Физика для чайников электричество: Физика для чайников. Урок 23. Электромагнетизм | Александр Шуравин. — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Физика для чайников. Урок 23. Электромагнетизм | Александр Шуравин.

Изображение взято из открытых источников

Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 22. Закон Ома.

На уроке Физика для чайников. Урок 18. Электрическое поле мы узнали, что такое электрическое поле. Но электрическое взаимодействие – это частный случай электромагнитного взаимодействия. Вообще, магнитное поле является порождением электрического тока. В 1820 году Х. Эрстед провел опыт, доказывающий, что электрический ток создает магнитное поле. Его опыт заключался в помещении над магнитной стрелкой прямолинейного металлического проводника, направленного параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180 градусов. Аналогичный разворот наблюдался, если провод переносился на другую сторону, располагаясь не над, а под стрелкой:

Изображение взято из открытых источников

Вокруг неподвижного заряда создается исключительно электрическое поле. Но если этот заряд движется, то он порождает еще и магнитное поле. Если магнит лежит на столе, вокруг него есть только магнитное поле. Но если двигаться относительно магнита, то такой вот движущийся наблюдатель зафиксирует и электрическое поле. Таким образом утверждение о существовании электрического или магнитного полей в заданной точке имеет смысл только при указании системы отсчёта, относительно которой они рассматриваются. Оба поля являются проявлением единого электромагнитного поля.

Итак, движущиеся заряды создают магнитное поле. С другой стороны, если заряд поместить в магнитное поле, то он будет двигаться. Таким образом, магнитное поле, может создавать электрический ток. Это явление используется для генерации электричества, которое имеет у все у нас в розетках. Генератор представляет собой вращающийся магнит и катушку с намотанным на нем проводником. Магнит вращается, например, за счет падающей на лопасти огромного колеса воды (гидроэлектростанция).

Направление силовых линий магнитного поля и движения зарядов определяются так называемым правилом буравчика:

Изображение взято из открытых источников

Формулируется оно «Если направление поступательного движения буравчика (винта) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции поля, создаваемого этим током».

Если говорить по русский, то представьте себе вкручиваемый куда-либо винт. Направление вкручивания – это электрический ток. Направление вращения – это магнитное поле.

Физика для чайников. Выпуск 24. Почему в грозу сверкают молнии.

Изучение электричества с нуля — Инженер ПТО

Предлагаем небольшой материал по теме: «Электричество для начинающих». Он даст первоначальное представление о терминах и явлениях, связанных с движением электронов в металлах.

Особенности термина

Электричество представляет собой энергию маленьких заряженных частиц, движущихся в проводниках в определенном направлении.

При постоянном токе не наблюдается изменения его величины, а также направления движения за определенный промежуток времени. Если в качестве источника тока выбирается гальванический элемент (батарейка), в таком случае заряд движется упорядоченно: от отрицательного полюса к положительному концу. Процесс продолжается до тех пор, пока он полностью не исчезнет.

Переменный ток периодически изменяет величину, а также направление движения.

Схема передачи переменного тока

Попробуем понять, что такое фаза в электричестве. Это слово слышали все, но далеко не всем понятен его истинный смысл. Не будем углубляться в детали и подробности, выберем только тот материал, который необходим домашнему мастеру. Трехфазная сеть является способом передачи электрического тока, при котором по трем разным проводам протекает ток, а по одному идет его возврат. Например, в электрической цепи есть два провода.

По первому проводу к потребителю, например, к чайнику, идет ток. Второй провод используется для его возвращения. При размыкании такой цепи, прохождения электрического заряда внутри проводника не будет. Данная схема описывает однофазную цепь. Что такое фаза в электричестве? Фазой считают провод, по которому протекает электрический ток. Нулевым называют провод, по которому осуществляется возврат. В трехфазной цепи присутствует сразу три фазных провода.

Электрический щиток в квартире необходим для распределения электрического тока по всем помещениям. Трехфазные сети считают экономически целесообразными, поскольку для них не нужны два нулевых провода. При подходе к потребителю, идет разделение тока на три фазы, причем в каждой есть по нолю. Заземлитель, который используется в однофазной сети, не несет рабочей нагрузки. Он является предохранителем.

К примеру, при возникновении короткого замыкания появляется угроза удара током, пожара. Для предотвращения такой ситуации, величина тока не должна превышать безопасный уровень, избыток уходит в землю.

Пособие «Школа для электрика» поможет начинающих мастерам справляться с некоторыми поломками бытовых приборов. Например, если возникли проблемы при функционировании электрического двигателя стиральной машины, ток будет попадать на внешний металлический корпус.

При отсутствии заземления заряд будет распределяться по машине. При прикосновении к ней руками, в роли заземлителя выступит человек, получив удар электрическим током. При наличии провода заземления такой ситуации не возникнет.

Особенности электротехники

Пособие «Электричество для чайников» пользуется популярностью у тех, кто далек от физики, но планирует использовать эту науку в практических целях.

Датой появления электротехники считают начало девятнадцатого века. Именно в это время был создан первый источник тока. Открытия, сделанные в области магнетизма и электричества, сумели обогатить науку новыми понятиями и фактами, обладающими важным практическим значением.

Пособие «Школа для электрика» предполагает знакомство с основными терминами, касающимися электричества.

Советы начинающим

Во многих сборниках по физике есть сложные электрические схемы, а также разнообразные непонятные термины. Для того чтобы новички могли разобраться во всех тонкостях данного раздела физики, было разработано специальное пособие «Электричество для чайников». Экскурсию в мир электрона необходимо начинать с рассмотрения теоретических законов и понятий. Наглядные примеры, исторические факты, используемые в книге «Электричество для чайников», помогут начинающим электрикам усваивать знания. Для проверки успеваемости можно использовать задания, тесты, упражнения, связанные с электричеством.

Если вы понимаете, что у вас недостаточно теоретических знаний для того, чтобы самостоятельно справиться с подключением электрической проводки, обратитесь к справочникам для «чайников».

Безопасность и практика

Для начала нужно внимательно изучить раздел, касающийся техники безопасности. В таком случае во время работ, связанных с электричеством, не будет возникать чрезвычайных ситуаций, опасных для здоровья.

Для того чтобы на практике реализовать теоретические знания, полученные после самостоятельного изучения основ электротехники, можно начать со старой бытовой техники. До начала ремонта обязательно ознакомьтесь с инструкцией, прилагаемой к прибору. Не забывайте, что с электричеством шутить не нужно.

Электрический ток связан с передвижением электронов в проводниках. Если вещество не способно проводить ток, его называют диэлектриком (изолятором).

Для движения свободных электронов от одного полюса к другому между ними должна существовать определенная разность потенциалов.

Интенсивность тока, проходящего через проводник, связана с количеством электронов, проходящих через поперечное сечение проводника.

На скорость прохождения тока влияет материал, длина, площадь сечения проводника. При увеличении длины провода, увеличивается его сопротивление.

Заключение

Электричество является важным и сложным разделом физики. Пособие «Электричество для чайников» рассматривает основные величины, характеризующие эффективность работы электрических двигателей. Единицами измерения напряжения являются вольты, ток определяется в амперах.

У любого источника электрической энергии существует определенная мощность. Она подразумевает количество электричества, вырабатываемое прибором за определенный промежуток времени. Потребители энергии (холодильники, стиральные машины, чайники, утюги) также имеют мощность, расходуя электричество во время работы. При желании можно провести математические расчеты, определить примерную плату за каждый бытовой прибор.

Существует множество понятий, которые нельзя увидеть собственными глазами и потрогать руками. Наиболее ярким примером служит электротехника, состоящая из сложных схем и малопонятной терминологии. Поэтому очень многие просто отступают перед трудностями предстоящего изучения этой научно-технической дисциплины.

Получить знания в этой области помогут основы электротехники для начинающих, изложенные доступным языком. Подкрепленные историческими фактами и наглядными примерами, они становятся увлекательными и понятными даже для тех, кто впервые столкнулся с незнакомыми понятиями. Постепенно продвигаясь от простого к сложному, вполне возможно изучить представленные материалы и использовать их в практической деятельности.

Понятия и свойства электрического тока

Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.

Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении.

Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специфические признаки:

Нагревание проводника, по которому протекает ток.
Изменение химического состава проводника под действием тока.
Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.

Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором – периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах

Основные токовые величины

При возникновении в цепи электрического тока, происходит постоянный перенос заряда через поперечное сечение проводника. Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, называется силой тока, измеряемой в амперах.

Для того чтобы создать и поддерживать движение заряженных частиц, необходимо воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такого действия, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как напряженность электрического поля. Именно она вызывает разность потенциалов или напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется специальная единица –

вольт. Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который будет рассмотрен подробно.

Важнейшей характеристикой проводника, непосредственно связанной с электрическим током, является сопротивление, измеряемое в омах. Данная величина является своеобразным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В результате воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления увеличивается. Величина в 1 Ом возникает, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока – 1 А.

Закон Ома

Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и мощность. Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.

Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:

Сила тока: I = U/R (ампер).
Напряжение: U = I x R (вольт).
Сопротивление: R = U/I (ом).

Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким – на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов – напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.

Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.

Энергия и мощность в электротехнике

В электротехнике существуют еще и такие понятия, как энергия и мощность, связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, тепловой, ядерной и электрической форме. В соответствии с законом сохранения энергии, ее невозможно уничтожить или создать. Она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Например, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.

Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии на протяжении установленного промежутка времени. Эта величина индивидуальна для каждого прибора и представляет собой мощность, то есть объем энергии, который может потребить тот или иной прибор. Этот параметр вычисляется по формуле P = I x U, единицей измерения служит ватт. Он означает перемещение одного ампера одним вольтом через сопротивление в один ом.

Таким образом, основы электротехники для начинающих помогут на первых порах разобраться с основными понятиями и терминами. После этого будет значительно легче использовать полученные знания на практике.

Электрика для чайников: основы электроники

Древние греки наблюдали электрические явления задолго до начала изучения электричества. Достаточно потереть шерстью или мехом полудрагоценный камень янтарь, как он начинает притягивать кусочки сухой соломы, бумаги или пух и перья.

В современных школьных опытах используются стеклянные и эбонитовые стержни натертые шелком или шерстью. При этом считается, что на стеклянном стержне сохраняется положительный заряд, а на эбонитовом отрицательный. Эти стержни также могут притягивать к себе мелкие кусочки бумаги и т.п. мелкие предметы. Именно это притяжение и есть воздействие электрического поля, которое изучал Шарль Кулон.

По-гречески янтарь называется электрон, поэтому для описания такой силы притяжения Уильям Гильберт (1540 – 1603 гг.) предложил термин «электрический» .

В 1891 году английский ученый Стоней Джордж Джонстон выдвинул гипотезу о существовании в веществах электрических частиц, которые и назвал электронами. Такое утверждение существенно облегчило понимание электрических процессов в проводниках .

Электроны в металлах достаточно свободны и легко отрываются от своих атомов, а под действием электрического поля, точнее разности потенциалов перемещаются между атомами металла, создавая электрический ток. Таким образом, электрический ток в медном проводе представляет собой поток электронов, протекающий вдоль провода, от одного конца к другому.

Электрический ток способны проводить не только металлы. При определенных условиях электропроводны жидкости, газы и полупроводники. В этих средах носителями зарядов являются ионы, электроны и дырки. Но пока речь только о металлах, ведь даже и в них все не так просто.

Пока что речь идет о постоянном токе, направление и величина которого не меняется. Поэтому на электрических схемах возможно стрелками указать, куда же течет ток. Считается, что ток течет от положительного полюса к отрицательному, к такому выводу пришли на ранней стадии изучения электричества.

Позднее выяснилось, что на самом деле электроны движутся как раз в обратном направлении – от минуса к плюсу. Но, тем не менее, от «ошибочного» направления не отказались, более того именно оно называется техническим направлением тока. Какая разница, если лампочка все равно горит. Направление движения электронов получило название истинного и применяется чаще всего в научных исследованиях.

Сказанное иллюстрирует рисунок 1.

Если переключатель на некоторое время «перебросить» в сторону батарейки, то зарядится электролитический конденсатор C, на нем накопится некоторый заряд. После того, как конденсатор зарядился, переключатель повернули в сторону лампочки. Лампа вспыхнула и погасла – конденсатор разрядился. Совершенно очевидно, что длительность вспышки зависит от величины электрического заряда, запасенного в конденсаторе.

