуру:

            .

            Учитывая, что  - сопротивление участка цепи 1-2, ,  , получим:

            .

            Если  - способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении, то  .

            Если нет, то .

            Запишем последнее соотношение в виде:

                                                            (42)

            (42) представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме.

            Для замкнутой цепи :

(Рисунок)

                                                                           ( 43)

            Это закон Ома для замкнутого неоднородного у4частка цепи в интегральной форме.

            Здесь , где R – внешнее сопротивление цепи,

                                                 - сопротивление источника ЭДС.

Закон Ома для однородного участка цепи.

Сопротивление проводников.

                                                                                                    (38)    

где - сопротивление. .

             - сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течёт ток силой 1А.

             - электропроводимость.

            Сопротивление проводника определяется по формуле:

                                                                    (39)    

где - удельное сопротивление.

            Если подставить (39) в (38), то получим:

              ;  

            Учитывая, что   - плотность тока,

            - удельная электрическая проводимость,

             - напряжённость электрического поля в проводнике,

получим                                                         (40)

            Выражение (40) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме.

            Для большинства металлов при температурах, близких к комнатным:

где и - сопротивление и удельное сопротивление при ,

         - температурный коэффициент.

(Рисунок)

             - при последовательном соединении проводников.

(Рисунок)

            При параллельном соединении:

            Температурную зависимость проводников используют для измерения температур с высокой точностью (до ).

Мощность тока.

            За время t через поперечное сечение проводника произвольного участка цепи проходит заряд.

             - это  ???????  тому, что заряд  переносится за время из одного конца проводника в другой. При этом илы электростатического поля и сторонние силы совершают работу:

                                             (44)

где U – напряжение на участке цепи.

Учитывая, что , запишем интегральное выражение для мощности тока:

                    (45)

Эта мощность может расходоваться на совершение рассматриваемыми участками цепи работы над внешними телами (если участок перемещается в пространстве), на протекание реакций, на нагревание другого участка цепи.

Удельная мощность – мощность, развиваемая в единице объёма проводника. С другой стороны сила  развивает при движении единичного носителя тока  усреднённую мощность:

, где   - средняя скорость упорядоченного движения носителей зарядов.

Мощность можно найти, умножая на  (n – концентрация носителей зарядов), таким образом получаем:

где  . 

Отсюда:

                                                 (46)

(46) представляет собой дифференцированное выражение для мощности тока.

Постоянный электрический ток.

            Электродинамика рассматривает явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов.

Электрический ток.

            Если через некоторую площадку переносится суммарный заряд, отличный от нуля, то через эту площадку течёт электрический ток.

(Рисунок)

            Он возникает в том случае, если в проводнике поддерживается электрическое поле  Е, которое перемещает носители тока (электроны, ионы, заряженные пылинки, капельки и т.д.).

            Носитель заряда участвуют в тепловом (хаотическом) движении.

(Рисунок)

            При включении поля на хаотическое движение носителей накладывается упорядоченное движение .

Таким образом, электрический ток – это любое упорядоченное движение электрических зарядов.

За направление тока принимают движение положительных зарядов, то есть ток течёт от плюса к минусу. Количественной мерой тока служит сила тока (I) – скалярная величина, определяющаяся электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Для постоянного тока, то есть тока не изменяющегося во времени:

,   .

Если электрический ток создаётся носителями обоих знаков, движущихся в противоположных направлениях, то:

Таким образом, сила тока представляет собой поток заряда через поверхность. Электрический ток может быть неравномерно распределён по поверхности площадки, через которую  он протекает, поэтому для детальной характеристики тока используют понятие плотности тока – это векторная физическая величина, определяемая силой тока, проходящей через единичную площадку, перпендикулярную направлению движения носителей:

, где  - направление нормали.

За направление  вектора  принимается направление вектора средней скорости положительных зарядов. Зная вектор плотности тока в любой точке пространства, можно найти силу тока через любую поверхность S:

То есть сила тока – это поток вектора плотности тока через поверхность.

Уравнение непрерывности.

Рассмотрим некоторую замкнутую поверхность, через которую протекает электрический ток. Поток вектора плотности через эту поверхность в единицу времени будет равен скорости убывания заряда.

(Рисунок)

            Учитывая, что (интеграл от плотности заряда), получим соотношение:

            .

            Перейдём к частным производным, так как плотнасть заряда в общем случае зависит и от времени, и от координат:

            Преобразуем левую часть выражения по теореме Гаусса:

             .

            Интегралы равны, значит равны и подынтегральные выражения:

                                                                     (36)

              Выражение (36) – уравнение непрерывности. Оно выражает закон сохранения электрического заряда. В случае стационарного (постоянного тока) производная по времени равна нулю, следовательно, . То есть в случае постоянного тока вектор плотности не имеет источников, значит, линии тока нигде не начинаются, нигде не заканчиваются (они замкнуты).

Правила Кирхгофа.

            Узлом  называется точка, в которой сходятся три и более проводника.

I правило: Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.

(Рисунок)

II правило: Алгебраическая сумма напряжений в замкнутой цепи равна алгебраической сумме ЭДС.

(Рисунок)

            Складывая почленно, получим:

или      .

            Сопротивление источника ЭДС складывается с соседним внешним источником. Пример:

Правила знаков.

1.      Если направление тока совпадает с выбранным направлением обхода, то знак положительный. В противном случае – отрицательный.

2.      ЭДС берём со знаком «+», если в направлении обхода внутри источника тока идём от минуса к плюсу и наоборот, ЭДС имеет отрицательный знак, если идём от плюса к минусу.

Следует иметь ввиду,  ???????????????????????, которые нельзя получить наложением других контуров друг на друга. Например, можно закончить второе правило Кирхгофа:

(Рисунок)

1)      для контура 1-2-3-6-1

2)      ?????????7

Значит, контур находился наложением первых двух. В качестве независимых следует взять любые два контура из трёх, направление обхода в каждом отдельно взятом контуре можно выбирать совершенно произвольно.

Недостающие уравнения составляют, используя первое правило Кирхгофа. Таким образом, число независимых уравнений, составленных в соответствии с первым и вторым правилами Кирхгофа, оказывается равным числу различных токов, текущих в разветвлённой цепи.

Ротор. Теорема Стокса.

Если в движущеёся жидкости с распределением скоростей от  до  выделить контур Г, а остальную жидкость мгновенно заморозить, то в этом контуре будет продолжаться движение жидкости. Мерой такого действия является произведение скорости жидкости в контуре на длину контура. Эту величину называют циркуляцией вектора   по контуру Г.

    Циркуляция =

Циркуляция обладает свойством аддитивности, т.е. циркуляция по контуру Г будет равна сумме циркуляций по контурам Г1 и Г2.

Благодаря такому свойству можно ввести понятие удельной циркуляции в точке Р – это векторная величина, называемая ротором или вихрем.

Рассмотрим циркуляцию по элементарному квадрату в декартовой системе координат.

Знак минус ставится тогда, когда направления cxне совпадает с направлением обхода.

Учитывая, что   , получим:

Аналогично для сторон квадрата 2 и 4:

            ,

Тогда циркуляция по квадрату будет равна:

            , где S – площадь квадрата.

Разделив циркуляцию на , найдём проекции   на оси координат:

                                                 (1*)

                                                  (2*)

                                                  (3*)

            Любое из выражений (1*) - (3*) можно получить из предыдущего путём циклической системы координат.

Для уравнения (1*) предыдущим является уравнение (3*). Таким образом, ротор вектора  в декартовой системе координат будет иметь вид:

Если известно, что ротор каждой точки поверхности S охватывается контуром Г, то можно вычислить и циркуляцию по этому контуру:

Теорема Стокса: циркуляция вектора  по замкнутому контуру равна потоку вектора rot через площадку S, ограниченную этим контуром.

Отметим, что

Мы рассмотрим три вида сочетаний, в которые входит оператор (намбла)

Используя эти сочетания, можно пространственные вариации полей записать в виде независимых от той или иной совокупности осей координат.

Сторонние силы. ЭДС и напряжение.

Для того, чтобы электростатическое поле в проводнике, а вместе с ним и электрический ток не исчезали, необходимо т конца проводника с меньшим потенциалом перемещать заряды, приносимые током, к концу проводника с  большим потенциалом. Значит, заряды должны двигаться по замкнутому пути.

(Рисунок)

            Известно, что циркуляция электростатического поля (при постоянном токе) равна нулю. Следовательно, в замкнутой цепи должен быть участок, на котором положительные заряды  движутся в сторону возрастания потенциала, то есть против сил электростатического поля. Перемещение зарядов на этом участке возможно только с помощью сил не электростатического происхождения, которые называются сторонними силами.

            Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС).

            ,   .                                         (37)

Участок замкнутой цепи представляет собой устройство, в котором происходит разделение разноимённых зарядов и перенос их соответствующим проводникам, называемым источниками тока.

(Рисунок)

            Сторонние силы, действующие на заряд q на участке 1-2 можно представить следующим образом:

            , где  - напряжённость поля сторонних сил.

Работа сторонних сил на участке 1-2 равна:

.

Для замкнутой цепи:

.

Следовательно, ЭДС, действующую в замкнутой цепи, можно представить как циркуляцию вектора напряжённости сторонних сил. На заряд действуют такие силы электростатического поля.

.

Тогда .

Работа, совершаемая на участке 1-2 будет равна:

Величина, численно равная работе, совершённой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется падением напряжёния или напряжёнием.

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным.

Участок цепи, на котором отсутствуют сторонние силы, называют однородным.

Для однородного участка цепи:

, то есть напряжение совпадает с разностью потенциалов.

Электромагнитное поле.

-         это дискретное явление, при котором минимальный заряд равен заряду электрона.

q e = -19Кл

q p  = -19Кл

Fкул  =  , = ,  

 где  q – источник электрического поля

                    - пробный заряд

 - указывает направление.

(Рисунок)

(поле неподвижных зарядов)

1.      Напряжённость электростатического поля.

 - напряжённость поля, созданного точечным зарядом

(Рисунок)

Для непрерывного распределения заряда суммирование определяется всеми зарядами в произвольной точке пространства:

 - по всему объёму тела

(Рисунок)

Пример.

(Рисунок)

,  , -?

точка О – начало отсчёта

2. Линии вектора напряжённости.

-          линии, направления которых в каждой точке совпадают с вектором напряжённости.

Количество линий, пересекающих единичную перпендикулярную поверхность должно быть равно модулю вектора напряжённости.

(Рисунок)

3. Поток вектора напряжённости.

Количество линий напряжённости пронизывающих данную поверхность:

(по поверхности)

(Рисунок)

Если   и  = const, то .

Теорема Гаусса.

Поток вектора напряжённости через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, охваченных этой поверхностью, делённых на электрическую постоянную.

(Рисунок)

 - принцип суперпозиции.

Результирующий вектор напряжённости равен векторной сумме векторов напряжённости входящих зарядов.

Расчёт напряжённости с помощью теории Гаусса.

            Можно выбрать расчёт dS так, чтобы E можно было вынести за знак интеграла.

1.      Напряжённость поля однородно заряженного шара.

(Рисунок)

а)  если r > R,

то        

б) если r < R,

(Рисунок)

то       

, 

(Рисунок)

Замечание.

1)      При неоднородном распределении заряда (но сохраняется сферическая симметрия):

  , где 

(Рисунок)

2)      Если заряда внутри нет, то и поля внутри нет. Если имеется поле, то внутри поле отсутствует.

(Рисунок)

Расчёт напряжённости бесконечной плоскости (заряженной).

(Рисунок)

Поток через замкнутую поверхность цилиндра равен потоку основания  и боков поверхности.

,   

(Рисунок)

Поле однородно заряженного бесконечного цилиндра.

(Рисунок)

, 

r > R,

,

(Рисунки)

Для цилиндрической оболочки поле внутри отсутствует.

Для получения используют теорему Остроградского.

- дивергенция.

, где

Потенциал электрического поля.

j - отношение потенциальной энергии точечного пробного заряда, помещённого в другую точку поля, к величине этого заряда.

Докажем консервативность сил  и потенциальность электрических сил поля.

(Рисунок)

Связь между напряжённостью и потенциалом.

Рассмотрим в дифференциальном виде:

(Рисунки)

Элементы математической теории поля.

Полем называется волна, зависящая от положения в пространстве (является функцией координат). Поле называется стационарным, если оно не меняется с течением времени.

Скалярное поле – это такое поле, которое в каждой точке пространства характеризуется одним единственным числом (например, температурное поле).

Векторное поле – это такое поле, которое в каждой точке пространства характеризуется вектором (например, поле скоростей в потоке жидкости).

Градиент.

Скорость изменения некоторой величины во времени можно описать, задавая её производную по времени t. Если же мы хотим узнать скорость изменения некоторой величины в пространстве, то, очевидно, мы должны взять её производную по координатам x, y, z.

(Рисунок)

В трёхмерном случае:

или  , где   - намбла.

 - векторный дифференциальный оператор.

            Поверхностью уровня – называется геометрическое место точек, в которых скалярная величина имеет одно и тоже значение.

В двумерном случае поверхность уровня называется линией уровня.

            Градиент устанавливает связь между скалярными и векторными характеристиками поля.

Дивергенция. Теорема Гаусса.

(Рисунок)

            Рассмотрим поле вектора несжимаемой жидкости. Если поток жидкости в объем V через поверхность S 0, то внутри объёма имеется источник (через который жидкость попадает в объём) или стоки (через которые жидкость исходит из объёма). Преобладание источников над стоками даёт положительный поток жидкости через поверхность. Преобладание стоков – отрицательный.

            Характеристикой  стоков и источников служит величина, называемая дивергенцией – расхождение вектора скорости.

, где - поток вектора скорости через замкнутую              поверхность.

            Таким образом, дивергенция представляет собой удельную мощность источника в точке P и является скалярной функцией координат.

(Рисунки)

            Найдём выражение для декартовой системы координат, для чего рассмотрим поток  через элементарный кубик.

(Рисунок)

Поток из кубика наружу будет равен:

            ; где  - поток через i грань.

Для одной грани:

Проекции векторов  и связаны соотношениями:

Поток через первую и вторую грани будет равен:

Аналогично получим:

Полный поток:

            ,

Отсюда:

            Дивергенция связывает векторную величину, характеризующую поле, со скалярной величиной.

            Зная   в любой точке пространства, можно вычислить её значение через любую замкнутую поверхность конечных размеров.

         - / теорема Гаусса /.

            Опыт показывает, что к кулоновским силам применим, рассмотренный в механике, принцип независимости действия сил, т.е. результирующая сила , действующая со стороны поля на приобретённый заряд  равна векторной сумме сил , приложенных к нему со стороны каждого из зарядов .

                                                          (8)

                                                               (2)

                                                          (3)

                                                         (5)

                                                       (6)     

                                                   (7)

            Согласно (2):  и  ,

            Где  - напряжённость результирующего поля.

                    - напряжённость поля, создаваемого зарядом .

            Подставим последнее выражение в (8):

                                                                     (9)

           Принцип суперпозиции (наложения) электростатических полей заключается в том, что наложенность напряжённости результирующего поля, создаваемого системой заряда, равна геометрической сумме напряжений полей,  создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме.

            В соответствии с (7), поток вектора напряжённости сквозь сферическую поверхность радиуса R, охватывающую сферический заряд q, находившийся в её центре:

(Рисунок)

                    (10)

Этот результат справедлив для замкнутой поверхности любой формы. Рассмотрим общий случай для произвольной поверхности, окружающей n зарядов.

В соответствии с принципом суперпозиции   . Поэтому

,

                                            (11)

 (11) – выражает теорему Гаусса для электростатического поля:

Поток вектора напряжённости электростатического поля в вакууме через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключённых внутри этой поверхности зарядов, делённых на электрическую постоянную.

Если заряд распределён с объёмной плотностью  , то

                                      (12)

или                                           (13)

Применение теоремы Гаусса к расчёту поля.

1)                  Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда  .

(Рисунок)

В качестве замкнутой поверхности возьмём цилиндр, ось которого перпендикулярна плоскости. Поток через боковые стенки цилиндра равен нулю, так как линии напряжённости перпендикулярны оси цилиндра и его образующей. Полный поток сквозь цилиндр равен сумме потоков через его основания   .

Заряд внутри цилиндра согласно теореме Гаусса:    

, откуда   .

2)      Поле равномерно заряженной сферической поверхности.

(Рисунок)

  Если r >R, то по теореме Гаусса получим:

, где, откуда   .

  Если  < R, то замкнутая поверхность не содержит электрического заряда.  Следовательно E = 0.

Дивергенция и ротор электростатического поля.

Заменяя по теореме Гаусса поверхностный интеграл объёмным, получим:

Подставив вместо   его значение из (13), получим:

Интегралы равны, следовательно равны и подынтегральные выражения. Так получим  теорему Гаусса для вектора напряжённости электростатического поля:

                                                                    (14)

(14) – первое фундаментальное уравнение электростатики. Так как , то

                                                    (15)

(15) -  второе основное уравнение электростатики.

Оба основных уравнения электростатики эквивалентны закону Кулона, так как сила поля изменяется по закону .

Для любой радиальной силы   выполняемая работа не зависит от пути и существует потенциал.

Потенциал электростатического поля.

Из механики известно, что    .

В нашем случае заряд    перемещается в поле заряда q из точки А  в точку В.

(Рисунок).

Тогда можно записать     

Криволинейный путь ab можно представить следующим образом.

(Рисунок)

На участке  работа равна нулю, так как вектор силы перпендикулярен вектору перемещения.

На участке  элементарная работа равна:    

    (16)

Откуда следует, что потенциальная энергия заряда   в поле заряда q равна:

                                                (17)

Потенциальная энергия,  как и в механике, определяется не однозначно, а с точностью до производной константы C   . Если принять, что при  , , то  .  Тогда

                                                      (18)

Для одноимённых зарядов  потенциальная энергия U положительна (отталкивание).

Для разноимённых зарядов потенциальная энергия U отрицательна (притяжение).

Если поле создаётся системой точечных зарядов, то вследствие принципа суперпозиции:

                          (19)    

Из формул (18) и (19) вытекает, что отношение U  к   не зависит от  поэтому и является энергетической характеристикой поля  -  потенциал.

                                                                         (20)

Из формул (19) и (20) следует принцип суперпозиции для потенциала:

                                                         (21)

Из формул (18) и (20) следует, что потенциал поля, создаваемого точечным зарядами q будет:

                                                            (22)

Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда из точки А в точку В, может быть представлена как

            Если , то, следовательно можно записать   ,  откуда                                                                (23)

            Таким образом потенциал есть физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность.

            [1 В]  - потенциал такой точки поля, в  которой заряд в 1Кл обладает энергией в 1Дж.

Напряжённость как градиент потенциала. Эквивалент потенциальной поверхности.

Найдём взаимосвязь между напряжённостью электростатического поля (его силовая характеристика) и потенциалом (энергетическая характеристика).

(Рисунок)

Работа по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

                                           (24)

                                  (25)

Для трехмерного случая получим:

                                     (26)

где  - единичные векторы координат x, y, z.

Выражение (26) можно представить в виде:

                                                     (27)

Знак минус показывает, что вектор напряжённости направлен в сторону меньшего потенциала.

В большинстве случаев найти потенциал поля, а затем рассчитать вектор напряжённости.

Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля пользуются эквипотенциальными поверхностями, в большинстве точек которых потенциал постоянен.

(Рисунок)

Вектор напряжённости всегда перпендикулярен касательной эквипотенциальных поверхностей в точках их пересечения.

(Рисунок)

Чем гуще распределены эквипотенциальные поверхности, тем больше величина напряжённости электростатического поля.

У острия напряжённость больше, поэтому заряды стекают с острия.

Примеры расчёта потока в вакууме.

1)                  Поле двух бесконечно параллельных пластин, которые заряжены разноимённо, определяется по формуле:

, где  - поверхностная плотность заряда.

(Рисунок)

 - разность потенциалов между плоскостями.

2)                  Поле равномерно заряженное сферическими поверхностями радиуса R, заряда q вычисляется по формуле:

при .

Разность потенциалов между произвольной точкой поля и поверхностью сферы будет равна:

Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.

Электрический диполь – система двух равных по модулю разноимённых точечных зарядов, расстояние между которыми меньше расстояния до рассматриваемых точек поля.

(Рисунок)

 , где  - электрический момент диполя (дипольный момент)

                                      - плечо диполя.

            Поляризацией диэлектриков называется явление поляризации диполя или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей.

Различают три вида поляризации диэлектриков:

-                  электронная (деформационная) поляризация диэлектриков с неполярными молекулами (N2, h3, O2).

(Рисунок)

Возникает за счёт деформации электрических полей.

-                  ориентационная (дипольная) поляризация. Заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул (h3O, Nh4,  CO).

(Рисунок)

-                  ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллами – заключается в том, что происходит смещение от кристаллической решётки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных против поля, приводящих к возникновению дипольного момента (NaCl, KCl).

(Рисунок)

Жидкие кристаллы.

Вещество является текучим, то есть является жидкостью и в то же время её свойства анизотронны  - подобны кристаллам.

Жидкокристаллические свойства присущи диэлектрикам, характеризующихся вторым типом поляризации.

Проводники в электростатическом поле.

Вектор напряжённости электростатического поля в проводнике равен нулю (). Если бы поле не равнялось нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии.

(Рисунок)

На одном конце проводника избыток положителен, на другом – отрицателен. Это индуцирует заряды.

Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Электрические заряды располагаются на поверхностном слое толщиной в 1-2 атомных слоя. На этом явлении основана электростатическая защита от влияния внешних электростатических полей.

Электростатика.

            Электростатика – это учение о свойствах и взаимодействии электрических зарядов, неподвижных по отношению к избранной инерциальной системе отсчёта.

Закон сохранения электрического заряда. Проводники, диэлектрики, полупроводники.

                Закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остаётся неизменной, какие бы процессы не проходили внутри этой системы.

            Система называется замкнутой, если она не обменивается электрическими зарядами с внешними телами.

            Электрический заряд – величина релятивистская, инвариантная, то есть не зависит от выбранной системы отсчёта. А значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

                Наличие носителя заряда (электронов и ионов) является условием того, что тело проводит электрический ток. В зависимости от способности проводить электрический ток, тела делятся на:

-          проводники

-          диэлектрики

-          полупроводники.

Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы:

1)      проводники первого рода (металлы) – перенос в них электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;

2)      проводники второго рода (расплавы солей, растворы солей и кислот и другие) – перенос в них зарядов (положительно и отрицательно заряженных ионов) ведёт к химическим изменениям.

Диэлектрики (стекло, пластмасса) – тела, которые не проводят электрический ток, если к этим телам не приложено сильное внешнее электрическое поле; в них практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (германий, кремний) – занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от внешних условий (температура, ионизирующее излучение и т.д.).

Единица электрического заряда – Кулон (Кл) – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при токе в 1 ампер за время 1 секунда.

Электрический заряд и его свойства. Электрическое поле и его характеристики. Закон Кулона. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции.

Электрическим зарядом называется величина, характеризующая взаимодействия между частицами и телами посредством электрических и магнитных полей (электромагнитное взаимодействие).

Особенностью электромагнитных взаимодействий  является то, что они являются более интенсивными, чем гравитационные. Они занимают второе место (после ядерных сил) по взаимодействию.

1 – ядерные взаимодействия                         1

2 – электромагнитные взаимодействия      0,1

3 – слабо ядерные взаимодействия            

4 – гравитационные взаимодействия          

Электрический заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Все элементарные частицы являются носителями положительного или отрицательного электрических зарядов. Кл. Заряд любого тела обусловлен суммой электрических зарядов, входящих в него.

Появление зарядов у тел происходит в результате взаимодействия тел между собой или со средой (передача электрических зарядов от заряженных тел – электризация; передача электрических зарядов между разнородными телами,  при этом они заряжаются положительно или отрицательно; передача электрических зарядов на расстояние – электрическая индукция).

В замкнутой системе суммарный заряд не изменяется  входе любых химических и физических процессов.

Электрический заряд – инвариантная физическая характеристика (не зависит от выбора системы отсчёта).

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством электромагнитных полей. Движущиеся электрические  заряды создают в пространстве электрические и магнитные поля, что приводит к возникновению электрических и магнитных сил и взаимодействий (Кулоновские силы и силы Лоренца). Наиболее простое взаимодействие осуществляется для неподвижных по отношению друг к другу – статическое взаимодействие.

Поля, которые создают заряды – электростатические. Характеристиками электростатических полей являются напряжённость и потенциал.

Напряжённость электростатического поля – величина, равная отношению силы, действующей на пробный заряд, помещённый в другую точку поля к величине этого заряда.

,    где  -  пробный   заряд.

Потенциалом называется величина, равная отношению потенциальной энергии пробного заряда, помещённого в данную точку поля к величине этого заряда.