Гальваническая батарея тоже хранит электрический заряд, но намного больший, нежели конденсатор. Поэтому время вспышки достаточно велико, — лампочка может гореть до нескольких часов.

Электрический заряд, ток, сопротивление и напряжение

Изучением электрических зарядов занимался французский ученый Ш. Кулон, который в 1785 году открыл закон, названный его именем.

В формулах электрический заряд обозначается как Q или q. Физический смысл этой величины — способность заряженных тел вступать в электромагнитные взаимодействия: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Сила взаимодействия между зарядами прямо пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Если в виде формулы, то это выглядит вот так:

Электрический заряд электрона очень мал, поэтому на практике пользуются величиной заряда под названием Кулон . Именно эта величина используется в международной системе СИ (Кл). В одном кулоне содержится ни много ни мало 6,24151*10 18 (десять в восемнадцатой степени) электронов. Если из этого заряда выпускать по 1 млн. электронов в секунду, то этот процесс продлится целых 200 тысяч лет!

За единицу измерения тока в системе СИ принят Ампер (А) , по имени французского ученого Андре Мари Ампера (1775 — 1836). При силе тока в 1А через поперечное сечение проводника за 1 секунду протекает заряд ровно в 1 Кл. Математическая формула в этом случае получается вот такая: I = Q/t.

В этой формуле ток в Амперах, заряд в Кулонах, время в секундах. Все единицы должны соответствовать системе СИ.

Другими словами получается один кулон в секунду. Очень напоминает скорость автомобиля в километрах в час. Поэтому сила электрического тока есть не что иное, как скорость протекания электрического заряда.

Чаще в быту используется внесистемная единица Ампер*час. Достаточно вспомнить автомобильные аккумуляторы, емкость которых указывается как раз в ампер часах. И это всем известно и понятно, хотя про какие-то кулоны в магазинах авто запчастей никто и не вспоминает. Но при этом все-таки существует соотношение: 1 Кл = 1*/3600 ампер*часа. Возможно, что такое количество можно было бы назвать ампер * секундой.

По-другому определению ток в 1 А протекает в проводнике сопротивлением 1 Ом при разности потенциалов (напряжении) на концах проводника 1 В. Соотношение между этими величинами определяется по закону Ома. Это, пожалуй, самый главный электрический закон, недаром народная мудрость гласит: «Не знаешь закон Ома – сиди дома!».

Проверка закона Ома

Этот закон сейчас известен всем: «Ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению». Казалось бы всего три буквы, — I = U/R, любой школьник скажет: «Ну и что?». А на самом деле путь к этой короткой формуле был достаточно тернист и долог.

Для проверки закона Ома можно собрать простейшую схему, показанную на рисунке 2.

Исследование достаточно простое, — увеличивая напряжение источника питания по точкам на бумаге построить график, показанный на рисунке 3.

Казалось бы, что график должен получиться идеально прямой линией, поскольку зависимость I = U/R можно представить в виде U = I*R, а в математике это прямая линия. На самом же деле в правой части линия загибается вниз. Может не очень сильно, но загибается и почему-то весьма разнообразно. При этом загиб будет зависеть от того, как будет нагреваться исследуемое сопротивление. Не зря оно сделано из длинной медной проволоки: можно намотать плотно виток к витку, можно закрыть слоем асбеста, может температура в помещении сегодня одна, а вчера была другая или в помещении гуляет сквозняк.

Это к тому, что температура влияет на сопротивление так же, как на линейные размеры физических тел при нагревании. Каждый металл имеет свой температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Вот только про расширение знают и помнят практически все, а про изменение электрических свойств (сопротивление, емкость, индуктивность) забывают. А ведь именно температура в этих опытах является самым стабильным источником нестабильности.

С литературной точки зрения получилась достаточно красивая тавтология, но именно она в данном случае очень точно выражает суть проблемы.

Многие ученые в середине девятнадцатого века пытались открыть эту зависимость, но мешала нестабильность опытов, вызывала сомнения в истинности полученных результатов. Удалось это сделать только Георгу Симону Ому (1787-1854), который сумел отбросить все побочные эффекты или, как говорится, увидеть за деревьями лес. Единица измерения сопротивления 1Ом до сих пор носит имя этого гениального ученого.

Из закона Ома можно выразить любую составляющую: I=U/R, U=I*R, R=U/I.

Для того, чтобы эти соотношения не забывать существует так называемый треугольник Ома , или что-то в этом роде, показанный на рисунке 4.

Рисунок 4. Треугольник Ома

Пользоваться им очень просто: достаточно закрыть пальцем искомую величину и две оставшиеся буквы покажут, что с ними надо делать.

Еще осталось вспомнить, какую роль играет во всех этих формулах напряжение, каков его физический смысл. Обычно под напряжением понимается разность потенциалов в двух точках электрического поля. Чтобы это было легче понять, пользуются аналогиями, как правило, с баком, водой и трубами.

В этой «водопроводной» схеме расход воды в трубе (литры/сек) это как раз есть ток (кулон/сек), а разность между верхним уровнем в баке и открытым краном разность потенциалов (напряжение). При этом если кран открыт, то давление на выходе равно атмосферному, которое можно принять за условный нулевой уровень.

В электрических схемах такая условность позволяет принять какую-то точку за общий провод («землю»), относительно которого производятся все измерения и настройки. Чаще всего за этот провод принимают минусовой вывод источника питания, хотя это и не всегда так.

Разность потенциалов измеряется в вольтах (В) по имени итальянского физика Алессандро Вольта (1745-1827). По современному определению при разности потенциалов в 1 В на перемещение заряда в 1 Кл расходуется энергия в 1 Дж. Пополнение израсходованной энергии производится от источника питания, по аналогии с «водопроводной» схемой это будет насос, поддерживающий уровень воды в баке.

«Физика для чайников» СГУ ТВ. Серия фильмов 36-40 «Электричество»

Подробности: Категория: «Физика для чайников» от СГУ ТВ

Не так уж твёрд гранит науки. Физика для начинающих. Борис Бояршинов.

Первый образовательный канал. © Телекомпания СГУ ТВ.

Конденсаторы

Игры с конденсаторами

Пироэлектрики, сигнетоэлектрики и другие электрики

Закон Ома

Закон Джоуля — Ленца и правила Кирхгофа

Помогите решить / разобраться (Ф)

Munin
А как лично Вы относитесь к книге
«Электродинамика»
де Гроот С.Р., Сатторп Л.Г. (S.R.de Groot, L.G.Suttorp)?

Я очень аккуратно старался сформулировать сообщение так, чтобы его не приняли за мои рекомендации. В учебниках по классической электродинамике я плохо разбираюсь, на слуху только самые популярные тайтлы.

Про де Гроота-Сатторпа я слышал, но сравнительно давно, и даже не скачал. Восполню-ка этот пробел.

Вообще, электродинамика, имхо, должна состоять из таких вещей:

1. Уравнения Максвелла.

С этим все перечисленные мной учебники справляются, и я думаю, любой учебник по электродинамике справится.
2. Электромагнитные явления в веществе.

Тут можно копать мелко и глубоко, причём всё глубже и глубже. Тема неисчерпаема. Начальные знания полезны любому студенту (даже не физику), что бывают провода и магниты, должен знать каждый. Но более объёмное изложение — уже преимущественно физику-экспериментатору (и инженеру). Для теоретика, это уже больше темы, входящие не в курс «Электричество и магнетизм», а в «Физику твёрдого тела (и конденсированного состояния)», в «Физику плазмы», в «Оптику (и нелинейную оптику)».
3. Лоренц-инвариантность уравнений Максвелла.
4. Калибровочная инвариантность, лагранжев и гамильтонов формализмы.
5. Точные решения уравнений Максвелла.

Сюда же, уравнения математической физики. В общем, «мы знаем, что эта задача не имеет решения, мы хотим знать, как её решать».

3-5 — минимум физика-теоретика.
6. Дифференциальные формы для уравнений Максвелла.

3-6 — пожалуй, минимум математика, касающегося электромагнетизма.
Дальше нужно просто смотреть содержание учебника, и ставить галочки. Думаю, все пункты ни один учебник не покроет, но двумя-тремя это сделать можно (кроме необозримого пункта 2, который один может потребовать полдюжины книг по разным направлениям вглубь).

(Оффтоп)

Вероятность встретить человека, чья фамилия оканчивается на -тыгин, исчезающе мала. Но вероятность того, что встретятся два человека с разными фамилиями на -тыгин и вместе напишут учебник, просто равна нулю.

🙂
Либо они, как встретились, так и сговорились, либо где-то там псевдоним 🙂
Либо мы имеем дело с известным математическим парадоксом: события с нулевой вероятностью всё равно происходят 🙂

— 03.09.2013 01:14:45 —

Вот тут http://www.nkj.ru/archive/articles/19054/
(второй абзац) биофизик (вначале учился на физика) сравнивает американские (на примере ФЛФ) и советские учебники (на примере ЛЛ) по физике. Комментировать не берусь.
Ну, та пара слов, которую он сказал, в принципе, справедлива. Но на «сравнивает» это не тянет.

Но действительно, в американских учебниках (ФЛФ, БКФ) много неформального текста, который делает чтение более интересным.

Я считаю, главное его достоинство в том, что он делает суть более понятной.

— 03.09.2013 01:29:41 —

Munin
А как лично Вы относитесь к книге
«Электродинамика»
де Гроот С.Р., Сатторп Л.Г. (S.R.de Groot, L.G.Suttorp)?

Заглянул в оглавление и аннотацию. Это очень глубокая книга, для тех, кто уже знает всё, что я написал. Она «глубоко копает» в пункте 2 моего списка тем. Очень глубоко. Я, если честно, не ожидал даже, что такая книга есть. Она мне будет интересна для дальнейшего чтения.

Физика для чайников / Библиотека МатПрофи.ком

Физика с нуля Много искал в интернете какгдечто качать, учить, читать. Очень сложно определиться. Книг много, какие лучше не знаю. Давайте все вместе систематизируем это дело? посоветуйте книг и просто знающие люди как выучить физику? Если кто решит учить физику — этот пост будет руководством. Начинать нужно с нуля по-любому. От раздела к разделу рисуя истинную картину этого мира поэтапно. спасибо wiki он разбил для нас все разделы очень подробно здесь Я нашел много книг. Выложу ссылки. Кто может — помогите с выбором лучших. Посоветуйте как выбрать нужные книги и не читать лишних. Вижу необходимость разделов: 1. Пособия по решению задач по общей физике: 1.1 Механика Ньютона и СТО. 1.2 Термодинамика и молекулярная физика. 1.3 Элетромагнетизм. 1.4 Колебания и волны. 1.5 Оптика. 1.6 Атомная физика. 1.7 Задачники с решениями, содержащие задачи по вему курсу общей физики. 2. Учебники по разделам общей физики: 2.1 Классическая механика. Механические колебания и волны. 2.2 Термодинамика. Стаистическая физика. 2.3 Электричество и магнетизм. Классическая электродинамика. 2.4 Оптика: геометрическая, волновая, нелинейная, квантовая. 2.5 Атомная и ядерная физика. 2.6 СТО, релятивистская динамика. 2.7 Гравитация, астрофизика, космология. Другие разделы с этого замечательного сайта. Каталог по поиску книг вам в помощь. для физики нам понадобится математика По «механике и молекулярке» тем кто учиться в вузе, я бы посоветовал искать И.В. Савельева «Курс общей физики». Глубокий и хороший материал (Если сдаете олдскульным преподам), с другой стороны самому все понятно + рассмотрено множество примеров и задач по ходу изложения материала.

а вот и ссылка http://rutracker.org/forum/viewtopic.php?t=418452 если кто незареган можете использовать мое имя, только не шалите там… log:shiyan.petr pass:openshiyan

Ландсберга советуют в качестве Элементарного курса, а так у меня понакачаны учебники по физике, математике, если что могу как-н поделиться добром:)

https://cloud.mail.ru/public/3Muz/NbGnQwLTK

Весь этот материал не мой, взято с Пикабу, ссылка снизу

https://pikabu.ru/story/fizika_s_nulya_1053443

что изучает дисциплина, основные разделы и темы науки в физике

Каждый день человек сталкивается с электричеством. Оно используется во всех частных домах и квартирах, на производстве, в офисных и промышленных помещениях. Изучением этого понятия занимается наука электротехника. Её основы изучают в школьном курсе физики, поэтому о том, как проложить проводку, распределить напряжение на бытовые приборы, знают даже ученики средних классов.