Электростатическое поле – потенциальное поле, а электростатическая сила – консервативная сила.

Модели заряженных тел.

            1 – модель точечного заряда – любое заряженное физическое тело. Если поле определяется на расстоянии то оно  больше, чем размеры тела.

            2 – модели распределения зарядов:

        Линейный заряд:

, 

   - поверхностная плотность заряда.

  - объёмная плотность распределения заряда.

Закон Кулона в поле точечного заряда.

Два тела взаимодействуют между собой с силами, пропорциональными произведению этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.

(Рисунок)

Закон Кулона является экспериментальным законом и он также вытекает из другого закона.

Эксперименты Кулона проводились на специальных крутильных весах.

  - векторная форма записи закона Кулона.

(Рисунок)

  - напряжённость поля точечного заряда.

Если q > 0    (рисунок)

Для упрощения графического изображения векторного поля вводится параллельные линии вектора напряжённости (силовые линии). Линии напряжённости – линии, касательные  к которым в каждой точке совпадают с вектором напряжённости.

Число линий, которое используется для изображения этого поля, численно равно значению напряжённости в данной точке.

(рисунок)

Если q < 0   

(рисунок) 

Линии напряжённости начинаются на положительных и отрицательных зарядах или уходит в бесконечность.

Электростатическое поле диполя.

Диполь – система положительных и отрицательных зарядов, находящихся в этом поле.

(Рисунок)

 - дипольный момент данной системы.

Вода

(Рисунок)

Принцип суперпозиции: напряжённость результирующего поля находится путём определения геометрической суммы простых полей.

(Рисунок)

Энергия взаимодействия системы зарядов.

            Потенциальная энергия взаимодействия двух точечных зарядов определяется по формуле:

                                                       (30)

            Для системы из N зарядов  можно записать:

                                                         (31)

или    

            Здесь  , так как заряд сам с собой не взаимодействует. Множитель  учитывает тот факт, что  .

            Представим последнее выражение в виде:

            Учитывая, что  представляет собой потенциал, создаваемый всеми зарядами, кроме в той точке, где помещается заряд , получим энергию взаимодействия системы зарядов:

                                                             (32)

Энергия заряженного проводника.

            Поверхность проводника – эквипотенциальна, поэтому потенциалы тех точек, в которых находятся точечные заряды , одинаковы и равны потенциалу про водника. Используя (32), получим:

            Учитывая, что , получим:

Энергия электростатического поля.

Принимая во внимание, что , запишем выражение для энергии заряженного конденсатора:

                          (32)

Энергию можно выразить из величины, характеризующей электростатическое поле в зазоре между обкладками. Учитывая, что ,  получим:

Так как , а (объём конденсатора), то получим:

                                                 (331)

Формула (33) связывает энергию поля с зарядом на его обкладках, а формула (331) – с напряжённостью поля. В электростатике дать однозначный ответ на вопрос, где сосредоточена (локализована) энергия, невозможно, так как поля и создавшие их заряды могут существовать отдельно друг от друга.

Из (331) получим выражение для плотности движения однородного электростатического поля:

                                          (34)

или, учитывая, что  для изотропного поля, получим:

или, принимая :

                       (35)

            Здесь первое слагаемое представляет плотность энергии в вакууме, а второе – энергию, затрачиваемую на поляризацию диэлектрика (в единицах объёма).

            В случае неоднородности поля, его энергию можно определить по формуле:

Похожие рефераты:

Электрические аппараты

Лекции по физике В.И.Бабецкого

Исследование работ Фарадея по электричеству

Билеты по физике за весь школьный курс

Ответы к экзаменационным билетам по физике 11 класс (ответы к 29 билетам)

Билеты по физике

Концепция современного естествознания

Кристаллы в природе

Расчет разветвленной электрической цепи постоянного тока

Физика, основы теории

Физика (лучшее)

Ответы на вопросы к госу по МПФ

Физика

Билеты по физике

Электричество

Энергетический феномен вакуума

Синхронные машины. Машины постоянного тока

www.referatmix.ru

Реферат: Электростатика

Закон Джоуля-Ленца.

Если проводник неподвижен и в нём не протекают химические реакции, то работа тока идёт на увеличение внутренней энергии проводника, в результате чего проводник нагревается.

Количество тепла определяется по формуле:

, где

Отсюда:

(47)

Это закон Джоуля-Ленца в интегральной форме.

Если сила тока изменяется во времени, то количество тепла определяется по формуле:

(48)

Используя закон Джоуля-Ленца можно перейти к выражению, характеризующему выделение тепла в различных физически элементарных объёмах проводника.

Выделив в проводнике элементарный объём в видже цилиндра:

(Рисунок)

Здесь,,

Разделив полученное уравнение наи, получим формулу удельной тепловой мощности электрического тока:

(49)

Обе полученные формулы закона Джоуля-Ленца справедливы и для неоднородного участка цепи, если сторонние силы имеют не химическое происхождение.

Электрический ток в газах.

Прохождение электрического тока через газ называетсягазовым разрядом. Газ проводит ток в том случае, если некоторая часть его молекул ионизируется, то есть нейтральный атом расщепляется на положительный ион и свободный электрон. При этом совершается работа противоположных сил электростатического притяжения со стороны положительного ядра и электрона. Такая работа называется –энергией ионизации.

Для газа:

Закон Ома для неоднородного участка цепи.

На неоднородном участке цепи на носители тока действует электростатические силыи сторонние силы. Следовательно, плотность токав этих точках оказывается пропорциональной сумме напряжений:

(41)

Выражение (41) представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в дифференциальном виде.

Перейдём к интегральной форме закона Ома. Рассмотрим неоднородный участок цепи. В следствие закона сохранения электрического заряда, сила тока в любом сечении проводника будет постоянной.

(Рисунок)

Подставим в (41) значенияи. Получим выражение для элементарного участка цепи:

,

гдеи- проекции на элемент контура.

Умножим последнее соотношение на модульи проинтегрируем по контуру:

.

Учитывая, что- сопротивление участка цепи 1-2,,, получим:

.

Если- способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении, то.

Если нет, то.

Запишем последнее соотношение в виде:

(42)

(42) представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме.

Для замкнутой цепи:

(Рисунок)

( 43)

Это закон Ома для замкнутого неоднородного у4частка цепи в интегральной форме.

Здесь, где R – внешнее сопротивление цепи,

- сопротивление источника ЭДС.

Закон Ома для однородного участка цепи.

Сопротивление проводников.

Сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

(38)

где- сопротивление..

- сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течёт ток силой 1А.

- электропроводимость.

Сопротивление проводника определяется по формуле:

(39)

где- удельное сопротивление.

Если подставить (39) в (38), то получим:

;

Учитывая, что- плотность тока,

- удельная электрическая проводимость,

- напряжённость электрического поля в проводнике,

получим(40)

Выражение (40) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме.

Для большинства металлов при температурах, близких к комнатным:

гдеи- сопротивление и удельное сопротивление при,

- температурный коэффициент.

(Рисунок)

- при последовательном соединении проводников.

(Рисунок)

При параллельном соединении:

Температурную зависимость проводников используют для измерения температур с высокой точностью (до).

Мощность тока.

За время t через поперечное сечение проводника произвольного участка цепи проходит заряд.

- это ??????? тому, что зарядпереносится за время из одного конца проводника в другой. При этом илы электростатического поля и сторонние силы совершают работу:

(44)

где U – напряжение на участке цепи.

Учитывая, что, запишем интегральное выражение для мощности тока:

(45)

Эта мощность может расходоваться на совершение рассматриваемыми участками цепи работы над внешними телами (если участок перемещается в пространстве), на протекание реакций, на нагревание другого участка цепи.

Удельная мощность – мощность, развиваемая в единице объёма проводника. С другой стороны силаразвивает при движении единичного носителя токаусреднённую мощность:

, где- средняя скорость упорядоченного движения носителей зарядов.

Мощностьможно найти, умножаяна(n – концентрация носителей зарядов), таким образом получаем:

где.

Отсюда:

(46)

(46) представляет собой дифференцированное выражение для мощности тока.

Постоянный электрический ток.

Электродинамика рассматривает явления и процессы, обусловленные движением электрических зарядов.

Электрический ток.

Если через некоторую площадку переносится суммарный заряд, отличный от нуля, то через эту площадку течёт электрический ток.

(Рисунок)

Он возникает в том случае, если в проводнике поддерживается электрическое поле Е, которое перемещает носители тока (электроны, ионы, заряженные пылинки, капельки и т.д.).

Носитель заряда участвуют в тепловом (хаотическом) движении.

(Рисунок)

При включении поля на хаотическое движение носителей накладывается упорядоченное движение.

Таким образом,электрический ток– это любое упорядоченное движение электрических зарядов.

За направление тока принимают движение положительных зарядов, то есть ток течёт от плюса к минусу. Количественной мерой тока служитсила тока(I) – скалярная величина, определяющаяся электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Для постоянного тока, то есть тока не изменяющегося во времени:

,.

Если электрический ток создаётся носителями обоих знаков, движущихся в противоположных направлениях, то:

Таким образом, сила тока представляет собой поток заряда через поверхность. Электрический ток может быть неравномерно распределён по поверхности площадки, через которую он протекает, поэтому для детальной характеристики тока используют понятиеплотности тока– это векторная физическая величина, определяемая силой тока, проходящей через единичную площадку, перпендикулярную направлению движения носителей:

, где- направление нормали.

За направление векторапринимается направление вектора средней скорости положительных зарядов. Зная вектор плотности тока в любой точке пространства, можно найти силу тока через любую поверхность S:

То есть сила тока – это поток вектора плотности тока через поверхность.

Уравнение непрерывности.

Рассмотрим некоторую замкнутую поверхность, через которую протекает электрический ток. Поток вектора плотности через эту поверхность в единицу времени будет равен скорости убывания заряда.

(Рисунок)

Учитывая, что(интеграл от плотности заряда), получим соотношение:

.

Перейдём к частным производным, так как плотнасть заряда в общем случае зависит и от времени, и от координат:

Преобразуем левую часть выражения по теореме Гаусса:

.

Интегралы равны, значит равны и подынтегральные выражения:

(36)

Выражение (36) –уравнение непрерывности. Оно выражает закон сохранения электрического заряда. В случае стационарного (постоянного тока) производная по времени равна нулю, следовательно,. То есть в случае постоянного тока вектор плотности не имеет источников, значит, линии тока нигде не начинаются, нигде не заканчиваются (они замкнуты).

Правила знаков.

1. Если направление тока совпадает с выбранным направлением обхода, то знак положительный. В противном случае – отрицательный.

2. ЭДС берём со знаком «+», если в направлении обхода внутри источника тока идём от минуса к плюсу и наоборот, ЭДС имеет отрицательный знак, если идём от плюса к минусу.

Следует иметь ввиду, ???????????????????????, которые нельзя получить наложением других контуров друг на друга. Например, можно закончить второе правило Кирхгофа:

(Рисунок)

1. для контура 1-2-3-6-1

2. ?????????7

Значит, контур находился наложением первых двух. В качестве независимых следует взять любые два контура из трёх, направление обхода в каждом отдельно взятом контуре можно выбирать совершенно произвольно.

Недостающие уравнения составляют, используя первое правило Кирхгофа. Таким образом, число независимых уравнений, составленных в соответствии с первым и вторым правилами Кирхгофа, оказывается равным числу различных токов, текущих в разветвлённой цепи.

Правила Кирхгофа.

Узломназывается точка, в которой сходятся три и более проводника.

I правило: Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.

(Рисунок)

II правило: Алгебраическая сумма напряжений в замкнутой цепи равна алгебраической сумме ЭДС.

(Рисунок)

Складывая почленно, получим:

или.

Сопротивление источника ЭДС складывается с соседним внешним источником. Пример:

Ротор. Теорема Стокса.

Если в движущеёся жидкости с распределением скоростей отдовыделить контур Г, а остальную жидкость мгновенно заморозить, то в этом контуре будет продолжаться движение жидкости. Мерой такого действия является произведение скорости жидкости в контуре на длину контура. Эту величину называютциркуляциейвекторапо контуру Г.

Циркуляция=

Циркуляция обладает свойствомаддитивности, т.е. циркуляция по контуру Г будет равна сумме циркуляций по контурам Г1и Г2.

Благодаря такому свойству можно ввести понятие удельной циркуляции в точке Р – это векторная величина, называемаяроторомиливихрем.

Рассмотрим циркуляцию по элементарному квадрату в декартовой системе координат.

Знак минус ставится тогда, когда направления cxне совпадает с направлением обхода.