Значение электричества

Каждое вещество состоит из определённого количества молекул, которые делятся на атомы. У самой мелкой частицы есть ядро, вокруг него постоянно передвигаются протоны и электроны с положительными и отрицательными зарядами. Когда два элемента находятся близко друг к другу, то между ними образуется разность потенциалов. Это приводит к появлению электрического заряда, при котором электроны двигаются от одной материи к другой. Так появляется электричество — энергия, которую вызывает движение отрицательных зарядов.

Скорость их перемещения отличается, для его упорядочивания используют проводники — вещества, через которые проходит ток. Если электроны двигаются только в одном направлении, то такое электричество называется постоянным. При изменении перемещения возникает постоянный ток. Переменный позволяет работать всем бытовым приборам, используется в промышленности. Движением энергии можно управлять, это изучается в курсе «Основы электротехники».

Наука электротехника

В физике электротехника изучает все понятия, связанные с электричеством. Её проходят все, кто хочет получить специальность электрика. В учебных заведениях дисциплина называется «ТОЭ» — теоретические основы электротехники. Впервые об этой науке узнали в XIX веке, когда был изобретён источник тока и построены электрические цепи. Затем учёные сделали несколько физических открытий, а также в области математики и химии.

На первых занятиях ТОЭ студенты изучают основы электрического тока, его определение, разбираются свойства, сферы использования и характеристики. Затем рассказывают студентам о магнитных полях, приборах, которые получают питание от сети. Необязательно получать специальное образование в институте или колледже. Разобраться с работой электрической проводки можно самостоятельно.

Достаточно изучить сайты по электротехнике, несколько учебников или посмотреть видеоуроки. В быту этих знаний хватит для замены лампы в светильнике или ремонта электрического чайника. Но если есть желание профессионально работать с током, то необходимо получить специальное образование. Диплом позволит получить официальный допуск к таким занятиям.

Основные понятия

При изучении основ электротехники и электроники используют много формул и вычислений. В науке есть три основных понятия:

сопротивление;
сила тока;
напряжение.

Силой тока называют определённое количество заряда, который протекает через проводящее вещество за конкретный период. То есть это число электронов, проходящее из одного конца проводника в другой. Этот показатель считается самым опасным для жизни человека. Если взяться руками за голый провод, то электроны пройдут через живое тело. От их количества напрямую зависят повреждения, так как заряд выделяет тепло и активирует некоторые химические реакции, вредящие здоровью человека.

Но для того чтобы электричество свободно передвигалось по проводам, необходимо присутствие напряжения и разности потенциалов. Эти показатели должны быть постоянными, для чего электрическую цепь предварительно замыкают. На одном её конце располагается источник питания, который и отвечает за непрерывное движение электронов.

Третий параметр — сопротивление — физическая характеристика вещества, которая показывает способность к проведению заряда. Чем ниже этот показатель, тем больше электронов может пройти по проводнику за определённый период. С уменьшением сопротивления увеличивается сила тока. Высокий показатель величины снижает электричество, но нагревает проводник, что может привести к возгоранию.

Подразделы и темы

Понять то, что изучает электротехника, поможет перечень подразделов и тем, которые проходят в колледжах. Главная составляющая науки — это электромеханика. Она позволяет студентам узнать принципы работы тех устройств, которые получают питание от электричества. После этих занятий можно заняться ремонтом и даже проектированием оборудования.

На занятиях проходят особенности превращения электрической энергии в механическую с помощью двигателя или специального станка. Затем изучают обратные процессы, то есть работу трансформаторов и генераторов тока. Без знаний об электрических цепях, принципов их функционирования и других вопросов, которые охватывает основная дисциплина, невозможно начать изучение электромеханики.

К основным темам по электротехнике относят:

основы дисциплины;
цепи постоянного электрического тока;
магнитные цепи и электромагнитная индукция;
принципы переменного тока;
переходные процессы в электрических цепях с сосредоточенными показателями;
распределённые параметры;
приборы электроизмерительные;
силовые машины;
информационные приборы;
полупроводниковые материалы;
интегральные микросхемы;
первичные и вторичные источники питания;
теория электропривода;
микропроцессорные устройства;
радиотехника и приборы СВЧ.

Со всеми этими темами студенты знакомятся на занятиях, изучают основные формулы, проводят вычисления и лабораторные работы. Преподаватель должен объяснить всю теорию по дисциплине и показать работу электрического тока на практике.

Меры безопасности

Когда проходят практические занятия по изучению электротехники, необходимо позаботиться о безопасности учащихся. Ведь несоблюдение некоторых правил может привести к травмам и даже смертельным исходам. Основы работы с приборами, питающимися от сети:

ознакомление с инструкцией;
проверка изоляции проводников;
диагностика электросети.

Перед работой студенты обязательно должны прочесть инструкцию к каждому прибору. Без выполнения этого правила нельзя подключать устройства к сети. Особое внимание уделяют разделу, в котором описываются вопросы безопасности. Затем контролируют изоляцию проводников. Обычно все провода покрываются специальными материалами, которые не пропускают электричество, — диэлектриками или изоляторами. Если это покрытие повреждено, то его необходимо восстановить, в противном случае возможно возникновение травм.

Работу по восстановлению изоляции нужно проводить в специальном защитном костюме, который не проводит ток — резиновые перчатки и диэлектрические ботинки. Для выполнения третьего правила — проверки функционирования электрических сетей — используют только специальные инструменты. Не прикасаются к источникам голыми руками и металлическими предметами. Причинами травм и смертельных случаев электриков обычно становится невыполнение этих правил. Каждый день перед работой специалисты перечитывают инструкцию и ставят свою подпись, соглашаясь с тем, что они ознакомлены с правилами и готовы их выполнять.

Для того чтобы получить хоть какое-то представление об электричестве и приборах, которые с его помощью работаю, нужно изучить науку электротехники или ознакомиться с её основами. Особое внимание уделяют технике безопасности, так как нужно избежать травм во время работы.

10 каналов о физике, на которые стоит подписаться

«Афиша Daily» рекомендует лучшие видеоблоги на русском и английском языках, за которыми стоит следить, чтобы начать разбираться в физике.

Физика от Побединского

174 000 подписчиков

Канал ведет молодой популяризатор науки, выпускник МФТИ Дмитрий Побединский. Он коротко и увлекательно рассказывает о физических явлениях и наглядно показывает, как знание физики может пригодиться в повседневной жизни. Например, объясняет феномен популярности спиннеров и рассказывает о физических лайфхаках — как налить колу без пены, где лучше всего установить колонки и как быстро сделать лед.

Vsauce

12 000 000 подписчиков

Авторы Vsauce с точки зрения физики и других естественных наук отвечают на любопытные, забавные, а порой и парадоксальные вопросы. Что будет, если все жители Земли одновременно подпрыгнут? Каково разрешение человеческого глаза? Сколько весит тень? Отличный канал для повзрослевших почемучек, которые хотят больше узнать о нашем мире. Другие видео от создателей Vsauce можно посмотреть на каналах-последователях Vsauce2 и Vsauce3.

minutephysics

3 900 000 подписчиков

Один из самых популярных каналов англоязычного YouTube о физике: minutephysics идеально подойдет тем, кто хочет быстро разобраться в азах этой науки. В коротких видео авторы при помощи рисунков объясняют сложные на первый взгляд темы — принцип параллельных вселенных, основы гравитации и природу темной материи. Более продвинутым пользователям могут понравиться забавные ролики про то, как путешествовать во времени или почему существование дождевых капель невозможно с точки зрения математики.

Physics Girl

692 000 подписчиков

Молодой ученый из США Дайанна Коверн делится своими знаниями и любовью к физике. Сама Дайанна специализируется на астрофизике, поэтому многие видео посвящены именно этому разделу науки и связанным с ним темам. Среди прочего девушка рассказывает о том, как работает невесомость и в чем разница между солнечным и лунным затмением. Также Дайанна делает видео с простыми и забавными физическими экспериментами, которые зрители при желании могут повторить самостоятельно — скажем, создать ураган на поверхности мыльного пузыря.

PBS Space Time

942 000 подписчиков

Если вы интересуетесь астрофизикой, глубже в тему можно погрузиться благодаря видео с канала PBS Space Time. Создатели разбирают фундаментальные вопросы — уровня «откуда взялись время и пространство», — рассказывают о квантовой теории поля и разъясняют идеи физика Ричарда Фейнмана. Содержание роликов рассчитано на более или менее подготовленного зрителя. Если вы совсем ничего не понимаете в физике, лучше сначала ознакомиться с основами.

DoodleScience

21 000 подписчиков

На этом канале нет видео с забавными экспериментами и ответами на экстраординарные вопросы — зато есть короткие скетчи, которые помогут в кратчайшие сроки вспомнить школьный курс физики и заново усвоить основные формулы. Скетчи минималистичны и наглядны: ничего лишнего, только фундаментальные научные законы.

GetAClass — Физика в опытах и экспериментах

49 000 подписчиков

Русскоязычный канал о физике, который лучше всего подойдет для быстрого изучения науки с нуля. В 4–5-минутных видео авторы емко и доступно объясняют, как работают те или иные физические явления. Есть удобное разделение роликов на тематические плейлисты в соответствии с разделами физики — от аэродинамики и звука до света и тепловых явлений. Новые видео появляются каждую неделю.

CrashCourse — Physics

6 200 000 подписчиков

«Физическая» подборка видео от образовательного канала CrashCourse подойдет тем, кому недостаточно просто освежить в памяти школьную программу. Плейлист состоит из сорока шести 10-минутных видео, в которых последовательно раскрываются все ключевые физические законы и явления. CrashCourse проводит зрителя от движения по прямой линии до теории относительности и квантовой механики.

Veritasium

4 300 000 подписчиков

Канал был создан в 2011 году популяризатором науки Дереком Мюллером и с тех пор неоднократно получал положительные отзывы от критиков, а видео Veritasium попадали на Scientific American и CBS News. Создатели Veritasium регулярно развеивают распространенные мифы о науке и проводят эксперименты, чтобы наглядно продемонстрировать те или иные физические эффекты. На Veritasium порой появляются и забавные околонаучные ролики вроде пародии на песню Jet «Are You Gonna Be My Girl?» о том, что такое электричество.

brusspup

2 500 000 подписчиков

Автор канала ставит захватывающие физические эксперименты, записывает их на видео и делится с подписчиками. Практического применения большинство из его трюков не имеет, но фанатам оптических иллюзий канал наверняка понравится. Некоторые опыты автора несложно повторить в домашних условиях при помощи подручных средств. Пользы вы из этого, скорее всего, не извлечете, зато интересно проведете время.

Основы электричества объясняются просто.

Мы обсудим следующие аспекты. Прокрутите вниз и начните читать.

Почему вы должны разбираться в электричестве
Ток и амперы
Разность потенциалов и вольты
Связь между разностью потенциалов и током
Источники разности потенциалов
Понятие сопротивления
Закон об омах
Постоянный и переменный ток

Здравствуйте! Я автор этого сайта.Я был бы признателен за небольшую услугу (не за деньги!) Перед тем, как вы зайдете на этот сайт. Это займет у вас менее 30 секунд вашего времени! Помимо того, что я веду этот сайт о медицинском оборудовании, меня также интересует психология. Меня особенно интересует, как разум человека может со временем развить определенные ошибочные способы мышления, которые могут привести к тому, что этот человек будет несчастным. Я хотел бы создать веб-сайт, который описывает эти типы ошибочного мышления, а также предлагает простые умственные инструменты, которые можно использовать для изменения такого мышления.Мне нужно выбрать красивое название для сайта. Мне удалось получить два имени, показанных ниже. Я знаю, что имена не идеальны, но они единственные доступные. Я не уверен, какое имя лучше, и буду очень благодарен, если вы поможете мне определиться, выбрав имя, которое, по вашему мнению, лучше всего, в списке ниже. Ваш ответ действительно поможет мне решить, какой из них использовать. Спасибо.

Почему нужно знать об электричестве?

Электричество везде.Вокруг вас текут миллиарды электронов: в освещении операционной, мониторах анестезии, диатермии, элементах управления вентилятором, шприцевых насосах, экране компьютера, который вы сейчас читаете, и так далее, и так далее …

На этом удивительном снимке ниже показан снимок Земли, сделанный ночью из космоса. Уличные и домашние фонари освещают страны и дают представление о том, насколько широко используется электричество во всем мире. На изображении ниже, насколько освещена ваша страна?

Немного узнать об электричестве полезно, потому что:

Он предоставит основы для понимания электробезопасности.
Это поможет вам лучше понять принципы работы электрического медицинского оборудования, такого как электрохирургические устройства, дефибрилляторы, измерение температуры и т. Д.

Электрический ток и ампер

Часто можно услышать слова «ток», «напряжение» и «сопротивление». Очень важно хорошо понимать эти три концепции. Начнем с объяснения, что такое электрический ток. Представим, что через светло-коричневый провод внизу проходит электрический ток.

Когда мы говорим, что электрический «ток» течет, что он на самом деле течет? Ток — это поток электронов. Электроны можно рассматривать как отрицательно заряженные «частицы». Движение этих электронов называется током.

Ток измеряется в единицах, называемых «амперами». Число ампер в проводе связано с тем, сколько электронов проходит через поперечное сечение провода в секунду.

Ток в один ампер относится к определенному количеству электронов, проходящих через поперечное сечение провода за одну секунду.Это огромное число, и, пожалуйста, не запоминайте его. По проводу ниже проходит ток в один ампер.

Чем выше ток (больше ампер), тем выше количество электронов, которые проходят через поперечное сечение провода за секунду.

На самом деле очень сложно сосчитать миллионы электронов.

Поскольку так сложно подсчитать такое количество электронов, официальное определение («Международная система единиц») ампера опирается на более «практически измеримое определение».Для вас и для меня (не физика) даже это определение все равно кажется очень непрактичным, но, по крайней мере, вам не нужно считать отдельные электроны. «Практическое» определение дано ниже, но, пожалуйста, не запоминайте его (если у вас нет неограниченного объема памяти).

Итак, ампер относится к количеству электронов, протекающих по проводу в секунду.

Разность потенциалов и вольт

Как известно, вода и электричество плохо сочетаются друг с другом!

Однако, что интересно, вода и электричество ведут себя «примерно одинаково».Поскольку, в отличие от электричества, воду можно увидеть, часто бывает полезно сначала понять поведение воды, а затем использовать ее для понимания электричества.

Итак, давайте представим, что вы хотите установить красивый водопад в своем саду (также представьте, что вы достаточно богаты, чтобы иметь большой сад).

Чтобы сэкономить, вы решаете сами построить то, что вы считаете водопадом. Это выглядит так.

К сожалению, вода не течет совсем. Вы не можете понять почему.

Причина отсутствия потока воды в том, что в плоском пруду нет разницы в энергии. Чтобы вода текла, должна быть разница в энергии между одной областью и другой. Тогда вода потечет из области с высокой энергией в область с низкой энергией. В случае водопада эту энергию можно получить, подняв одну часть воды. Поднятая вода имеет больше энергии (из-за силы тяжести), чем вода у основания, заставляя воду течь.

Давайте рассмотрим это с точки зрения энергии.В случае с водопадом энергия определяет силу тяжести. Чем выше вода, тем выше ее потенциальная энергия. В нашем водопаде более высокий резервуар имеет более высокую потенциальную энергию, чем нижний резервуар, который имеет более низкую потенциальную энергию, и эта разница в энергии заставляет воду течь. Когда вода стекает по водопаду, она теряет потенциальную энергию. Когда он достигает нижнего резервуара, он имеет более низкую потенциальную энергию, чем более высокий резервуар.

Когда верхний бак опустеет, вода, конечно же, не потечет обратно вверх сама по себе.Это связано с тем, что вода не течет из области с низким потенциалом энергии в область с высоким потенциалом.

По той же причине, если вы просто соединили трубу от нижнего бака к верхнему, вода не вернется в верхний бак.

Если мы хотим, чтобы водопад в саду продолжал работать, нам нужно вернуть воду в верхний резервуар. Для этого нам нужно обеспечить систему энергией. Это возможно с водяным насосом. Вода в верхнем резервуаре имеет высокую энергию и, как объяснялось ранее, стекает вниз, теряя при этом энергию.Затем насос «обеспечивает энергию для привода системы», забирая воду с более низкой потенциальной энергией и перекачивая ее в верхний резервуар. Вода, которая достигла верхнего резервуара, теперь имеет высокую потенциальную энергию и может снова стекать, повторяя цикл снова и снова. Теперь у нас наконец-то есть прекрасно работающий садовый водопад, который продолжает течь.

А теперь перейдем к чему-нибудь электрическому. Вместо водопада представим, что мы хотим зажечь лампочку.Лампочка — это то, что загорается, когда через нее проходит ток.

Давайте подключим несколько проводов к лампочке, чтобы она загорелась. Но, к сожалению, мы обнаруживаем, что лампочка не загорается. Мы видим, что в проводе есть электроны, но лампочка не загорается. Почему это ?

Причина того, что лампочка не загорается, в том, что нет «потока» электронов. Электроны должны двигаться в одном направлении, чтобы лампочка загорелась. Если они просто «болтаются», не двигаясь в одном направлении, ничего не произойдет.

Давайте посмотрим на провод поближе, чтобы понять, почему лампочка не горит

Вы увидите, что электроны в проводе беспорядочно перемещаются во всех направлениях. Однако важно отметить, что они НЕ движутся в одном конкретном направлении, а просто «торчат». Вы помните, что ток — это поток электронов в определенном направлении. Итак, в нашем примере до сих пор, поскольку все электроны в проводе не текут в определенном направлении, ток не проходит через лампочку, и, следовательно, лампочка не загорается.

Это похоже на ситуацию, когда водопад не работал без насоса. В системе водопада есть вода, но вода не движется в определенном направлении из-за нехватки энергии.

В водопаде, как вы помните, был необходим насос для обеспечения разницы в энергии, необходимой для протекания воды.

Как и вода в водопаде, электрические цепи нуждаются в разности потенциалов, чтобы электроны текли.

На изображении ниже показаны два провода.Верхний провод не имеет разности потенциалов. Электроны беспорядочно движутся во всех направлениях без потока в одном конкретном направлении. Следовательно, по этому проводу нет тока. Нижний провод имеет разность потенциалов между A и B. Это заставляет электроны течь в определенном направлении, и поэтому этот провод проводит ток.

Существует множество источников, которые могут создавать разность потенциалов, которая может вызвать протекание тока в электрической цепи.Вы можете думать об «источнике разности потенциалов» как о насосе в водопаде, который мы обсуждали. Насос заставляет воду течь по системе. В электрической цепи источник разности потенциалов заставляет электроны (то есть ток) течь по цепи.

Источники разности потенциалов имеют «отрицательный полюс» и «положительный полюс». Ток покидает отрицательный полюс и возвращается к положительному полюсу.

Как упоминалось ранее, существует много типов источников разности потенциалов, и многие из них будут рассмотрены позже.А пока давайте обсудим общий источник разности потенциалов, который вы, возможно, использовали дома и в больнице. Этим источником является обычная одноразовая батарея. Вы могли поставить их на часы у себя дома. В большинстве ларингоскопов эти батареи используются для питания лампочки.

Давайте теперь подключим эту батарею к лампочке, которую мы пытались зажечь раньше. Разница потенциалов, генерируемая в батарее, заставляет электроны двигаться. Ток идет от отрицательного полюса по проводам к лампочке, проходит через лампочку и заставляет ее загораться и возвращается по проводам к положительному полюсу.

Единицей измерения разности потенциалов является «вольт». Чем больше разность потенциалов на полюсах, тем больше вольт.

Обычная домашняя аккумуляторная батарея имеет напряжение 1,5 В или сокращенно «1,5 В»

С другой стороны, разность потенциалов, выходящая из настенных розеток, может быть довольно высокой (например, 120 или 230 вольт).

Теперь я должен признаться, что рисовать все это может быть довольно утомительно. К счастью, говоря об электричестве, не нужно постоянно рисовать «настоящую» вещь.Вместо этого можно использовать символы. Например, символ батареи:

Более короткая вертикальная линия представляет отрицательный полюс.

Способ запомнить, какая вертикальная линия отрицательная, а какая положительная, — это помнить, что «n» короче, чем «p».

Точно так же лампочка может быть представлена символом.

Вы увидите, что электрические схемы гораздо проще рисовать с помощью символов, чем с использованием реалистичных диаграмм.Например, эта схема….

… можно легко нарисовать как….

На практике схемы реального медицинского оборудования могут быть очень сложными, и использование символов становится очень удобным. Ниже представлена очень простая (для инженеров!) Электрическая схема, нарисованная с использованием символов.

Связь между разностью потенциалов и током.

Теперь вернемся к разности потенциалов и току. Напомним, что ток — это поток электронов. Потенциальная разница — это то, что заставляет электроны и, следовательно, течь ток.В нашем примере с водопадом мы сказали, что разность потенциалов подобна разнице в высоте верхнего и нижнего резервуара, а разница составляет поток воды.

Посмотрите на два водопада внизу. У водопада A большая разница в высоте, тогда как у водопада B небольшая разница в высоте. Водопад A имеет большую разницу энергии, чем водопад B, и поэтому скорость потока в водопаде A намного выше, чем у водопада B. Другими словами, расход воды пропорционален разнице энергии.

То же самое и в электрических цепях. Если вы увеличите разность потенциалов, будет течь больше электронов. Возьмем пример ниже. В верхней цепи разность потенциалов составляет 1,5 В, и это приводит к определенному протеканию тока. В нижней цепи разность потенциалов увеличена вдвое до 3 вольт. Это удваивает ток, заставляя лампочку загораться ярче.

Существует известный электрический закон под названием «Закон Ома». Хотя закон Ома будет объяснен более подробно позже, то, что мы уже обсуждали, составляет «ЧАСТЬ» этого закона.

Т.е. Часть Закона Ома гласит, что «для данного провода (проводника) ток прямо пропорционален разности потенциалов на нем. «

Источники разности потенциалов

Есть много источников разности потенциалов.

Одноразовые батареи:

До сих пор в наших обсуждениях мы использовали батареи как источник разности потенциалов. Сначала мы обсудим батареи, а затем другие источники разности потенциалов.

Батареи

частоты используются в домашних условиях для питания небольших предметов, например, часов. В больнице лампы ларингоскопа обычно питаются от батареек. Батареи бывают самых разных форм и размеров.

В батареях химическая реакция создает разность потенциалов. После того, как химическая реакция «закончилась», аккумулятор больше не генерирует полезную разность потенциалов, и аккумулятор выбрасывается.

Аккумуляторы:

Эти батареи имеют «обратимые» химические реакции.Если вы приложите разность потенциалов и ток к перезаряжаемой батарее, химические реакции в батарее «сохранят» эту энергию. Когда требуется энергия, дальнейшие химические реакции могут высвободить ранее накопленную энергию. Эти батареи можно перезаряжать много раз, что экономически выгодно в долгосрочной перспективе. Перезаряжаемые батареи очень часто используются в бытовых товарах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки. Они также очень часто используются во многих больничных устройствах, таких как шприцевые насосы, портативные мониторы, дефибрилляторы, моторизованные операционные столы и т. Д.Чрезвычайно важно, чтобы устройства, использующие аккумуляторные батареи, оставались «заряженными». Если вы не держите вещи правильно заряженными (например, забываете подключить устройство к сетевой розетке), батареи могут разрядиться раньше и неожиданно вывести из строя критически важное оборудование, такое как шприцевой насос, во время транспортировки пациента.

Электрогенератор:

Энергия в наших домах и больницах поступает от огромных электрических генераторов. Это устройства, преобразующие вращательное движение в электричество.

Есть много разных способов обеспечить вращательное движение генератору. Например, воду в плотине можно использовать для включения генератора (гидроэлектростанции).

Многие электростанции используют пар для вращения генератора. Пар производится путем нагрева воды, что может быть сделано с помощью таких источников энергии, как нефть, газ, уголь или ядерная энергия.

Многие электростанции соединены друг с другом сетью проводов, которая называется «электрическая сеть».Сеть позволяет системе совместно использовать ресурсы и обеспечивать резервное питание в случае отказа одной электростанции. Сеть распределяет электроэнергию по больницам, домам и другим потребителям.

Сеть тщательно контролируется для удовлетворения потребностей потребителей в электроэнергии. Например, сетевые инженеры внимательно изучают телевизионные программы, потому что они знают, что, когда популярные телевизионные программы заканчиваются (например, после важного спортивного события), миллионы людей встают и нагревают воду в электрических чайниках для приготовления кофе или чая.Сетевые инженеры планируют это и быстро активируют специальные электростанции, которые могут быстро увеличить подачу электроэнергии в сеть, чтобы удовлетворить этот спрос. Например, во время Королевской свадьбы в Соединенном Королевстве спрос на электроэнергию увеличился на 2 400 000 ватт, что эквивалентно одновременному включению почти одного миллиона чайников.