Учитывая, что, получим:

Аналогично для сторон квадрата 2 и 4:

,

Тогда циркуляция по квадрату будет равна:

, где S – площадь квадрата.

Разделив циркуляцию на, найдём проекциина оси координат:

(1*)

(2*)

(3*)

Любое из выражений (1*) - (3*) можно получить из предыдущего путём циклической системы координат.

Для уравнения (1*) предыдущим является уравнение (3*). Таким образом, ротор векторав декартовой системе координат будет иметь вид:

Если известно, что ротор каждой точки поверхности S охватывается контуром Г, то можно вычислить и циркуляцию по этому контуру:

Теорема Стокса:циркуляция векторапо замкнутому контуру равна потоку вектора rotчерез площадку S, ограниченную этим контуром.

Отметим, что

Мы рассмотрим три вида сочетаний, в которые входит оператор (намбла)

Используя эти сочетания, можно пространственные вариации полей записать в виде независимых от той или иной совокупности осей координат.

Сторонние силы. ЭДС и напряжение.

Для того, чтобы электростатическое поле в проводнике, а вместе с ним и электрический ток не исчезали, необходимо т конца проводника с меньшим потенциалом перемещать заряды, приносимые током, к концу проводника с большим потенциалом. Значит, заряды должны двигаться по замкнутому пути.

(Рисунок)

Известно, что циркуляция электростатического поля (при постоянном токе) равна нулю. Следовательно, в замкнутой цепи должен быть участок, на котором положительные заряды движутся в сторону возрастания потенциала, то есть против сил электростатического поля. Перемещение зарядов на этом участке возможно только с помощью сил не электростатического происхождения, которые называютсясторонними силами.

Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называетсяэлектродвижущей силой (ЭДС).

,. (37)

Участок замкнутой цепи представляет собой устройство, в котором происходит разделение разноимённых зарядов и перенос их соответствующим проводникам, называемымисточниками тока.

(Рисунок)

Сторонние силы, действующие на заряд q на участке 1-2 можно представить следующим образом:

, где- напряжённость поля сторонних сил.

Работа сторонних сил на участке 1-2 равна:

.

Для замкнутой цепи:

.

Следовательно, ЭДС, действующую в замкнутой цепи, можно представить как циркуляцию вектора напряжённости сторонних сил. На заряд действуют такие силы электростатического поля.

.

Тогда.

Работа, совершаемая на участке 1-2 будет равна:

Величина, численно равная работе, совершённой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называетсяпадением напряжёнияилинапряжёнием.

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называютнеоднородным.

Участок цепи, на котором отсутствуют сторонние силы, называютоднородным.

Для однородного участка цепи:

, то есть напряжение совпадает с разностью потенциалов.

Электромагнитноеполе.

qe=-19Кл

qp=-19Кл

Fкул=,=,

где q – источник электрического поля

- пробный заряд

- указывает направление.

(Рисунок)

(поле неподвижных зарядов)

1. Напряжённость электростатического поля.

- напряжённость поля, созданного точечным зарядом

(Рисунок)

Для непрерывного распределения заряда суммирование определяется всеми зарядами в произвольной точке пространства:

- по всему объёму тела

(Рисунок)

Пример.

(Рисунок)

,,-?

точка О – начало отсчёта

2.Линии вектора напряжённости.

Количество линий, пересекающих единичную перпендикулярную поверхность должно быть равно модулю вектора напряжённости.

(Рисунок)

3. Поток вектора напряжённости.

Количество линий напряжённости пронизывающих данную поверхность:

(по поверхности)

(Рисунок)

Еслии= const, то.

ТеоремаГаусса.

Поток вектора напряжённости через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, охваченных этой поверхностью, делённых на электрическую постоянную.

(Рисунок)

- принцип суперпозиции.

Результирующий вектор напряжённости равен векторной сумме векторов напряжённости входящих зарядов.

Расчёт напряжённости с помощью теории Гаусса.

Можно выбрать расчёт dS так, чтобы Eможно было вынести за знак интеграла.

1. Напряжённость поля однородно заряженного шара.

(Рисунок)

а) если r > R,

то

б) если r ,

(Рисунок)

то

,

(Рисунок)

Замечание.

1. При неоднородном распределении заряда (но сохраняется сферическая симметрия):

, где

(Рисунок)

2. Если заряда внутри нет, то и поля внутри нет. Если имеется поле, то внутри поле отсутствует.

(Рисунок)

Расчёт напряжённости бесконечной плоскости (заряженной).

(Рисунок)

Поток через замкнутую поверхность цилиндра равен потоку основания и боков поверхности.

,

(Рисунок)

Поле однородно заряженного бесконечного цилиндра.

(Рисунок)

,

r > R,

,

(Рисунки)

Для цилиндрической оболочки поле внутри отсутствует.

Для получения используют теорему Остроградского.

- дивергенция.

, где

Потенциал электрического поля.

-отношение потенциальной энергии точечного пробного заряда, помещённого в другую точку поля, к величине этого заряда.

Докажем консервативность сил и потенциальность электрических сил поля.

(Рисунок)

Связь между напряжённостью и потенциалом.

Рассмотрим в дифференциальном виде:

(Рисунки)

Элементы математической теории поля.

Полемназывается волна, зависящая от положения в пространстве (является функцией координат). Поле называетсястационарным, если оно не меняется с течением времени.

Скалярноеполе – это такое поле, которое в каждой точке пространства характеризуется одним единственным числом (например, температурное поле).

Векторноеполе – это такое поле, которое в каждой точке пространства характеризуется вектором (например, поле скоростей в потоке жидкости).

Градиент.

Скорость изменения некоторой величины во времени можно описать, задавая её производную по времени t. Если же мы хотим узнать скорость изменения некоторой величины в пространстве, то, очевидно, мы должны взять её производную по координатам x, y, z.

(Рисунок)

В трёхмерном случае:

или, где- намбла.

- векторный дифференциальный оператор.

Поверхностью уровня– называется геометрическое место точек, в которых скалярная величина имеет одно и тоже значение.

В двумерном случае поверхность уровня называетсялинией уровня.

Градиент устанавливает связь между скалярными и векторными характеристиками поля.

Дивергенция. Теорема Гаусса.

(Рисунок)

Рассмотрим поле вектора несжимаемой жидкости. Если поток жидкости в объем V через поверхность S0, то внутри объёма имеется источник (через который жидкость попадает в объём) или стоки (через которые жидкость исходит из объёма). Преобладание источников над стоками даёт положительный поток жидкости через поверхность. Преобладание стоков – отрицательный.

Характеристикой стоков и источников служит величина, называемаядивергенцией– расхождение вектора скорости.

, где- поток вектора скорости через замкнутую поверхность.

Таким образом, дивергенция представляет собой удельную мощность источника в точке Pи является скалярной функцией координат.

(Рисунки)

Найдём выражение для декартовой системы координат, для чего рассмотрим потокчерез элементарный кубик.

(Рисунок)

Поток из кубика наружу будет равен:

; где- поток через iгрань.

Для одной грани:

Проекции векторовисвязаны соотношениями:

Поток через первую и вторую грани будет равен:

Аналогично получим:

Полный поток:

,

Отсюда:

Дивергенция связывает векторную величину, характеризующую поле, со скалярной величиной.

Знаяв любой точке пространства, можно вычислить её значение через любую замкнутую поверхность конечных размеров.

- / теорема Гаусса /.

Опыт показывает, что к кулоновским силам применим, рассмотренный в механике, принцип независимости действия сил, т.е. результирующая сила, действующая со стороны поля на приобретённый зарядравна векторной сумме сил, приложенных к нему со стороны каждого из зарядов.

(8)

(2)

(3)

(5)

(6)

(7)

Согласно (2):и,

Где- напряжённость результирующего поля.

- напряжённость поля, создаваемого зарядом.

Подставим последнее выражение в (8):

(9)

Принцип суперпозиции (наложения) электростатических полей заключается в том, что наложенность напряжённости результирующего поля, создаваемого системой заряда, равна геометрической сумме напряжений полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме.

В соответствии с (7), поток вектора напряжённости сквозь сферическую поверхность радиуса R, охватывающую сферический заряд q, находившийся в её центре:

(Рисунок)

(10)

Этот результат справедлив для замкнутой поверхности любой формы. Рассмотрим общий случай для произвольной поверхности, окружающей n зарядов.

В соответствии с принципом суперпозиции. Поэтому

,

(11)

(11) – выражаеттеорему Гауссадля электростатического поля:

Поток вектора напряжённости электростатического поля в вакууме через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключённых внутри этой поверхности зарядов, делённых на электрическую постоянную.

Если заряд распределён с объёмной плотностью, то

(12)

или(13)

Применение теоремы Гаусса к расчёту поля.

1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда.

(Рисунок)

В качестве замкнутой поверхности возьмём цилиндр, ось которого перпендикулярна плоскости. Поток через боковые стенки цилиндра равен нулю, так как линии напряжённости перпендикулярны оси цилиндра и его образующей. Полный поток сквозь цилиндр равен сумме потоков через его основания.

Заряд внутри цилиндра согласно теореме Гаусса:

, откуда.

2. Поле равномерно заряженной сферической поверхности.

(Рисунок)

Если r >R, то по теореме Гаусса получим:

, где, откуда.

Если

Дивергенция и ротор электростатического поля.

Заменяя по теореме Гаусса поверхностный интеграл объёмным, получим:

Подставив вместоего значение из (13), получим:

Интегралы равны, следовательно равны и подынтегральные выражения. Так получимтеорему Гаусса для вектора напряжённости электростатического поля:

(14)

(14) – первое фундаментальное уравнение электростатики. Так как, то

(15)

(15) - второе основное уравнение электростатики.

Оба основных уравнения электростатики эквивалентны закону Кулона, так как сила поля изменяется по закону.

Для любой радиальной силывыполняемая работа не зависит от пути и существует потенциал.

Потенциал электростатического поля.

Из механики известно, что.

В нашем случае зарядперемещается в поле заряда q из точки А в точку В.

(Рисунок).

Тогда можно записать

Криволинейный путь ab можно представить следующим образом.

(Рисунок)

На участкеработа равна нулю, так как вектор силы перпендикулярен вектору перемещения.

На участкеэлементарная работа равна:

(16)

Откуда следует, что потенциальная энергия зарядав поле заряда q равна:

(17)

Потенциальная энергия, как и в механике, определяется не однозначно, а с точностью до производной константы C . Если принять, что при,, то. Тогда

(18)

Для одноимённых зарядовпотенциальная энергия U положительна (отталкивание).

Для разноимённых зарядов потенциальная энергия Uотрицательна (притяжение).

Если поле создаётся системой точечных зарядов, то вследствие принципа суперпозиции:

(19)

Из формул (18) и (19) вытекает, что отношение Uкне зависит отпоэтому и является энергетической характеристикой поля -потенциал.

(20)

Из формул (19) и (20) следует принцип суперпозиции для потенциала:

(21)

Из формул (18) и (20) следует, что потенциал поля, создаваемого точечным зарядами q будет:

(22)

Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда из точки А в точку В, может быть представлена как

Если, то, следовательно можно записать, откуда(23)

Таким образомпотенциалесть физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность.

[1 В] - потенциал такой точки поля, в которой заряд в 1Кл обладает энергией в 1Дж.

Напряжённость как градиент потенциала. Эквивалент потенциальной поверхности.

Найдём взаимосвязь между напряжённостью электростатического поля (его силовая характеристика) и потенциалом (энергетическая характеристика).

(Рисунок)

Работа по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

(24)

(25)

Для трехмерного случая получим:

(26)

где- единичные векторы координат x, y, z.

Выражение (26) можно представить в виде:

(27)

Знак минус показывает, что вектор напряжённости направлен в сторону меньшего потенциала.

В большинстве случаев найти потенциал поля, а затем рассчитать вектор напряжённости.

Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля пользуются эквипотенциальными поверхностями, в большинстве точек которых потенциал постоянен.

(Рисунок)

Вектор напряжённости всегда перпендикулярен касательной эквипотенциальных поверхностей в точках их пересечения.

(Рисунок)

Чем гуще распределены эквипотенциальные поверхности, тем больше величина напряжённости электростатического поля.

У острия напряжённость больше, поэтому заряды стекают с острия.

Примеры расчёта потока в вакууме.

1. Поле двух бесконечно параллельных пластин, которые заряжены разноимённо, определяется по формуле:

, где- поверхностная плотность заряда.

(Рисунок)

- разность потенциалов между плоскостями.