Аварийный генератор:

Как и все остальные, больницы также получают электроэнергию от электросети. Если сеть не обеспечивает подачу электроэнергии, необходимо использовать критически важное вспомогательное оборудование для пациентов, такое как мониторы, аппараты ИВЛ, наркозные аппараты и т. Д.может перестать работать. По этой причине в больницах есть собственные источники аварийного питания. На короткие периоды перебоев в электроснабжении огромные аккумуляторные батареи могут обеспечить необходимую мощность. На более длительный период в больнице будет генератор, который обычно приводится в действие дизельным двигателем. Этот генератор включается автоматически при обнаружении сбоя питания.

Концепция сопротивления

В мире электричества есть три друга, которые всегда находятся вместе и влияют друг на друга.Мы уже обсуждали два из них: ток (в амперах) и разность потенциалов (в вольтах). Теперь давайте обсудим третьего друга, называемого сопротивлением,

В цепи электрическое сопротивление — это то, что «сопротивляется» потоку электронов (то есть сопротивляется потоку тока). Вернемся к нашему примеру с водопадом. Однако теперь мы заменим водопад трубой, соединяющей два резервуара. Вода течет по трубе из верхнего бака в нижний из-за разницы в потенциальной энергии.

Давайте теперь рассмотрим два таких устройства. В обоих случаях высота резервуара для воды одинакова. Т.е. обе системы имеют одинаковую потенциальную энергию. Однако в схеме «А» имеется узкая труба, а в схеме «В» — широкая труба.

Скорость потока воды в трубе A ниже, чем скорость потока воды в трубе B. Это связано с тем, что более узкая труба A имеет большее сопротивление потоку воды, чем более широкая труба B.

Итак, в приведенном выше примере скорость потока и сопротивление имеют «противоположную» взаимосвязь.Когда один увеличивается, другой уменьшается. Говоря техническим языком, можно сказать, что скорость потока обратно пропорциональна сопротивлению.

Электричество аналогично. Возьмем провод и лампочку, подключенные к разности потенциалов 1,5 вольта. Эта разность потенциалов заставляет ток течь по проводам и лампочке.

Предположим, теперь мы делаем две похожие электрические цепи с батареями, проводами и лампочками. В обеих схемах мы сохраняем разность потенциалов одинаковой.(1,5 вольта). Однако в одной цепи мы используем тонкие провода с высоким сопротивлением, а в другой — толстые провода с низким сопротивлением. Видно, что в толстых проводах с низким сопротивлением протекает больше тока (более яркая лампочка), чем в тонких проводах с высоким сопротивлением.

Таким образом, высокое сопротивление приводит к слабому току, и, наоборот, низкое сопротивление приводит к сильному току. Мы можем выразить это в уравнении, в котором ток обратно пропорционален сопротивлению провода, по которому он проходит.

Закон Ома

Некоторое время назад мы видели часть Закона Ома, который гласил, что ток, протекающий по проводу, прямо пропорционален разности потенциалов на этом проводе.

А недавно мы узнали, что ток обратно пропорционален сопротивлению.

Теперь вы готовы к «полному» закону Ома! Давайте объединим эти два отношения, которые вы только что узнали.

Закон об Омах гласит, что:

Ток, протекающий через проводник между двумя точками, прямо пропорционален разности потенциалов между двумя точками и обратно пропорционален сопротивлению между ними.Закон Ома можно показать уравнением в желтом квадрате.

Итак, вы можете видеть, что три друга, вольт (разность потенциалов), сопротивление и ток — лучшие друзья. И, как и друзья, если вы соберетесь вдвоем, они будут говорить о третьем друге.

Точно так же, переставив уравнение закона Ома, если вы знаете два значения, вы можете узнать, что такое третье.

Пора использовать в уравнениях международные сокращения.Обратите внимание, что международное сокращение Current — это не «C». Вместо этого это «я» (капитолий 1). Эта причудливая аббревиатура имеет отношение к истории, где современное раньше было представлено на французском языке.

Теперь вот уравнения, которые мы видели раньше, с использованием сокращений.

Вам не нужно запоминать все три приведенных выше уравнения. Просто запомните одно, а остальное вы сможете отработать при необходимости.

Закон Ома — очень важный закон в мире электричества.Это было обнаружено мистером Омом.

Единица сопротивления названа его именем. Единица измерения сопротивления называется «Ом», и ее символ показан ниже.

Приведем пример Закона Ома в клинической практике.

Представим, что вы прикрепили к пациенту отведения электрокардиограммы (ЭКГ). Затем вы вставляете вилку отведения ЭКГ в соответствующее гнездо на мониторе.

К сожалению, при этом в вилку попадает кусок грязи.Из-за этого желтый провод плохо контактирует со своей ответной частью, что увеличивает его сопротивление.

Согласно закону Ома высокое сопротивление влияет на напряжение и ток в проводе, нарушая запись ЭКГ.

Вытащили вилку из розетки и удалили грязь. Теперь контакт хороший, а сопротивление низкое.

Низкое сопротивление облегчает прохождение тока и позволяет лучше отслеживать ЭКГ.

Постоянный и переменный ток

Как вы помните, ток — это поток электронов.

Электроны (т.е. ток) текут от «отрицательного» полюса к «положительному» полюсу. Следовательно, у тока есть «направление» потока.

Направление тока изменится, если поменять местами отрицательный и положительный полюса источника.

Существует два основных типа протекания тока: «Постоянный ток (DC)» и «Переменный ток (AC)».

В основном, при постоянном токе «направление» тока остается постоянным во времени, тогда как при переменном токе направление протекания тока продолжает меняться от одного направления к другому.Позвольте мне попытаться прояснить вам ситуацию.

Чтобы диаграммы были менее загруженными, я их немного упростил. Источник разности потенциалов обозначен знаком минус и плюс. Зеленая стрелка покажет направление тока. Помните, ток всегда течет от отрицательного к положительному.

Теперь я опишу вам разницу между постоянным и переменным током. Начнем с DC. Ниже приведена серия изображений, показывающих схему с источником питания постоянного тока. Повторяющиеся изображения показывают, что происходит в течение определенного периода времени.Вы заметите, что со временем ток НЕ изменил направление (зеленая стрелка остается в том же направлении). Это фундаментальное свойство постоянного тока: ток не меняет направления.

AC выглядит довольно странно по сравнению с постоянным током. В переменном токе отрицательный полюс и положительный полюс источника постоянно меняются местами.

Поскольку ток перемещается с отрицательного на положительный, это означает, что ток также неоднократно меняет направление.

На приведенных ниже изображениях показано изменение переменного тока во времени.Положительный полюс и отрицательный полюс продолжают чередоваться. В ответ на это направление тока также постоянно меняется.

Это повторяющееся изменение направления тока происходит довольно быстро. Во многих странах это происходит 50 или 60 раз в секунду (то есть с частотой 50 или 60 Гц). Например, в США это происходит 60 раз в секунду (60 Гц), а в Великобритании, Индии и Шри-Ланке это происходит с частотой 50 Гц. Приведенная ниже анимация может помочь вам оценить, насколько это быстро.Отрицательный и положительный полюса чередуются 50 раз в секунду. Если вы страдаете светочувствительной эпилепсией, пропустите эту анимацию.

Вы можете задаться вопросом, почему кто-то производит странный ток в форме переменного тока. Есть веские инженерные причины, по которым у нас есть кондиционер, и об этом мы поговорим позже. А пока мы продолжим обсуждение того, как ведет себя AC.

Прежде чем продолжить, позвольте мне познакомить вас с научным прибором, называемым «осциллографом».Осциллограф имеет экран, на котором отображаются изменения напряжения во времени. Вертикальная ось представляет напряжение, а горизонтальная ось представляет время. Это помогает нам визуализировать, как ток ведет себя с течением времени, и будет очень полезно, когда мы продолжим обсуждение переменного и постоянного тока.

Если «осциллограф» звучит сложно, не волнуйтесь, потому что я уверен, что вы использовали его каждый день в своей профессиональной жизни. Монитор ЭКГ (ЭКГ) — это разновидность осциллографа. Он измеряет разность потенциалов сердца с течением времени.Выглядит знакомо ?

Ниже представлен упрощенный осциллограф. Прямо сейчас к щупам осциллографа ничего не подключено (черный и красный щупы), поэтому кривая (синяя линия) остается на базовой линии.

Подключим осциллограф к источнику постоянного тока. Осциллограф показывает прямую линию (синяя линия) над базовой линией (пунктирная линия).

Осциллографы

показывают изменение направления тока по кривой, пересекающей базовую линию. Поменяем местами положительный и отрицательный полюса источника (т.е. меняем полярность). Вы увидите, что кривая пересекает базовую линию сверху вниз.

Давайте снова изменим полярность, чтобы она вернулась к прежней. Вы снова увидите, что осциллограф показывает это изменение, заставляя кривую пересекать базовую линию, в данном случае снизу вверх.

Теперь давайте исследуем постоянный и переменный ток с помощью осциллографа.

Сначала мы подключаем его к источнику постоянного тока, например, к батарее. Вы получите устойчивый график выше базовой линии.Поскольку с постоянным током направление тока не меняется, трассировка не пересекает базовую линию.

Теперь рассмотрим переменный ток с помощью осциллографа. Вы знаете, что, в отличие от постоянного тока, полярность переменного тока постоянно меняется, поэтому вы ожидаете увидеть что-то подобное.

Однако прямоугольная форма волны выше НЕ то, что вы видите. Вместо этого вы увидите сигнал с гораздо более изящными кривыми, как показано на осциллографе справа внизу.

Причина, по которой вы видите изящные кривые вместо внезапных прямоугольных изменений, заключается в том, что полярность переменного тока НЕ изменяется внезапно, как показано ниже.

Вместо этого изменение AC происходит «мягко». Потенциал сначала начинает уменьшаться и со временем становится равным нулю. Затем полярность меняется, и разность потенциалов начинает расти, пока не достигнет максимума. Смена полярности продолжается таким же образом.

Этим плавным изменением полярности (как показано в «танце полярности») ниже объясняются красивые кривые осциллограммы переменного тока.

Теперь вы готовы увидеть, как формируется осциллограмма кривой переменного тока.(Это форма волны, которую вы часто видите в учебниках)

Сейчас я покажу вам, как «плавный» переход, показанный ниже, превращается в кривую форму волны, наблюдаемую при переменном токе.

Вышеупомянутый переход будет показан поэтапно. При отображении каждого шага вы будете видеть форму волны переменного тока на осциллографе.

Обратите внимание, что у переменного тока есть периоды, когда ток отсутствует.

При изменении полярности трассировка пересекает базовую линию.

И цикл повторяется.

Вы бы заметили, что переменный ток имеет периоды, когда разность потенциалов равна нулю. В это время ток равен нулю.

Обычно эти нулевые периоды не замечаются, потому что они происходят очень быстро. Однако иногда вы можете видеть эти периоды выключения в люминесцентных лампах (ламповых лампах). В периоды выключения свет может мерцать (быстрее, чем показано ниже, компьютерная анимация недостаточно быстрая).

В физике изогнутую форму волны переменного тока можно описать как «синусоидальную волну». Математика такой волны описывается функцией «греха» в сложном уравнении, показанном ниже, которое, я надеюсь, вы не запомните.

Напомним, что на изображении ниже показаны формы сигнала постоянного и переменного тока вместе для сравнения.

Ниже приведены обычно используемые символы для обозначения источников питания переменного и постоянного тока.

Если вы посмотрите вокруг, то обнаружите, что ваш мир полон символов.Когда вам скучно, посмотрите вокруг своей операционной и вы найдете множество скрытых символов. Обычно их можно найти на электрическом оборудовании. Посмотрите, где подключаются провода мониторинга и провода питания.

Почему наши дома и больницы снабжены переменным током, а не постоянным током?

Электрический ток, который выходит из настенных розеток в домах и больницах, в основном переменный. Переменный ток выглядит сложнее, чем постоянный, так почему же они используют переменный ток для питания наших больниц и домов?

Чтобы объяснить, почему в вашу больницу и дом подается переменный, а не постоянный ток, вам необходимо понять, как работает устройство, называемое «трансформатором».Трансформатор «преобразует» напряжение в более высокое или более низкое напряжение. Если он преобразует входное напряжение в более высокое выходное напряжение, он называется «повышающим» трансформатором.