2. Поле равномерно заряженное сферическими поверхностями радиусаR,зарядаqвычисляется по формуле:

при.

Разность потенциалов между произвольной точкой поля и поверхностью сферы будет равна:

Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков.

Электрический диполь– система двух равных по модулю разноимённых точечных зарядов, расстояние между которыми меньше расстояния до рассматриваемых точек поля.

(Рисунок)

, где- электрический момент диполя (дипольный момент)

- плечо диполя.

Поляризациейдиэлектриков называется явление поляризации диполя или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей.

Различают три вида поляризации диэлектриков:

• электронная (деформационная) поляризация диэлектриков с неполярными молекулами (N2, h3, O2).

(Рисунок)

Возникает за счёт деформации электрических полей.

• ориентационная (дипольная) поляризация. Заключается в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул (h3O, Nh4, CO).

(Рисунок)

• ионная поляризация диэлектриков с ионными кристаллами – заключается в том, что происходит смещение от кристаллической решётки положительных ионов вдоль поля, а отрицательных против поля, приводящих к возникновению дипольного момента (NaCl, KCl).

(Рисунок)

Жидкие кристаллы.

Вещество является текучим, то есть является жидкостью и в то же время её свойства анизотронны - подобны кристаллам.

Жидкокристаллические свойства присущи диэлектрикам, характеризующихся вторым типом поляризации.

Проводники в электростатическом поле.

Вектор напряжённости электростатического поля в проводнике равен нулю (). Если бы поле не равнялось нулю, то в проводнике возникло бы упорядоченное движение зарядов без затраты энергии от внешнего источника, что противоречит закону сохранения энергии.

(Рисунок)

На одном конце проводника избыток положителен, на другом – отрицателен. Это индуцирует заряды.

Явление перераспределения поверхностных зарядов на проводнике во внешнем электростатическом поле называетсяэлектростатической индукцией.

Электрические заряды располагаются на поверхностном слое толщиной в 1-2 атомных слоя. На этом явлении основана электростатическая защита от влияния внешних электростатических полей.

Электростатика.

Электростатика– это учение о свойствах и взаимодействии электрических зарядов, неподвижных по отношению к избранной инерциальной системе отсчёта.

Закон сохранения электрического заряда. Проводники, диэлектрики, полупроводники.

Существуют два типа заряда: положительный и отрицательный. Опытным путём было установлено, что элементарный заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое, кратное от некоторого электрического заряда. Электрон и протон являются носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов. Из обобщённых опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, впервые сформулированный английским физиком Фарадеем.

Закон сохранения электрического заряда:алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остаётся неизменной, какие бы процессы не проходили внутри этой системы.

Система называетсязамкнутой, если она не обменивается электрическими зарядами с внешними телами.

Электрический заряд – величина релятивистская, инвариантная, то есть не зависит от выбранной системы отсчёта. А значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

Наличие носителя заряда (электронов и ионов) является условием того, что тело проводит электрический ток. В зависимости от способности проводить электрический ток, тела делятся на:

Проводники– тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы:

1. проводникипервого рода(металлы) – перенос в них электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;

2. проводникивторого рода(расплавы солей, растворы солей и кислот и другие) – перенос в них зарядов (положительно и отрицательно заряженных ионов) ведёт к химическим изменениям.

Диэлектрики(стекло, пластмасса) – тела, которые не проводят электрический ток, если к этим телам не приложено сильное внешнее электрическое поле; в них практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники(германий, кремний) – занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от внешних условий (температура, ионизирующее излучение и т.д.).

Единица электрического заряда – Кулон (Кл) – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при токе в 1 ампер за время 1 секунда.

Электрический заряд и его свойства. Электрическое поле и его характеристики. Закон Кулона. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции.

Электрическим зарядомназывается величина, характеризующая взаимодействия между частицами и телами посредством электрических и магнитных полей (электромагнитное взаимодействие).

Особенностью электромагнитных взаимодействий является то, что они являются более интенсивными, чем гравитационные. Они занимают второе место (после ядерных сил) по взаимодействию.

1 – ядерные взаимодействия 1

2 – электромагнитные взаимодействия 0,1

3 – слабо ядерные взаимодействия

4 – гравитационные взаимодействия

Электрический заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Все элементарные частицы являются носителями положительного или отрицательного электрических зарядов.Кл. Заряд любого тела обусловлен суммой электрических зарядов, входящих в него.

Появление зарядов у тел происходит в результате взаимодействия тел между собой или со средой (передача электрических зарядов от заряженных тел – электризация; передача электрических зарядов между разнородными телами, при этом они заряжаются положительно или отрицательно; передача электрических зарядов на расстояние – электрическая индукция).

В замкнутой системе суммарный заряд не изменяется входе любых химических и физических процессов.

Электрический заряд – инвариантная физическая характеристика (не зависит от выбора системы отсчёта).

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством электромагнитных полей. Движущиеся электрические заряды создают в пространстве электрические и магнитные поля, что приводит к возникновению электрических и магнитных сил и взаимодействий (Кулоновские силы и силы Лоренца). Наиболее простое взаимодействие осуществляется для неподвижных по отношению друг к другу – статическое взаимодействие.

Поля, которые создают заряды – электростатические. Характеристиками электростатических полей являются напряжённость и потенциал.

Напряжённостьэлектростатического поля – величина, равная отношению силы, действующей на пробный заряд, помещённый в другую точку поля к величине этого заряда.

, где- пробный заряд.

Потенциаломназывается величина, равная отношению потенциальной энергии пробного заряда, помещённого в данную точку поля к величине этого заряда.

Электростатическое поле – потенциальное поле, а электростатическая сила – консервативная сила.

Модели заряженных тел.

1 –модель точечного заряда– любое заряженное физическое тело. Если поле определяется на расстоянии то оно больше, чем размеры тела.

2 –модели распределения зарядов:

Линейный заряд:

,

-поверхностная плотность заряда.

- объёмная плотность распределения заряда.

Закон Кулона в поле точечного заряда.

Два тела взаимодействуют между собой с силами, пропорциональными произведению этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.

(Рисунок)

Закон Кулона является экспериментальным законом и он также вытекает из другого закона.

Эксперименты Кулона проводились на специальных крутильных весах.

- векторная форма записи закона Кулона.

(Рисунок)

- напряжённость поля точечного заряда.

Если q > 0 (рисунок)

Для упрощения графического изображения векторного поля вводится параллельные линии вектора напряжённости (силовые линии). Линии напряжённости – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряжённости.

Число линий, которое используется для изображения этого поля, численно равно значению напряжённости в данной точке.

(рисунок)

Если q

(рисунок)

Линии напряжённости начинаются на положительных и отрицательных зарядах или уходит в бесконечность.

Электростатическое поле диполя.

Диполь– система положительных и отрицательных зарядов, находящихся в этом поле.

(Рисунок)

- дипольный момент данной системы.

Вода

(Рисунок)

Принцип суперпозиции:напряжённость результирующего поля находится путём определения геометрической суммы простых полей.

(Рисунок)

Энергия взаимодействия системы зарядов.

Потенциальная энергия взаимодействия двух точечных зарядов определяется по формуле:

(30)

Для системы из N зарядовможно записать:

(31)

или

Здесь, так как заряд сам с собой не взаимодействует. Множительучитывает тот факт, что.

Представим последнее выражение в виде:

Учитывая, чтопредставляет собой потенциал, создаваемый всеми зарядами, кромев той точке, где помещается заряд, получим энергию взаимодействия системы зарядов:

(32)

Энергия заряженного проводника.

Поверхность проводника – эквипотенциальна, поэтому потенциалы тех точек, в которых находятся точечные заряды, одинаковы и равны потенциалу про водника. Используя (32), получим:

Учитывая, что, получим:

Энергия электростатического поля.

Принимая во внимание, что, запишем выражение для энергии заряженного конденсатора:

(32)

Энергию можно выразить из величины, характеризующей электростатическое поле в зазоре между обкладками. Учитывая, что, получим:

Так как, а(объём конденсатора), то получим:

(331)

Формула (33) связывает энергию поля с зарядом на его обкладках, а формула (331) – с напряжённостью поля. В электростатике дать однозначный ответ на вопрос, где сосредоточена (локализована) энергия, невозможно, так как поля и создавшие их заряды могут существовать отдельно друг от друга.

Из (331) получим выражение для плотности движения однородного электростатического поля:

(34)

или, учитывая, чтодля изотропного поля, получим:

или, принимая:

(35)

Здесь первое слагаемое представляет плотность энергии в вакууме, а второе – энергию, затрачиваемую на поляризацию диэлектрика (в единицах объёма).

В случае неоднородности поля, его энергию можно определить по формуле:

superbotanik.net

Реферат - Электризация. Электростатика вокруг нас

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ НЕТИПОВОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ГУБЕРНАТОРСКИЙ МНОГОПРОФИЛЬНЫЙ ЛИЦЕЙ-ИНТЕРНАТ»

Научно-исследовательское общество лицеистов «Юность. Поиск. Открытие»

IX научно-исследовательская конференция «Мы­–будущие Кузбасса»

Секция точных наук

Электризация. «Электростатика вокруг нас»

(зачетная работа)

Автор: Шепить Сергей, 9 «А» класс

Научный руководитель: Иванов С.А.,

учитель физики высшей квалификационной

категории

2010г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВСТУПЛЕНИЕ

Глава 1 Понятие электростатики

Глава 2 Человек и статическое напряжение

Глава 3 Применение электростатики в акустике

Глава 4 Плюсы и минусы статического электричества

4.1 Плюсы

4.2 Минусы

СОДЕРЖАНИЕ

Цель работы:

Задача работы:

Введение

Из жизни мы хорошо знаем, что многие предметы после натирания начинают притягивать к себе соринки, бумажки, волосы и т.д. Наша жизнь сегодня такова, что далеко не всегда мы задумываемся о том, что происходит вокруг нас, и уж тем более почему. Мы очень часто говорим, что мир слишком сложен, и мы не можем, да и не имеем времени на то, чтобы остановиться и попытаться сделать хоть небольшой шаг к его пониманию. А на самом деле человек вынужден подчас бороться с отрицательными воздействиями статического электричества и изобретать различные антистатики, браслеты для специалистов, обслуживающих современную электронику, спецодежду и т.д. Впрочем, всё не так уж и сложно, что касается хоть той же расчески. В основе этого явления лежит поляризация диэлектриков, а это явление из электростатики, которая в свою очередь одна из электромагнитных сил, которые в своей совокупности составляют 97% от всех существующих в природе сил, с которыми и благодаря которым мы живем как днем, так и ночью.

Глава 1. Понятие электростатика.

В природе существуют два рода электрических зарядов, условно назывные «положительными» и «отрицательными» зарядами. Носителями электрических зарядов являются элементарные частицы, входящие в состав атомов,– электрон, заряженный отрицательно, и протон с положительным зарядом. Электрические заряды взаимодействуют таким образом, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Взаимодействие, покоящихся электрических зарядов, осуществляется с помощью электростатического поля, которое передает действие одних наэлектризованных тел на другие. Электростатическое поле представляет собой одну из форм материи, существующую в пространстве вокруг электрического заряда и проявляющую себя силами, действующими на другие заряды, расположенные в этом пространстве. Сила взаимодействия между двумя покоящимися точечными зарядами определяется законом Кулона, установленным опытным путем: в воздухе сила взаимодействия пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: Она направлена по прямой, соединяющей две точки, в которых расположены заряды.

Взаимодействие электрических зарядов было количественно описано Кулоном, но оставался вопрос: как же именно один заряд оказывает действие на другой? Согласно теории близкодействия, удалённые тела могут взаимодействовать только за счёт промежуточных звеньев или среды, передающих взаимодействие от точки к точке; передача взаимодействия происходит с конечной скоростью. Многие учёные для объяснения электромагнитных взаимодействий на основе этой теории придумывали невидимые всевозможные атмосферы и истечения, вокруг заряженных тел, но науке эти размышления ничего не давали.

Максвелл не смог доказать это экспериментально, но в этом теперь нет необходимости, так как известно множество фактов, подтверждающих, что электромагнитное поле реально, а электромагнитные взаимодействия передаются с конечной скоростью. В настоящее время теория близкодействия полностью подтверждена. Электромагнитные взаимодействия передаются в электромагнитном поле. По современным представлениям, гравитационные взаимодействия осуществляются гравитационным полем (полем тяготения). Скорость их распространения равна скоростисвета, это доказано экспериментально в 2004 году.