Если он преобразует входное напряжение в более низкое выходное напряжение, он называется «понижающим» трансформатором.

Давайте посмотрим, как работает трансформатор. Трансформатор использует два очень важных свойства в мире электричества.

Первое явление, используемое в трансформаторах, заключается в том, что когда по проводу проходит электрический ток, он создает магнитное поле.

В приведенном ниже примере провод (катушка) пропускает постоянный ток (DC). Магнитное поле показано синей дугой.

Ниже мы демонстрируем катушку с проводом переменного тока. Важно отметить, что, поскольку ток меняет направление, он создает «изменяющееся» магнитное поле (показано синей дугой со стрелками). Т.е. В DC поле не меняется, в то время как в AC поле постоянно меняется.

Теперь давайте обсудим второе электрическое явление, которое заставляет трансформаторы работать.Это называется «электромагнитная индукция», и давайте рассмотрим катушку с проволокой, чтобы продемонстрировать это.

Электромагнитная индукция — это явление, при котором, если на провод (или катушку провода, как в нашем примере) воздействовать ИЗМЕНЯЮЩИЕСЯ магнитным полем, в проводе будет индуцироваться ток. В приведенном ниже примере изменяющееся (то есть многократно увеличивающееся и уменьшающееся) магнитное поле представлено синей дугой со стрелками.

Важно, что магнитное поле меняется.Неизменяющееся магнитное поле (как показано ниже) НЕ будет индуцировать ток в катушке.

Теперь мы можем объяснить, как работает трансформатор. Входной переменный ток идет в первичную катушку (розовый). Это создает изменяющееся магнитное поле (синяя дуга со стрелками). Изменяющееся магнитное поле индуцирует ток во вторичной катушке (зеленый цвет), и, таким образом, электрическая энергия передается от первичной катушки к вторичной катушке.

На этом этапе вы можете видеть, что трансформатор работает только с переменным током, потому что ему требуется изменяющееся магнитное поле для передачи энергии через него.Если бы вы использовали постоянный ток, трансформатор не работал бы. Магнитное поле не будет изменяться и, следовательно, не будет передавать энергию вторичной катушке.

Будет ли трансформатор работать как повышающий или понижающий трансформатор, зависит от соотношения контуров в первичной и вторичной обмотках. В повышающем трансформаторе вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная обмотка. Точно так же в понижающем трансформаторе вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная обмотка.

Теперь мы понимаем, что трансформаторы могут повышать или понижать напряжение.Мы также понимаем, что нам нужен переменный ток, чтобы трансформаторы работали. Теперь вопрос в том, почему трансформаторы так важны?

Это связано с передачей электроэнергии. Ранее мы обсуждали, как вырабатывается электроэнергия на электростанции.

Эта электростанция может находиться на расстоянии многих сотен миль / километров от вашего дома или больницы, а это означает, что электричество должно пройти очень далеко, прежде чем достигнет вас. Одна большая головная боль для энергетической компании заключается в том, что, когда электричество передается по проводам, оно теряет энергию.Если это произойдет на огромных расстояниях, когда провод дойдет до вас, ничего не останется.

Согласно физическому принципу, провода с низким напряжением имеют более высокие потери, чем провода с высоким напряжением. (Объяснение этого выходит за рамки данного веб-сайта.)

Следовательно, чтобы минимизировать потери, энергокомпания передает электроэнергию под высоким напряжением.

Эти высоковольтные линии электропередач часто можно увидеть пересекающими ландшафт.В следующий раз, когда вы выйдете на улицу, поищите их.

Здесь на помощь приходят трансформаторы. Генераторы вырабатывают относительно низкое напряжение. Это низкое напряжение повышается повышающим трансформатором до высокого напряжения, которое используется для передачи электричества на большие расстояния. Когда провода доходят до вас, высокое напряжение снижается с помощью серии понижающих трансформаторов. Единственный практический способ создания высокого напряжения и последующего снижения, необходимого для экономичной передачи энергии, — это использование трансформаторов.И именно поэтому переменный ток используется для передачи электроэнергии, вплоть до розетки в вашей больнице и дома.

Резюме:

Важно, чтобы вы знали об электричестве. Это поможет вам лучше понять электробезопасность.

Ток связан с потоком электронов и измеряется в амперах.

Разница потенциалов — это то, что заставляет электроны течь (ток), и измеряется в «Вольтах». Существует множество источников разности потенциалов, таких как батареи, электрические розетки дома и в больнице и т. Д.Ток напрямую связан с разностью потенциалов, и это является частью закона Ома.

Сопротивление — это то, что препятствует прохождению тока и измеряется в Ом. Ток обратно пропорционален сопротивлению. Эта взаимосвязь является частью Закона Ома.

Закон Ома определяет соотношение между напряжением, током и сопротивлением. Если вы знаете два из трех компонентов закона Ома, вы можете узнать третий.

Ток может быть постоянным или переменным. В постоянном токе электроны текут в одном направлении, в то время как в переменном токе электроны меняют направление.

Вы знаете (благодаря осциллографу), как постоянный и переменный ток ведут себя с течением времени. Вы знаете, как формируется сигнал переменного тока.

Трансформаторы

необходимы для создания высокого напряжения, необходимого для экономичной передачи тока на большие расстояния. Трансформаторы работают только с переменным током, поэтому энергокомпания снабжает ваш дом и больницу переменным током.

Теперь, когда у вас есть базовые представления об электричестве, вы можете безопасно прочитать «Электробезопасность», щелкнув меню в верхней части этой страницы.

В чем разница между электрическим полем, напряжением и током?

Я надеюсь, что вы никогда не окажетесь в ситуации, когда вам угрожает обрушенная, но находящаяся под напряжением линия электропередачи. Однако, если это когда-либо произойдет, рекомендуемая процедура безопасности — уйти крошечными, перемешанными шагами. Этот тип движения поможет вам избежать шока.

Конечно, лучший вариант — просто избежать такой опасной ситуации, но это также возможность поговорить о важной физике того, почему маленькие шаги лучше.Мы поговорим о трех больших идеях: разнице электрических потенциалов (напряжении), электрическом токе и электрическом поле. Да, все они связаны, и я покажу вам, как это сделать с водой и светодиодом. Это отличная демонстрация физики, но сначала мне нужно рассмотреть самые простые вещи.

Электрический ток

Пожалуй, лучше всего начать с электрического тока. Возможно, это легче всего понять. Все начинается с электрических зарядов. Практически для каждого электрического взаимодействия в реальной жизни есть только два заряда.Эти два заряда — положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. Хотя эти частицы имеют разные массы, они имеют прямо противоположный заряд. Обе частицы имеют заряд 1,6 x 10 ¹⁹ Кулонов (единица заряда). Это значение появляется в других ситуациях, поэтому мы называем это фундаментальным зарядом и представляем его как «e» (сокращение от электронного заряда). Допустим, у вас есть длинный цилиндр из такого металла, как медь (a w). Каждый атом в этом металле имеет 29 протонов и 29 электронов, так что весь провод имеет нулевой общий заряд.Все эти атомы меди в материале взаимодействуют с соседними атомами таким образом, что позволяет одному электрону легко перемещаться от одного атома меди к другому (мы называем их свободными электронами). Когда материал делает это, мы называем его электрическим проводником. Практически все металлы — проводники.

Хорошая модель — подумать об этом металлическом проводе как о связке положительных зарядов (протонов), которые застряли на месте, вместе с равным количеством отрицательных зарядов (электронов), которые могут двигаться. Но все равно общий провод нейтральный.Теперь представьте, что все эти свободные электроны движутся в одном направлении — это электрический ток. Это поток электрических зарядов.

Иллюстрация: Rhett Allain

Если бы вы могли наблюдать за одной точкой на проводе и подсчитывать количество движущихся электронов (со скоростью v _e ), которые проходят мимо нее каждую секунду, это был бы электрический ток ( I ). В качестве уравнения это выглядит так:

Цепей — AP Physics 2

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Основы физики | Безграничная физика

Введение: физика и материя

Физика — это исследование поведения Вселенной.

Цели обучения

Применить физику для описания функции повседневной жизни

Основные выводы

Ключевые моменты

Физика — это естественная наука, которая включает изучение материи и ее движения в пространстве и времени, а также связанных с ними понятий, таких как энергия и сила.
Материей обычно считается все, что имеет массу и объем.
Научные законы и теории выражают общие истины природы и совокупность знаний, которые они охватывают. Эти законы природы — правила, которым, кажется, следуют все естественные процессы.

Ключевые термины

материя : основной структурный компонент Вселенной. Материя обычно имеет массу и объем.
научный метод : метод открытия знаний о мире природы, основанный на создании фальсифицируемых прогнозов (гипотез), их эмпирической проверке и разработке рецензируемых теорий, которые наилучшим образом объясняют известные данные.

Физика — это естественная наука, которая включает изучение материи и ее движения в пространстве и времени, а также связанных с ними понятий, таких как энергия и сила. В более широком смысле, это изучение природы в попытке понять, как ведет себя Вселенная.

Что такое физика? : Г-н Андерсен объясняет важность физики как науки. История и виртуальные примеры используются для придания контекста дисциплины.

Физика использует научный метод, чтобы помочь раскрыть основные принципы, управляющие светом и материей, и обнаружить последствия этих законов.Он предполагает, что существуют правила, по которым функционирует Вселенная, и что эти законы могут быть хотя бы частично поняты людьми. Также широко распространено мнение, что эти законы можно было бы использовать для предсказания всего о будущем Вселенной, если бы была доступна полная информация о текущем состоянии всего света и материи.

Материей обычно считается все, что имеет массу и объем. Многие концепции, неотъемлемые для изучения классической физики, включают теории и законы, объясняющие материю и ее движение.Например, закон сохранения массы гласит, что масса не может быть создана или уничтожена. Поэтому дальнейшие эксперименты и расчеты в физике учитывают этот закон при формулировании гипотез, пытающихся объяснить природные явления.

Физика стремится описать функции всего, что нас окружает, от движения крошечных заряженных частиц до движения людей, автомобилей и космических кораблей. На самом деле, почти все, что вас окружает, можно довольно точно описать законами физики.Рассмотрим смартфон; физика описывает, как электричество взаимодействует с различными цепями внутри устройства. Эти знания помогают инженерам выбрать подходящие материалы и схему схемы при сборке смартфона. Затем рассмотрим систему GPS; Физика описывает взаимосвязь между скоростью объекта, расстоянием, на которое он проходит, и временем, которое требуется, чтобы пройти это расстояние. Когда вы используете устройство GPS в транспортном средстве, оно использует эти физические уравнения для определения времени в пути из одного места в другое.Изучение физики способно внести значительный вклад благодаря достижениям в новых технологиях, которые возникли в результате теоретических открытий.

Глобальная система позиционирования : GPS вычисляет скорость объекта, расстояние, на которое он перемещается, и время, необходимое для прохождения этого расстояния, с помощью уравнений, основанных на законах физики.

Физика и другие области

Физика является основой многих дисциплин и вносит непосредственный вклад в химию, астрономию, инженерию и большинство научных областей.

Цели обучения

Объясните, почему изучение физики является неотъемлемой частью изучения других наук

Основные выводы

Ключевые моменты

Многие научные дисциплины, такие как биофизика, представляют собой гибриды физики и других наук.
Изучение физики охватывает все формы материи и ее движения в пространстве и времени.
Применение физики имеет фундаментальное значение для значительного вклада в новые технологии, который является результатом теоретических открытий.

Ключевые термины

заявка : акт ввода в эксплуатацию

Физика и другие дисциплины

Физика является основой многих важных дисциплин и вносит непосредственный вклад в развитие других. Химия занимается взаимодействием атомов и молекул, поэтому она основана на атомной и молекулярной физике. Большинство областей техники — это прикладная физика. В архитектуре физика лежит в основе структурной устойчивости и участвует в акустике, обогреве, освещении и охлаждении зданий.Части геологии в значительной степени полагаются на физику, например, радиоактивное датирование горных пород, анализ землетрясений и теплопередачу на Земле. Некоторые дисциплины, такие как биофизика и геофизика, представляют собой гибриды физики и других дисциплин.

Физика в химии : Изучение материи и электричества в физике имеет фундаментальное значение для понимания концепций химии, таких как ковалентная связь.

Физика имеет множество приложений в биологических науках.На микроскопическом уровне он помогает описать свойства клеточных стенок и клеточных мембран. На макроскопическом уровне это может объяснить тепло, работу и энергию, связанные с человеческим телом. Физика занимается медицинской диагностикой, такой как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковые измерения кровотока. Медицинская терапия иногда напрямую связана с физикой: например, в радиотерапии рака используется ионизирующее излучение. Физика также может объяснить сенсорные явления, например, как музыкальные инструменты издают звук, как глаз определяет цвет и как лазеры могут передавать информацию.

Граница между физикой и другими науками не всегда ясна. Например, химики изучают атомы и молекулы, из которых состоит материя, и есть некоторые ученые, которые в равной степени готовы называть себя физико-химиками или физиками-химиками. Может показаться, что различие между физикой и биологией будет более четким, поскольку физика, похоже, имеет дело с неодушевленными объектами. Фактически, почти все физики согласятся, что основные законы физики, применимые к молекулам в пробирке, одинаково хорошо работают для комбинации молекул, составляющих бактерию.Что отличает физику от биологии, так это то, что многие научные теории, описывающие живые существа, в конечном итоге являются результатом фундаментальных законов физики, но не могут быть строго выведены из физических принципов.

Необязательно формально изучать все приложения физики. Что наиболее полезно, так это знание основных законов физики и навыки аналитических методов их применения. Изучение физики также может улучшить ваши навыки решения проблем. Более того, физика сохранила самые основные аспекты науки, поэтому она используется всеми науками.Изучение физики облегчает понимание других наук.

Модели, теории и законы

Термины модель , теория и закон имеют точные значения относительно их использования в изучении физики.

Цели обучения

Определите термины модель, теория и закон

Основные выводы

Ключевые моменты

Физические концепции нельзя доказать, они могут быть подтверждены или опровергнуты только наблюдениями и экспериментами.
Модель — это основанное на фактах представление чего-либо, что либо слишком сложно, либо невозможно отобразить напрямую.
Теория — это объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей.
В законе используется краткий язык, часто выражаемый в виде математического уравнения, для описания обобщенной закономерности в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами.

Ключевые термины

Модель : представление чего-то, что трудно или невозможно отобразить напрямую
Закон : Краткое описание, обычно в форме математического уравнения, используемое для описания закономерностей в природе
теория : объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей

Определение терминов: модель, теория, закон

В разговорной речи термины модель , теория и закон часто используются взаимозаменяемо или имеют иное толкование, чем в естественных науках.Однако в отношении изучения физики каждый термин имеет свое особое значение.

законов природы — это краткие описания Вселенной вокруг нас. Это не объяснения, а человеческие утверждения основных правил, которым следуют все естественные процессы. Они присущи Вселенной; люди не создавали их, и мы не можем их изменить. Мы можем только открыть и понять их. Краеугольный камень открытия законов природы — наблюдение; наука должна описывать Вселенную такой, какая она есть, а не такой, какой мы можем ее себе представить.Законы никогда нельзя узнать с абсолютной уверенностью, потому что невозможно проводить эксперименты, чтобы установить и подтвердить закон во всех возможных сценариях без исключения. Физики исходят из предположения, что все научные законы и теории действительны до тех пор, пока не будет обнаружен контрпример. Если качественный, поддающийся проверке эксперимент противоречит устоявшемуся закону, то закон должен быть изменен или полностью отменен.

Модели

Модель представляет собой представление того, что часто слишком сложно (или невозможно) отобразить напрямую.Хотя конструкция модели оправдана с использованием экспериментальной информации, она является точной только в ограниченных ситуациях. Примером является обычно используемая «планетарная модель» атома, в которой электроны изображаются вращающимися вокруг ядра, аналогично тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Мы не можем наблюдать электронные орбиты напрямую, но мысленный образ помогает объяснить наблюдения, которые мы можем сделать, например, излучение света горячими газами. Физики используют модели для самых разных целей. Например, модели могут помочь физикам анализировать сценарий и выполнять вычисления, или их можно использовать для представления ситуации в форме компьютерного моделирования.

Планетарная модель атома : Планетарная модель атома, в которой электроны изображены вращающимися вокруг ядра, аналогично тому, как планеты вращаются вокруг Солнца

Теории

Теория — это объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей. Некоторые теории включают модели, помогающие визуализировать явления, а другие нет. . Например, теория гравитации Ньютона не требует модели или мысленного образа, потому что мы можем наблюдать объекты напрямую с помощью наших органов чувств.Кинетическая теория газов, с другой стороны, использует модель, в которой газ рассматривается как состоящий из атомов и молекул. Атомы и молекулы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать непосредственно нашими чувствами, поэтому мы мысленно представляем их, чтобы понять, что наши инструменты говорят нам о поведении газов.

Законы

В законе используется краткий язык для описания обобщенной закономерности в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами. Часто закон можно выразить в виде одного математического уравнения.Законы и теории похожи в том, что они являются научными утверждениями, которые являются результатом проверенной гипотезы и поддерживаются научными доказательствами. Однако закон обозначения зарезервирован для краткого и очень общего утверждения, описывающего явления в природе, например, закон сохранения энергии во время любого процесса или второй закон движения Ньютона, который связывает силу, массу и ускорение с помощью простого уравнение F = ma. Теория, напротив, представляет собой менее сжатое изложение наблюдаемых явлений.Например, теорию эволюции и теорию относительности нельзя выразить достаточно кратко, чтобы их можно было считать законом. Самая большая разница между законом и теорией состоит в том, что закон намного сложнее и динамичнее, а теория более объяснительна. Закон описывает единственную наблюдаемую точку факта, тогда как теория объясняет целую группу связанных явлений. И если закон — это постулат, лежащий в основе научного метода, теория — это конечный результат этого процесса.

Как работает электроэнергия?

Электрическая энергия — важное понятие в науке, но его часто неправильно понимают. Что такое электрическая энергия и какие правила применяются при ее использовании в расчетах?

Что такое электрическая энергия?

Электрическая энергия — это форма энергии, возникающая в результате протекания электрического заряда. Энергия — это способность выполнять работу или применять силу для перемещения объекта. В случае электрической энергии сила — это электрическое притяжение или отталкивание между заряженными частицами.Электрическая энергия может быть либо потенциальной энергией, либо кинетической энергией, но обычно она встречается как потенциальная энергия, то есть энергия, запасенная из-за относительного положения заряженных частиц или электрических полей. Движение заряженных частиц по проводу или другой среде называется током или электричеством. Существует также статическое электричество, которое возникает в результате дисбаланса или разделения положительных и отрицательных зарядов на объекте. Статическое электричество — это форма потенциальной электрической энергии.Если накапливается достаточный заряд, электрическая энергия может разряжаться с образованием искры (или даже молнии), имеющей электрическую кинетическую энергию.

По соглашению, направление электрического поля всегда указывается в том направлении, в котором двигалась бы положительная частица, если бы она была помещена в это поле. Это важно помнить при работе с электрической энергией, потому что наиболее распространенным носителем тока является электрон, который движется в противоположном направлении по сравнению с протоном.

Как работает электроэнергия

Британский ученый Майкл Фарадей открыл способ производства электроэнергии еще в 1820-х годах. Он перемещал петлю или диск из проводящего металла между полюсами магнита. Основной принцип заключается в том, что электроны в медной проволоке могут свободно перемещаться. Каждый электрон несет отрицательный электрический заряд. Его движение регулируется силами притяжения между электроном и положительными зарядами (такими как протоны и положительно заряженные ионы) и силами отталкивания между электроном и одноименными зарядами (такими как другие электроны и отрицательно заряженные ионы).Другими словами, электрическое поле, окружающее заряженную частицу (в данном случае электрон), оказывает силу на другие заряженные частицы, заставляя их двигаться и, таким образом, совершать работу. Необходимо приложить силу, чтобы отодвинуть две притягивающиеся заряженные частицы друг от друга.

В производстве электрической энергии могут участвовать любые заряженные частицы, включая электроны, протоны, атомные ядра, катионы (положительно заряженные ионы), анионы (отрицательно заряженные ионы), позитроны (антивещество, эквивалентное электронам) и так далее.

Примеры

Электрическая энергия, используемая для производства электроэнергии, например, ток через стену, используемый для питания лампочки или компьютера, представляет собой энергию, которая преобразуется из электрической потенциальной энергии. Эта потенциальная энергия преобразуется в другой тип энергии (тепло, свет, механическую энергию и т. Д.). В энергосистеме движение электронов в проводе создает ток и электрический потенциал.

Батарея — еще один источник электрической энергии, за исключением того, что электрические заряды могут быть ионами в растворе, а не электронами в металле.

Биологические системы также используют электрическую энергию. Например, ионы водорода, электроны или ионы металлов могут быть более сконцентрированы на одной стороне мембраны, чем на другой, создавая электрический потенциал, который можно использовать для передачи нервных импульсов, движения мышц и транспортировки материалов.

Конкретные примеры электрической энергии включают:

единиц электроэнергии

Единицей измерения разности потенциалов или напряжения в системе СИ является вольт (В). Это разность потенциалов между двумя точками на проводе, по которому проходит ток 1 ампер с мощностью 1 ватт.Однако в электричестве обнаружено несколько единиц, в том числе:

Агрегат	Символ	Кол-во
Вольт	В	Разность потенциалов, напряжение (В), электродвижущая сила (E)
Ампер (ампер)	A	Электрический ток (I)
Ом	Ом	Сопротивление (R)
Вт	Вт	Электроэнергия (P)
Фарад	F	Емкость (C)
Генри	H	Индуктивность (л)
Кулон	С	Электрический заряд (Q)
Джоуль	Дж	Энергия (E)
Киловатт-час	кВтч	Энергия (E)
Гц	Гц	Частота f)

Связь между электричеством и магнетизмом

Всегда помните, что движущаяся заряженная частица, будь то протон, электрон или ион, генерирует магнитное поле.Точно так же изменение магнитного поля индуцирует электрический ток в проводнике (например, проводе). Таким образом, ученые, изучающие электричество, обычно называют его электромагнетизмом, потому что электричество и магнетизм связаны друг с другом.

Ключевые моменты

Электричество определяется как тип энергии, производимый движущимся электрическим зарядом.
Электричество всегда связано с магнетизмом.
Направление тока — это направление движения положительного заряда, если его поместить в электрическое поле.Это противоположно потоку электронов, наиболее распространенному носителю тока.

Смотри: Обзор электроники

Генераторы | HowStuffWorks

Если вы когда-либо перемещали скрепки с помощью магнита или убивали время, укладывая металлическую стружку в бороду на игрушке «Шерстяной Вилли», то вы баловались основными принципами, лежащими в основе даже самых сложных электрических генераторов. Магнитное поле, отвечающее за выстраивание всех этих маленьких кусочков металла в правильную стрижку ирокез, связано с движением электронов.Подвиньте магнит к скрепке, и вы заставите электроны в скрепке двигаться. Точно так же, если вы позволите электронам перемещаться по металлической проволоке, вокруг нее образуется магнитное поле.

Благодаря Вули Вилли мы видим определенную связь между явлениями электричества и магнетизма. Генератор — это просто устройство, которое перемещает магнит рядом с проводом для создания постоянного потока электронов. Действие, которое заставляет это движение, сильно варьируется, от ручных кривошипов и паровых двигателей до ядерного деления, но принцип остается тем же.

Один из простых способов представить генератор — это представить, что он действует как насос, проталкивающий воду по трубе. Только вместо того, чтобы толкать воду, генератор использует магнит, чтобы толкать электроны. Это небольшое упрощение, но оно дает полезную картину свойств, работающих в генераторе. Водяной насос перемещает определенное количество молекул воды и оказывает на них определенное давление. Таким же образом магнит в генераторе толкает определенное количество электронов и оказывает на них определенное «давление».

В электрической цепи количество движущихся электронов называется силой ампер или силой тока , и оно измеряется в амперах . «Давление», толкающее электроны, называется напряжением и измеряется в вольтах . Например, генератор, вращающийся со скоростью 1000 оборотов в минуту, может выдавать 1 ампер при 6 вольт. 1 ампер — это количество движущихся электронов (1 ампер физически означает, что 6,24 x 10 ¹⁸ электронов перемещаются по проводу каждую секунду), а напряжение — это величина давления за этими электронами.

Генераторы составляют основу современной электростанции. В следующем разделе мы рассмотрим, как работает одна из этих станций.