• Электрическое поле материально, то есть реально существует. Его природу, строение и механизм действия невозможно установить на данном этапе развития науки. Зато можно установить его свойства. Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Электростатическое поле создаётся только электрическими зарядами. Оно постоянно существует в пространстве, окружающем эти заряды.
• Электрическое поле действует на находящиеся в нём заряды с некоторой силой, зависящей от расстояния до порождающего поле заряда.
• Электрическое поле неограниченно в пространстве. Сила, с которой оно действует на заряд, уменьшается с расстоянием, но не до нуля (из закона Кулона следует, что сила равна нулю, если равен нулю хотя бы один из зарядов, а в этом случае не имеет смысла говорить о взаимодействии).
• Электрическое поле взаимопроницаемо. На заряд, находящийся в полях нескольких других зарядов, каждый из них действует с такой же силой, как если бы других зарядов не было.

Глава 2.Человек и статическое напряжение.

Накопление зарядов статического электричества на теле человека происходит при его трении о синтетическою одежду, обшивку дивана или напольные покрытия при ходьбе, вставание со стула и т.д. При этом электростатический заряд человека обусловлен трением или контактов двух материалов, один из которых должен быть хорошим диэлектриком. Использование в помещение напольных покрытий с высоким значением объемного удельного сопротивления приводит к значительной электризации человека. Особенно актуальна эта проблема в жилых объектах, где относительная влажность составляет не более 40%. В это время наблюдается наиболее интенсивное накопление зарядов СЭ, которое может привести к возникновению разрядов между заряженным человеком (потенциал тела человека достигает 10-20кВ) и корпусами заземлённого оборудования и компьютерной техники. В момент разряда человек получает болевые ощущения, которые могут привести к травмам, а во взрывоопасных и пожароопасных помещениях может привести к возникновению аварийных ситуаций с летальным исходом.

Глава 3. Применение электростатики в акустике. Электростатическая головка

Как и в ленточном преобразователе, в электростатической головке для возбуждения звуковых колебаний используется тонкая мембрана. Но на этом сходство заканчивается. Динамический и ленточный громкоговорители являются электромагнитными преобразователями и работают за счет электрически индуцируемого магнитного взаимодействия. Принцип работы электростатического громкоговорителя совершенно иной — электростатическое взаимодействие.

В электростатической головке тонкая подвижная мембрана — иногда сделанная из прозрачной майларовой пленки — натянута между двумя неподвижными электродами, называемыми статорами. К мембране подводится очень высокое напряжение относительно статоров. На статоры подается звуковой сигнал, создающий вокруг них электростатические поля, изменяющиеся под влиянием изменения звукового сигнала. Возникающие вокруг статоров переменные электростатические поля взаимодействуют с постоянным электростатическим полем мембраны, отталкивая и притягивая ее. Один статор притягивает мембрану, другой ее отталкивает, тем самым воспроизводя звук. В электростатическом громкоговорителе используются очень высокие напряжения. Приложенное к диафрагме поляризующее напряжение достигает 10000 В (10 кВ). Вдобавок, напряжение звукового сигнала при помощи повышающего трансформатора, размещенного внутри электростатического громкоговорителя, увеличивается с нескольких десятков (на первичной обмотке) до нескольких тысяч вольт (на вторичной обмотке). Столь высокие напряжения необходимы для создания вокруг диафрагмы и статоров электростатических полей достаточной напряженности.

Для предотвращения искрения (электрического разряда) статоры часто покрывают изоляционным материалом. Тем не менее, если на электростатический громкоговоритель подано избыточное напряжение, то электростатическое поле отнимает свободные электроны у находящегося в воздухе кислорода, ионизируя его; это создает проводящий путь для электрического заряда. Большие отклонения диафрагмы (при высоком уровне громкости) приближают диафрагму к статорам и также способствуют возникновению искрения. Оно может разрушить электростатические панели, пробивая небольшие отверстия в мембране. Искрение является более серьезной проблемой во влажных климатических условиях, чем в сухих, поскольку влага увеличивает электропроводность воздуха между статорами.

Прослушайте такие гибридные громкоговорители; иногда в них обнаруживается неравномерность амплитудно-частотной характеристики в районе частоты разделения, где НЧ-головка «передает эстафету» электростатической панели. Обратите внимание, например, на изменение тембра фортепиано, на воздушность и размер образа при звучании в различных регистрах. Акустический бас при воспроизведении джаза — это также хорошая проверка на однородность звучания гибридного громкоговорителя, состоящего из динамической и электростатической головок.

Одно из серьезных достоинств широкополосных ленточных и электростатических акустических систем — отсутствие разделительного фильтра: на диафрагму подается весь звуковой сигнал. Это исключает неоднородность звучания, возникающую при воспроизведении разных частот различными головками. Вдобавок, отсутствие резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, используемых в разделительном фильтре, существенно увеличивает прозрачность и точность звучания широкополосных планарных громкоговорителей. Даже в гибридных планарных акустических системах частота разделения между динамической НЧ-головкой и планарной панелью очень низкая (ниже 800 Гц, что примерно на октаву выше среднего «ля»), поэтому неоднородность звучания головок отсутствует в большей части звукового спектра.

Глава 4. Плюсы и минусы статического электричества.

Импульсные помехи возникающие при разрядах СЭ представляют большую опасность для микроэлектронной техники и часто приводят к выходу из строя транзисторов и микросхем, используемых в электронном оборудовании и компьютерах. Накопление зарядов статического электричества (СЭ) на теле человека может привести к: повышенной утомляемости, раздражительности, нарушению сна, депрессии, нарушению центральной нервной системы, болезни верхних дыхательных путей, выпадению волос, прыщи, покраснения кожи, дерматит.

www.ronl.ru

Электростатика

Электростатика – это учение о свойствах и взаимодействии электрических зарядов, неподвижных по отношению к избранной инерциальной системе отсчёта.

Закон сохранения электрического заряда. Проводники, диэлектрики, полупроводники.

Существуют два типа заряда: положительный и отрицательный. Опытным путём было установлено, что элементарный заряд дискретен, то есть заряд любого тела составляет целое, кратное от некоторого электрического заряда. Электрон и протон являются носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов. Из обобщённых опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, впервые сформулированный английским физиком Фарадеем.

Закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остаётся неизменной, какие бы процессы не проходили внутри этой системы.

Система называется замкнутой, если она не обменивается электрическими зарядами с внешними телами.

Электрический заряд – величина релятивистская, инвариантная, то есть не зависит от выбранной системы отсчёта. А значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

Наличие носителя заряда (электронов и ионов) является условием того, что тело проводит электрический ток. В зависимости от способности проводить электрический ток, тела делятся на: проводники диэлектрики полупроводники.

Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объёму. Проводники делятся на две группы:

проводники первого рода (металлы) – перенос в них электрических зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;

проводники второго рода (расплавы солей, растворы солей и кислот и другие) – перенос в них зарядов (положительно и отрицательно заряженных ионов) ведёт к химическим изменениям.

Диэлектрики (стекло, пластмасса) – тела, которые не проводят электрический ток, если к этим телам не приложено сильное внешнее электрическое поле; в них практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (германий, кремний) – занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от внешних условий (температура, ионизирующее излучение и т.д.).

Единица электрического заряда – Кулон (Кл) – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при токе в 1 ампер за время 1 секунда.

Электрический заряд и его свойства. Электрическое поле и его характеристики. Закон Кулона. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции.

Электрическим зарядом называется величина, характеризующая взаимодействия между частицами и телами посредством электрических и магнитных полей (электромагнитное взаимодействие).

Особенностью электромагнитных взаимодействий  является то, что они являются более интенсивными, чем гравитационные. Они занимают второе место (после ядерных сил) по взаимодействию.

1 – ядерные взаимодействия 1

2 – электромагнитные взаимодействия  0,1

3 – слабо ядерные взаимодействия 

4 – гравитационные взаимодействия   

Электрический заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Все элементарные частицы являются носителями положительного или отрицательного электрических зарядов. Кл. Заряд любого тела обусловлен суммой электрических зарядов, входящих в него.

Появление зарядов у тел происходит в результате взаимодействия тел между собой или со средой (передача электрических зарядов от заряженных тел – электризация; передача электрических зарядов между разнородными телами,  при этом они заряжаются положительно или отрицательно; передача электрических зарядов на расстояние – электрическая индукция).

В замкнутой системе суммарный заряд не изменяется  входе любых химических и физических процессов.

Электрический заряд – инвариантная физическая характеристика (не зависит от выбора системы отсчёта).

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством электромагнитных полей. Движущиеся электрические  заряды создают в пространстве электрические и магнитные поля, что приводит к возникновению электрических и магнитных сил и взаимодействий (Кулоновские силы и силы Лоренца). Наиболее простое взаимодействие осуществляется для неподвижных по отношению друг к другу – статическое взаимодействие.

Поля, которые создают заряды – электростатические. Характеристиками электростатических полей являются напряжённость и потенциал.

Напряжённость электростатического поля – величина, равная отношению силы, действующей на пробный заряд, помещённый в другую точку поля к величине этого заряда.

,  где  -  пробный  заряд.

Потенциалом называется величина, равная отношению потенциальной энергии пробного заряда, помещённого в данную точку поля к величине этого заряда.

Электростатическое поле – потенциальное поле, а электростатическая сила – консервативная сила.

Модели заряженных тел.

1 – модель точечного заряда – любое заряженное физическое тело. Если поле определяется на расстоянии то оно  больше, чем размеры тела.

2 – модели распределения зарядов:

Линейный заряд:

, 

 - поверхностная плотность заряда.

 - объёмная плотность распределения заряда.

Закон Кулона в поле точечного заряда.

Два тела взаимодействуют между собой с силами, пропорциональными произведению этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.

(Рисунок)

Закон Кулона является экспериментальным законом и он также вытекает из другого закона.

Эксперименты Кулона проводились на специальных крутильных весах.

  - векторная форма записи закона Кулона.

(Рисунок)

  - напряжённость поля точечного заряда.

Если q > 0  (рисунок)

Для упрощения графического изображения векторного поля вводится параллельные линии вектора напряжённости (силовые линии). Линии напряжённости – линии, касательные  к которым в каждой точке совпадают с вектором напряжённости.

Число линий, которое используется для изображения этого поля, численно равно значению напряжённости в данной точке.

(рисунок)

Если q < 0    (рисунок) 

Линии напряжённости начинаются на положительных и отрицательных зарядах или уходит в бесконечность.

Электростатическое поле диполя.

Диполь – система положительных и отрицательных зарядов, находящихся в этом поле. (Рисунок)

 - дипольный момент данной системы.

Вода (Рисунок)

Принцип суперпозиции: напряжённость результирующего поля находится путём определения геометрической суммы простых полей. (Рисунок)

  © Реферат плюс

referatplus.ru

Реферат - Урок по теме: Электростатика

Статья отнесена к разделу: Преподавание физики

Цели:

образовательная: повторить и обобщить знания об электрическом заряде, о взаимодействии заряженных тел, о существовании двух родов электрических зарядов.

воспитательная: содействовать формированию представлений об общей физической картине мира, показать объективный характер законов природы.

развивающая: развитие познавательного интереса учащихся, проверка уровня самостоятельного мышления учащихся по применению имеющихся знаний в различных ситуациях.

План урока

1. Вступительное слово преподавателя.

2. Основная часть.

2.1. Спортивная разминка.

2.2. “Суд над электризацией” – спектакль.

2.3. “Шаровая модель” – практическое задание.

2.4. “Взаимопроверка” – сценка.

2.5. “ Электрическая теория танца” – танец.

2.6. “Когда и с кем” – вопрос-частушка.

2.7. “Что бы это значило?” – вопрос-картина.

2.8. “Кто прав?” – вопрос-пантомима.

2.9. “Аукцион” – ярмарка-продажа.

3. Подведение итогов.

4. Домашнее задание.

5. Заключительное слово преподавателя.

ХОД УРОКА

1. Вступительное слово учителя.

Добрый день, дорогие друзья! Я рада приветствовать вас на нашем шоу-уроке. В последнее время стали популярны различные шоу-передачи, шоу “Поле чудес”, шоу “Счастливый случай”, “Александр-шоу” и другие. Я тоже решила не отставать от времени и приглашаю вас принять участие в “Шоу-уроке”! Вы спросите зачем? Для чего? Для того чтобы вы поняли, какая это увлекательная интересная наука – физика. Для того чтобы вы поверили в себя и в свои знания. (Звучит музыка и песня.) Начинаем шоу-урок, повторительно-обобщающий урок по теме “Электростатика”. Цель этого урока – повторить, обобщить знания об электрическом заряде, о взаимодействии заряженных тел, о существовании двух родов электрического заряда. И сделать все это нам предстоит необычным путем, ведь урок у нас тоже необычный.

Проверим, как вы готовы.

Назовите ученого, фамилия которого состоит из пяти букв, причем:

первая – первая в названии электрода, присоединенного к положительному полюсу источника тока;

вторая – вторая в названии единицы сопротивления:

третья – третья в названии прибора для измерения силы тока:

четвертая – четвертая в названии единицы силы тока:

пятая (она же последняя) – последняя в названии прибора для измерения напряжения. (Ампер)

Ну что же, я вижу вы настроились, а теперь разминка!

2.1. СПОРТИВНАЯ РАЗМИНКА

Как взаимодействуют одноименные электрические заряды? (Отталкиваются)

С помощью какого прибора можно определить, что тело заряжено? (Электроскоп)

Можно ли электрический заряд делить бесконечно? (Нет)

Каково значение минимального заряда ? (1,6 x 10–19кл)

Как называется единица заряда в системе СИ? (1 кулон)

Какой буквой обозначается напряженность электрического поля? (Е)

Если тело заряжено положительно чего больше, электронов или протонов? (Протонов)

Древнегреческое название янтаря. (Электрон)

Физическая величина, единица измерения которой названа в честь итальянского ученого Вольта. (Напряжение)

Русский ученый, участвовавший в первых опытах исследования атмосферного электричества в России. (Ломоносов)

Прибор, измеряющий силу тока. (Амперметр)

Чему равна работа по перемещению заряда по замкнутому контуру? (Нулю)

Какие виды зарядов существуют в природе? (Положительные, отрицательные)

Может ли быть элементарная частица без заряда? (Да)

Может ли быть электрический заряд без частицы? (Нет)

Могут ли два одноименных заряженных металлических шарика притягиваться друг к другу? (Могут)

Бывали случаи, когда очень быстро поднимающий аэростат самопроизвольно загорался в воздухе. Чем это можно объяснить? (Электризацией)

(За каждый ответ вручается жетон.)

Учитель: Разминка закончилась, а шоу-урок продолжается. Эмблема нашего урока – янтарь. Свойство янтаря, говорят, было открыто дочерью Фалеса из Милета. Хотя вряд ли. Янтарное веретено белокурой, лишь красивая древняя сказка. Но теплый камень удивительной красоты, содержащий иногда внутри себя маленьких насекомых, обладал одним обычным, располагающим к философским настроениям свойствам – он мог – притягивать. Он притягивал пылинки, нити, кусочки папируса, и именно этим свойством определялись в древности названия янтаря у разных народов. Греки назвали его электроном, притягивающим к себе, римляне – хариансом, что означает грабителем, а персы – каубой, т.е. камнем, способным притягивать мякину. Так было открыто явление электризации тел. Что это такое, в чем заключаются положительные и отрицательные стороны? Прежде чем на это ответить, давайте с вами на минутку заглянем в судебный зал.

^ 2.2. “Суд над электризацией” – Спектакль.

(На сцене стол, за ним сидят три судьи, входит стражник.)

СТРАЖНИК: Встать! Суд идет! (Входят представители суда занимают за столом свои места.)

СУДЬЯ: Уважаемые зрители, сейчас вы будете свидетелями необычного судебного процесса. Мы судим электризацию. Ее вина в том, что она недисциплинированна и вредна. Иногда ее действия приносят не поправимые бедствия. Ввести подсудимого! (Стражники вводят электризацию.)

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ: Не виновата я, не виновата!

СУДЬЯ: Слово предоставляется главному обвинителю.

ОБВИНИТЕЛЬ: Уважаемый судья, уважаемые присяжные заседатели, все присутствующие! Я считаю, что электризация – лишнее явление, и ее нужно искоренить из нашей жизни. Она приносит лишь страдания. Приведу пример: вчера посетитель универмага “Детский мир” был напуган женщиной, которая, по словам потерпевшей, уколола людей хитро спрятанным шприцем. При расследовании выяснилось, что никакого шприца не было. Колола синтетическая шуба. И кто виноват? Женщина? Шуба? Виновата электризация! Это из-за нее были напуганы посетители магазина. Искоренить ее!

ОПЫТ 1. Прежде всего человека нужно изолировать от земли. Для этого он встает на изолированный столик и берется рукой за один из полюсов электрофонной машины. Расстояние между полюсами электрофонной машины должно быть не более 15 мм. Приведите в действие машину и зарядите человека. Учащиеся могут подходить к нему и прикасаться к любому участку тела, что вызывает появление электрических искр.

АДВОКАТ: Почтенные члены суда! Я не согласен с обвинением. Дело в том, что вчера был сухой морозный день – воздух диэлектрик. Шубка при соприкосновении с окружающими предметами наэлектризовалась. Заряды накапливались, шуба стала искриться, и эти искры вызвали ощущение укола. Но погода меняется. Я могу привести пример, доказывающий, что электризация явление полезное людям и особо точным производствам. Все машины из-за пыли преждевременно изнашиваются, а каналы их воздушного осаждения засоряются. Кроме того, часто пыль, улетающая с отходящими газами, представляет собой ценное сырье. Очистка промышленных газов стала необходимостью, и доказательством служит следующий опыт.

ОПЫТ 2. В стеклянной трубке проходит вдоль стенки станиолевая лента, соединенная с положительным полюсом электрофонной машины, а по оси – подвешенная на изолированном стержне проволока с тяжелым грузом (проволока соединяется с отрицательным полюсом машины). “Трубка” ставится над кристаллизатором, наполненным небольшим количеством концентрированной соляной кислоты. Если палочку, смоченную в нашатырном спирте поднести к кислоте, то последняя начинает дымиться, и из “трубы” идет густой белый дым. Приводим в действие электрофонную машину, дым исчезает.

ОБВИНИТЕЛЬ: Пример убедительный. Придется в данном случае согласиться с адвокатом. Я как-то упустил из вида, что чистый воздух необходим и нам. Но как быть с таким фактом? Вы красиво оделись, пришли в кафе, в кинотеатр (не важно куда) и вдруг ваше платье наэлектризовалось, и вот результат: испорченный вечер, испорченное настроение. Разве здесь электризация не виновата?

ОПЫТ 3. Электрический султан соединяется с одним из полюсов электрофонной машины. Машина приводится в движение. К султану приблизьте руку. Листочки прилипают к руке.

АДВОКАТ: Я считаю, что не надо винить электризацию, необходимо просто применять антистатики. Кроме того надо пожелать, чтобы выпускали поменьше синтетических тканей.

СУДЬЯ: (звонит в колокольчик). Адвокат, соблюдайте очередность выступлений. Слово предоставляется свидетелям (каждый свидетель, подходя у столу, кладет руку на учебник физики и произносит клятву: “Клянусь великим Кулоном говорить правду и только правду, и пусть покарает меня физический закон, если я солгу”.)

^ 1-й свидетель: Я шофер. Сегодня особенно огорчен. Когда я переливал из ведра через пластмассовую воронку бензин в топливный бак машины, неожиданно между краями воронки и ведром проскочила искра, а затем из горловины возник факел горящего бензин. Я против этого явления.

ОПЫТ 4. Возьмите пластмассовую воронку, закрепите ее в лапке над шаром электрометра. Сыпьте на край воронки речной песок. Он будет скатываться по воронке в шар электрометра, стрелка отклонится.

^ 2-й свидетель: Я за электризацию. По профессии я моляр и не мыслю своей работы без нее. На конвейере корпус автомобиля. Он заряжен положительно, а частицам краски дают отрицательный заряд, они устремляются к положительно заряженной детали. Слой краски на ней получается тонкий, равномерный и плотный. Действительно одноименно заряженные частицы красителя отталкиваются друг от друга. Отсюда равномерность окрашивающего слоя. Метод окраски изделий в электрическом поле широко используется в нашей стране.

ОПЫТ 5. Установка состоит из металлического экрана на изолирующей подставке, соединенного с положительным полюсом электрофонной машины, и жестяного лотка на изолирующей ручке, соединенного с отрицательным полюсом машины. На краю лотка расположена масляная краска. На экране укрепляется листок бумага. Приводим в действие злектрофонную машину. Поднеся лоток к экрану, начинаем медленно перемещать его сверху вниз.

Учитель:  К сожалению, хоть у нас и шoy-урок, но урок. И время ограниченно. Итак:

Что такое электризация?

Кто на суде мог бы выступить в защиту электризации? (Повар – электрокопчение рыбы, врач – электроаэрозоли, пекарь – замес теста)

А кто за обвинение электризации? (Типография, ПНФ)

Как бороться с электризацией? (Повышение влажности, установка вытяжных труб в полу при работе с горючими материалами, заземление, использование антистатиков). Ну что, мы начали работать вместе с вами. Человек подобен аккумулятору. И заряжается он в юности. Заряжается энергией, знаниями, характером, отношением к жизни. И эта часть шоу-урока показала, что некоторые из вас уже зарядились, а нас ждет второй этап – практическое задание.

^ 2.3. "ШАРОВАЯ МОДЕЛЬ" – ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

(Возле каждого ряда стоит девушка и бросает шары. Первый ряд зеленые шары, второй – красные, третий – желтые.)

Учитель:  Итак, зеленые шары – это протоны, красные – электроны, желтые – нейтроны. Необходимо предоставить шаровую модель атома водорода (1 зеленый, 1 красный), гелия (2 желтых, 2 зеленых, 2 красных), бериллия (4 зеленых, 4 красных, 3 желтых). Ну что ж, поработали, а теперь отдохните.

^ 2.4. ВЗАИМОПРОВЕРКА” – СЦЕНКА

Два ученика, сидят за одним столом и положив на него руки, разыгрывают сценку контроля знаний.

1-й ученик: Как называется прибор, при помощи которого измеряют величину тока?

^ 2-й ученик (подглядев ответ под ладошкой): Амперметр.

1-й ученик (подглядев у себя под ладошкой): Верно.

^ 1-й ученик: Как называется прибор, при помощи которого измеряют электрическое сопротивление?

2-й ученик (подглядев ответ под ладошкой): Омметр.

^ 1-й ученик (подглядев у себя под ладошкой): Верно!

1-й ученик: Как называется прибор, при помощи которого измеряют величину электрического напряжения?

^ 2-й ученик: пытается подглядеть, но 1-й ученик быстро прикрывает ее своей рукой. После некоторого замешательства.

2-й ученик (отвечает): Напряжометр...

^ 1-й ученик пытается подглядеть, но второй быстро прикрывает его ладонью, и 1-й ученик, поколебавшись, отвечает. Правильно – напряжометр!?

Учитель: Ну что, продолжаем наш урок. Однажды известный советский физик И.Я. Френкель произнес в Ленинградском физико-технологическом институте речь: “Квантовая теория танца”. Эту речь напечатали в сборнике “Физики продолжают шутить”. Чтo такое танец? – начал с вопроса речь Френкель. С этого вопроса начинали и мы свое задание, только называется оно “Электрическая теория танца”. Вы сейчас увидите танец. Можете танцевать тоже, но не забывайте, что по окончании его вы должны объяснить это явление.

^ 2.5. “Электрическая теория танца” – танец.

(Танцующих трое. На каждой эмблеме +3,-3,+l. Юноша (+1) подходит к (+3) и отскакивает, затем подходит к (-3). Танцуют. Во время танца эмблемы меняются на (-1) и {-1) и они отскакивают друг от друга, танец прекращается.)

Учитель: Французский исследователь Шарль Дюфе в 1730 году изучал взаимодействие наэлектризованных тел. Дюфе заметил, что в одних случаях наэлектризованные тела взаимно притягиваются, а в других отталкиваются. Например, натертая стеклянная палочка отталкивается от другой такой же палочки, но притягивается к наэлектризованному стерженьку из смолы. Дюфе объяснил это явление тем, что существует два ряда электричества “стеклянное” и “смоляное”. Тела, заряженные электричеством одного рода, взаимно отталкиваются, а при разноименных зарядах притягиваются. Более удачное обозначение двух родов электричества, сохранившееся до нашего времени в 1977 году дал известный американский физик и политический деятель Вениамин Франклин. Стеклянное, электричество было названо положительным, а смоляное – отрицательным.

Вопрос следующего задания в частушке.

^ 2.6. “Когда и с кем?” – вопрос-частушка (исполняют учащиеся).

Все случилось в Болонье.Заболела вдруг жена. Нужно было что-то делать, Чтоб скорей спасти себя.Не знахарь он, а профессор Анатомии наук.Несмотря на все на это, Взялся он варить ей суп.Положил на стол лягушку, Стал ей лапы отрезать.Ужас! Вдруг сковал все скулы, Лапа стала вдруг плясать.Так случилося в науке,Чтоб помог ему вот случай.И спасти жену от смерти.И прославиться с ней вместе.Мы частушки вам пропели, Дело сделали свое. А теперь ответьте быстро, Как же все произошло.

Учитель:  В 1780 году итальянский анатом Луиджи Гальвани проводил, разнообразные опыты: влияние действия электричества на организм животных. Он показал, что для достижения эффекта необходимы металлы. Он показал, что при телах, не являющихся проводниками электричества, никакого воздействия на тела не возникало. Он показал, что разные металлы дают разные эффекты. Но он не обратил внимания на то, что эффект возникал только при наличии двух различных металлов.

^ 2.7. “ Что бы это значило? ” – вопрос-картина.

Посмотрите на картину и ответьте на вопрос.

КАРТИНА: (Палец, кошка, сургуч, металлический диск со стеклянной трубой.)

Учитель:  Да, это электрофор – прибор для опытов со статический электричеством. Прибор Вольта был очень прост. Он состоял из сургучной подушки, металлического диска со стеклянной ручкой, собственного пальца и кошки. Принцип действия электрофора, по сути дела, тот же, что и у современных школьных электрофарных машин, и состоит в том, что заряд, сообщенный сургучу при трении кошкой, может быть увеличен в произвольное число раз при повторении цикла опускания металлической плиты на сургуч и отведения ее назад. При этом палец экспериментатора служит тем мостиком, по которому из диска убегает при каждом цикле очередная порция зарядов “ненужного” противоположного знака. Электрофор – удобный прибор для получения мощных разрядов статистического электричества.

^ 2.8. “Кто прав?” – вопрос-пантомима.

“ Со мной кто сравнится”

–Я! – Дуб сказал могучий,Взмахнув вершиной гордой, Из облаков зловещих Летучею змеею Вдруг молния блеснула,И крепкий дуб сломился, Как бы дитя, играя,Цветка согнула стебель.

“Со мною кто сравнится?”

– Я! – прозвучала башня,Чье золотое темяОтовсюду гордо блещет,Когда не покрывает Его, как флером тучи.Но небеса развернулисьДля молнии гремучей.Летит драконом страшнымС зияющей пастью.Мгновенье и не сталоГлавы у гордой башни.Лишь черными ручьямиВниз по стенам стекаетРасплавленное злато.

“Нет, мне никто не равен!”, –Сказала и стрелоюНырнула в волны моря,Где только что спесивоКорабль военный несся.Пожар! В минуту с трескомГорящие остаткиНа воздух разметало.Потом опять все в мореУпало, потонуло.И дивного настроенияКак будто не бывало.

Учитель:  Молния – это величественное и грозное явление природы, которое невольно вызывает чувство страха. Долгое время человек не умел объяснить причину, вызывающую грозовые явления. Люди считали грозу деянием богов, наказывающих человека за грехи. Электрическая природа грозовых, явлений была доказана в середине XVIII века великими русскими учеными М.В. Ломоносовым и его другом Г.В. Рихманом. В земной атмосфере воздух находится в постоянном движении, благодаря трению восходящих и нисходящих потоков частички воздуха электризуются, а когда они сталкиваются с капельками воды в облаках, то отдают им свой заряд. На облаках с течением времени скапливаются весьма большие заряды, и между ними возникает сильное электрическое поле. Оно и вызывает молнию. Люди стремились изучить молнию, узнать ее природу, научиться ее побеждать. И они добились этого. Теперь молния уже перестала быть загадочной. Мы знаем теперь, как себя вести в лесу, в турпоходе, если нас застанет гроза. Кстати, давайте проверим. (На сцене макет дерева. Играет музыка, гремит гроза. Выходят трое. Один садится под дерево с зонтом, второй – лег на землю и накрылся зонтом, третий – присел, сложил зонт, собачку взял на руки.)

ОТВЕТ: При близком разряде молнии между головой и ногами может возникнуть смертельная разность потенциалов. Значительный ток может пройти через цепь собаки. Цепочка увеличивает длину этой цепи и значит разность потенциалов. Если одежда и тело намокнут от дождя, то основная часть тока может пройти по слою воды на поверхность кожи, не проникая внутрь тела. Значит защита от влаги под раскрытым зонтом увеличивает опасность.

Учитель: Стремителен бег нашего времени. Еще вчера мы с вами – жили совершенно не так, как живем сегодня. Кто вчера знал такие слова как плюрализм, приватизация, рынок? А сегодня они прочно вошли в нашу жизнь. Да и аукционов у нас в стране, как таковых, не проводилось. Больше по телевизору видели, как где-то на далеком и загадочном от нас Западе продавались под звуки гонга картины известных художников за немыслимые для нас миллионы. Но времена меняются, и вот “Аукцион” у нас! Пусть это будет не просто купля-продажа, а развлекательная, веселая, поучительная программа. (Исполняется песня “Коробейники”, выносится черный ящик)

^ ПЕРВЫЙ:

Аукцион! Аукцион!По существу он тем силен,Что цену верную вещамОн вам всегда назначит сам.

ВТОРОЙ:

Коль вещь полезна и нужна.Тогда ей красная цена,А коль вещички не нужны,Они пойдут за пол-цены,

^ ПЕРВЫЙ:

Дефицитом торговатьНынче модно стало,И привыкли покупатьЛюди что попало.

ВТОРОЙ:

Гонит всех покупок бес,Жадный да противный.Тут же важен сам процессИ азарт спортивный.

^ ПЕРВЫЙ:

Будешь ты сейчас решатьТрудную задачу.Сможешь вещи испытатьИ свою удачу.

ВТОРОЙ:

Ведь все то, что продаватьСтанем нынче ловко.Нужно прежде угадатьВ этой упаковке (кивает на ящик).

^ ПЕРВЫЙ:

Не уверен, не берись.Встань-ка стороною.Знаешь физику держись.Да тряси мошною.

Учитель:  Итак, начинаем торг!

ВТОРОЙ:

Мы предлагаем для продажиНе вещь и не вещичку даже.Предмет тот редкий дефицит.Что называется отметкой.

ПЕРВЫЙ:

Оценкой, баллом и так далее,О них, конечно, вы слыхали.Поскольку каждый ученикOценки получать привык.Пятерки трудно получить.Быть может лучше их купить?

Учитель:  Первоначальная цена – 1 таньга. Кто больше? Две таньги...раз! Две таньги...два! Три таньги! Ра! Три таньги...два! Три таньги...Три! (пауза) Продано! (Звучит гонг.)

(Помощники учителя берут в черном ящике торт или пирог в форме пятерки и под аплодисменты вручают покупателю.)

^ МУЗЫКАЛЬНАЯ ВИЗИТКА.

ВТОРОЙ:

Ну вот оценку получили, И хорошо коль не забыли. Что лишь упорством и стараньем Всегда даются знанья.

^ ПЕРВЫЙ:

Купить отметку так несложно.Купить же знания – невозможно!

Учитель:  На очереди следующая покупка.

ВТОРОЙ:

Физическую суть природы Познать совсем не просто. А на уроке все сказать, Уж очень, очень сложно.

ПЕРВЫЙ:

Но все хотят в нее взглянуть,Чтоб обнаружить ее суть.И средство есть у нас одно.Мы предлагаем вам его.

Учитель:  Первоначальная цена – 2 танъги! Кто больше? (Покупателю вручается энциклопедия юного физика.)

^ ВТОРОЙ:

Хотим, чтобы вам помог,Подарок этот ценный.И к физике любовь привил,И чудеса все объяснил.

Учитель:  Ну что нас ждет впереди?

ПЕРВЫЙ:

Ее так долго создавали,Так долго ждали все ее.И без Ладыгина сегодняЖизнь не возможной бы была.

ВТОРОЙ:

Жизнь у нее на волоске

Запрещены любые потрясенья.

Но не была она в тоске.

Жизнь для нее одно горенье.

Учитель:  Первоначальная цена 10 таньга!

(Вручается люстра или настольная лампа.)

^ ПЕРВЫЙ:

Без излишнего предисловияПредлагаю вам здоровья.Прицениться поспешайте. Не скупитесь, покупайте!

ВТОРОЙ:

Раньше вряд ли вы видали,Чтоб здоровье продавали.

Учитель:  И так. 4 таньги, раз! И.т.

(Вручается электрогрелка.)

^ ПЕРВЫЙ:

Пусть каждый киловатЗдоровья пуд прибавит вам!

ВТОРОЙ:

В архивах древних запись есть,Что он помог Нерону.Сей император заболел.Не бросил чуть корону

^ ПЕРВЫЙ:

И в деревянную кадушкуЗалез он вместе с ним.Подвергся действию зарядовИ вылечился вмиг:

Учитель:  Прошу покупателей активней принимать участие в торге. Итак три таньги и т.д.

(Вручается щука.)

Учитель: К сожалению электрический скат мы не достали, поэтому заменили его щукой. Но покупатель, думаю, не обидится.

Учитель:  Первоначальная цена – 3 таньги! и т.д. (Вручается картина.)

^ ВТОРОЙ:

Пройдя дороги половину,Мы предлагаем вам картину.Кто ее автор неизвестно,Но всем картина интересна.

ПЕРВЫЙ:

Пейзаж, портрет, и мелко дата.Ядро, полет, луна.Берите, долго не торгуйтесь,И в сласть картиною любуйтесь.

^ ВТОРОЙ:

Комментировать не буду.Но картина просто чудо!Физика – вот это да!В ней самой отражена.

Учитель:  Наш торг подходит к концу. Внимание!

ПЕРВЫЙ:

Короною сосудовНазвал его сам Вольт.А мы вам предлагаемДетали для него.

^ ВТОРОЙ:

Сея покупка интересна.Не хватает только в нейЭлектродов и, конечно,Ток появится же в ней.

Учитель:  Первоначальная цена 4 таньги!

(Вручается банка соленых огурцов.)

ПЕРВЫЙ:

Смейтесь, смейтесь вместе с нами,Мы расстанемся друзьями.Коль смешит аукцион,Значит, понравился всем он.

Учитель:

Ну что ж, большое спасибо, особенно покупателям! Осталась последняя покупка. Не жалейте денег!

^ 3. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ.

Учитель:  Пора подвести итоги нашего необычного урока. Какой по величине ток создает один движущийся направленный электрод? Практически никакой. Если направлено будут сдвигаться много электродов? Сила тока уже будет значительной, она может заставить работать электрический двигатель, телевизор, электроплиту и т.д. Почти так и в жизни. Что мог сделать сегодня один человек? И что сделали мы сегодня все вместе.

^ 4. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ.

Учитель:  Как и на каждом уроке, у нас есть домашнее задание. Только срок выполнения его определите сами.

Электрическая энергия одной молнии 250 квт\час. Если предположить, что одна семья из трех человек потребляет в месяц 300 квт.\час электричества, то энергии одной молнии хватило бы, чтобы удовлетворить потребность этой семьи на 8 месяцев. Ваши предложения? Как практически использовать энергию молнии? Бытует мнение, что попав в область отрицательного заряда, например, под душ, человек испытывает невероятное блаженство. И так, отрицательный заряд делает вас счастливыми, а положительный – вызывает неприятные эмоции. Не исключено, что удовольствие, которое мы получаем от душа, в равной мере обусловлено как ощущение собственной чистоты, так и отрицательным зарядом, возникающим в ванной. Как объяснить такое “эмоциональное воздействием положительных и отрицательных зарядов.

5. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНОЕ СЛОВО ПРЕПОДАВАТЕЛЯ.

Учитель:  Поверьте, если вы сможете выполнить это задание, вы совершите великое дело.

Тысячи неразгаданных тайн таит в себе физика, и без вас, и без вашей молодости, смелости, энтузиазма, они не будут разгаданы. Физика ждет вас друзья! Ну, а мы прощаемся с вами. До свидания! (Звучит песня.)

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Реферат организм человека как единое целое
• 
  Реферат на тему этикет делового человека
• 
  Реферат на тему электричество в быту
• 
  Реферат на тему радуга по физике
• 
  Реферат на тему поисковая система google
• 
  Реферат на тему первые современные люди
• 
  Реферат на тему логопедия как наука
• 
  Реферат на тему лечебно профилактическое питание
• 
  Реферат на тему иудаизм 5 класс
• 
  Реферат на тему виды инженерной деятельности
• 
  Реферат на тему бегазы дандыбаевская культура