Схемы — Урок — Инженерное дело

(0 Рейтинги)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 9 (9-11)

Требуемое время: 15 минут

Зависимость урока: Нет

Тематические области: Физические науки, физика

Резюме

Студенты знакомятся с несколькими ключевыми понятиями электронных схем.Они используют сопутствующие практические занятия, чтобы узнать о некоторых физических принципах схем, ключевых компонентах схемы и их распространении в наших домах и повседневной жизни. Студенты узнают о законе Ома и о том, как он используется для анализа цепей.

Инженерное соединение

Чтобы спроектировать и создать бесконечное количество устройств и процессов, использующих электричество и схемы, инженерам требуется базовое понимание электричества и физики, лежащей в основе схем.Инженеры-электрики разрабатывают схемы для продуктов, которые мы используем каждый день. Они также проектируют компьютеры и телекоммуникационные устройства, освещение и электропроводку для зданий и действующих электростанций. Инженеры-электрики занимаются энергосбережением в наших домах и на предприятиях, разрабатывая более эффективные способы проектирования и реализации схем и электронных устройств для эффективного использования и, в конечном итоге, экономии энергии.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

Определите электрический ток и напряжение.
Объясните взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением (закон Ома).
Перечислите несколько различных компонентов схемы.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).
Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).
В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .
Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология
ГОСТ Предложите выравнивание, не указанное выше
Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?
Больше подобной учебной программы
Электроны в движении
Студенты узнают о текущем электричестве и необходимых условиях для существования электрического тока.Учащиеся конструируют простую электрическую схему и гальванический элемент, чтобы помочь им понять напряжение, ток и сопротивление.
Цепи: один путь для электричества
Студенты узнают, что движение заряда по цепи зависит от сопротивления и расположения компонентов схемы.В одном из связанных практических занятий студенты создают и исследуют характеристики последовательных цепей. В другом задании учащиеся конструируют и собирают фонарики.
Продолжайте движение
Студенты понимают разницу между электрическими проводниками и изоляторами и приобретают опыт распознавания проводника по свойствам его материала.На практике студенты создают тестер проводимости, чтобы определить, являются ли различные объекты проводниками или изоляторами.
Предварительные знания
Базовые знания об электричестве, включая замкнутые и разомкнутые цепи.
Введение / Мотивация
Знаете ли вы, почему в сотовом телефоне должна быть батарея или почему для работы компьютер должен быть подключен к розетке? (Ответ: Этим устройствам для работы требуется электричество.) Знаете ли вы, что аккумулятор или питание, идущее из розетки в стене, является частью электрической цепи? Когда аккумулятор вставляется в сотовый телефон или когда к нему подключен компьютер, цепь в устройстве замыкается или «замыкается», позволяя протекать электрическому току.
Цепи
можно найти повсюду вокруг нас — в наших домах, школах и на предприятиях. Инженеры-электрики чаще всего связаны с разработкой схем, но они не единственные инженеры, которые работают со схемами и знают о них.Большинство инженеров должны понимать электричество и физику электрических цепей, чтобы они могли проектировать любые устройства, использующие электричество. Например, инженеры-механики используют схемы при проектировании двигателей. Аэрокосмические инженеры используют схемы при проектировании средств управления космическими кораблями. Сегодня мы собираемся узнать о некоторых физических принципах, лежащих в основе схем, а также о некоторых ключевых компонентах, которые используются для создания схем.
Схема внутри вашего компьютера может выглядеть примерно так. Авторское право
Copyright © 2008 Denise W.Карлсон, программа ITL, Университет Колорадо в Боулдере
Чтобы начать разбираться в схемах и электричестве, давайте начнем с электрического тока. Электрический ток — это поток положительного заряда. По сути, это мера количества положительных зарядов, которые проходят через заданную границу (точку в пространстве, поперечное сечение провода и т. Д.) За единицу времени. (Примечание: в реальной цепи движущиеся заряды — это электроны, которые содержат отрицательный заряд. Поэтому электрический ток фактически определяется как движущийся против пути, по которому проходят электроны.)
Единица электрического тока — это единица заряда ( кулон, ) в секунду. Кулон в секунду также называется ампер, (А) или, для краткости, ампер. Ток в бытовых устройствах обычно составляет около 1 А. Однако в электронных устройствах, таких как стереосистемы и компьютеры, ток часто измеряется в миллиамперах (1 мА = 10 ^-3 А) или микроампер (1 мкА = 10 ^-6 А).
Два типа тока: переменного тока и постоянного тока .Переменный ток выходит из обычных настенных розеток в домах, школах и на предприятиях. Он называется «переменным», потому что направление тока постоянно меняется. В США переменный ток от настенных розеток составляет 60 Гц (Герц). Это означает, что ток меняет направление 60 раз каждую секунду. Постоянный ток — это ток, вырабатываемый батареями. Он всегда движется в одном направлении. Ток важен, потому что движущиеся заряды несут энергию и могут выполнять работу.
Напряжение — это мера разницы электрических потенциалов между любыми двумя точками. Единица измерения напряжения — джоули на кулон (энергия на заряд), получившая название вольт, (В). Электрический потенциал — это потенциальная энергия на единицу заряда (джоулей / кулон), связанная с электрическим полем. Напряжение аналогично разнице в гравитационной потенциальной энергии объекта из-за его высоты. Как и в случае с гравитационной потенциальной энергией, электрический потенциал полезен только тогда, когда мы анализируем разницу между двумя точками.Каждый раз, когда выполняется измерение напряжения, оно измеряется между двумя точками (вот почему мультиметр имеет два контакта). Напряжение также имеет так называемую полярность , или положительный и отрицательный полюсы (аналогично магниту с северным и южным полюсами). Полярность важна для определения того, поглощает ли элемент в цепи энергию или передает ее.
В качестве наглядного примера напряжения давайте посмотрим, как работает аккумулятор. Каждой батарее соответствует номинальное напряжение, например 1.5 вольт для аккумулятора D, 9 вольт, автомобильные аккумуляторы 12 вольт. Это означает, что 9-вольтовая батарея, помещенная в электронное устройство, имеет 9 джоулей электрической потенциальной энергии между двумя своими выводами. Эта батарея обеспечивает устройство 9 джоулями энергии на каждый кулон заряда, который он перемещает по длине батареи.
Теперь, когда мы определили и обсудили напряжение и электрический ток, давайте немного поговорим о схемах. Одно из основных физических соотношений, используемых для анализа всех цепей, известно как закон Ома .Закон Ома гласит, что напряжение на резисторе пропорционально току, протекающему через резистор. В форме уравнения это выглядит так:
В = ИК
, где V — напряжение на резисторе, I — ток, протекающий через резистор, а R — сопротивление резистора.
Единица измерения сопротивления — Ом (Ом). Закон Ома дает нам определение резистора. Резистор — это объект, который вызывает падение напряжения на своих выводах, чтобы противостоять прохождению через него электрического тока.Обратите внимание, что закон Ома работает только при постоянном сопротивлении компонента. Многие компоненты, такие как лампочка или диод, не имеют постоянного сопротивления. Компоненты с постоянным R называются омическими, а компоненты, в которых R меняется, считаются неомическими. Отношения, описываемые законом Ома, дают нам возможность вычислять такие переменные, как ток через резистор или напряжение на резисторе в цепи. Закон Ома важен при анализе цепей, когда ток или напряжение на резисторе неизвестны.
В схему можно встроить несколько компонентов для различных целей. Некоторые из этих компонентов включают резисторы (любые два оконечных объекта, которые обеспечивают падение напряжения, чтобы противодействовать прохождению через него тока), конденсаторы (хранят энергию в электрическом поле), индукторы (хранят энергию внутри электрического поля) и транзисторы. (обычно используется как усилитель или переключатель). Интегральная схема — это схема, которая была разработана для выполнения данной задачи и часто состоит из нескольких других компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы.Отдельные компоненты интегральной схемы все производятся на одном кристалле кремния (чипе) одновременно. И транзисторы, и интегральная схема являются неотъемлемой частью современной электронной революции, которая привела к появлению сотовых телефонов, компьютеров и многих электронных устройств, которые мы используем каждый день.
Схемы выполняют множество функций при проектировании энергоэффективных домов. Они могут быть предназначены для включения света, когда человек входит в комнату, и выключения после того, как в течение некоторого времени никого нет рядом.Они используются для регулирования температуры воздуха внутри зданий путем управления оборудованием для отопления и кондиционирования воздуха (обратитесь к упражнению «Проектирование термостата», чтобы студенты исследовали компоненты контура и спроектировали собственное применение термостата). Их даже можно использовать для контроля температуры воды, количества света, попадающего в комнату, и хранения энергии от фотоэлектрических систем для последующего использования.
Предпосылки и концепции урока для учителей
Как работают батареи
Способ, которым аккумуляторы производят заряд, — это вопрос химии.В батарее электроны перемещаются от положительной клеммы к отрицательной через провода и схемы устройства и обратно в положительную клемму батареи. Это называется замкнутым контуром . Когда электроны на один кулон заряда (-1,601 x 10 ^-19 кулонов заряда) перемещаются от положительной клеммы к отрицательной клемме батареи, происходит увеличение энергии, равное 9 джоулям. Расчет для этого показан ниже, где EP — электрический потенциал.
(Примечание: значения для EP ₁ и EP ₂ могли быть любыми, если их разница была равна 9, поскольку это напряжение батареи; как и потенциальная энергия, необходимо установить данные, на которых все другие измерения выполняются. В случае напряжения инженеры часто используют землю или 0 вольт в качестве исходной точки отсчета. Таким образом, на одном выводе имеется 0 EP. Кроме того, заряд отрицательный, потому что электроны имеют отрицательный заряд.) На отрицательном выводе 1 кулон заряда электронов имеет определенную энергию; после перехода к положительному выводу энергия увеличилась на 9 джоулей из-за разницы в электрическом потенциале, обнаруженном в батарее.Этот процесс показан на Рисунке 1.
Рис. 1. Как работает напряжение в батарее. Авторское право
Авторское право © 2008 Тайлер Малин, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере
Этот расчет также включает полярность. Каждое напряжение и, следовательно, каждая батарея имеет положительную и отрицательную клеммы; отрицательный вывод — это нижний (часто заземляющий или нулевой) электрический потенциал. Если электроны в цепи текут от положительной клеммы к отрицательной клемме любого источника напряжения (как показано на рисунке 1), источник напряжения подает энергию.Но если электроны движутся в противоположном направлении, в отрицательном направлении и выходят из положительного полюса, источник поглощает энергию. Это основная идея аккумуляторных батарей.
Общие компоненты цепи
Однако каждая цепь в мире состоит не только из источника напряжения (например, батареи) и одного или двух резисторов. Могут быть добавлены многочисленные компоненты схемы, позволяющие решать некоторые увлекательные задачи. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных компонентов схемы.
Конденсаторы — это компоненты, накапливающие энергию в электрическом поле. Это часто достигается за счет одинаковой, но противоположной зарядки двух параллельных пластин. В этом случае одна пластина имеет избыток протонов, а другая — электронов. Этот сценарий приводит к возникновению электрического поля между двумя пластинами из-за разницы в заряде. Это электрическое поле накапливает энергию для последующего высвобождения. Конденсаторы не могут создавать энергию, они просто накапливают энергию, полученную при протекании тока между пластинами.На рисунке 2 показан весь процесс, от момента, когда конденсатор впервые накапливает заряд и, следовательно, энергию, до полного заряда.
Рис. 2. Конденсатор с параллельными пластинами, заряжаемый батареей. Авторское право
Авторское право © 2008 Тайлер Малин, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере
Емкость (C) конденсатора является важной величиной, связанной с конденсаторами. Определяется как отношение заряда (Q) к напряжению конденсатора:
Единица измерения емкости — фарад, определяемый как 1 кулон на вольт.Большинство конденсаторов никогда не имеют емкости в одну фараду, и часто большинство конденсаторов измеряется в микрофарадах (мкФ). Одно из классических применений конденсатора — вспышка камеры. Энергия для создания вспышки хранится в конденсаторе. Чтобы создать вспышку при фотографировании, конденсатор разряжается, высвобождая накопленную энергию в виде света.
Катушки индуктивности — это обычные компоненты схемы, в которых для хранения энергии используется магнитное поле. Индукторы чаще всего создаются путем наматывания катушки проволоки на какой-либо сердечник, называемый соленоидом.Они используются для создания индуктивности . Индуктивность аналогична конденсатору, а емкость — способ измерения количества энергии, запасенной в магнитном поле, возникающем при прохождении тока через катушки соленоида. Единица индуктивности — генри (Гн). В отличие от резисторов и напряжения, уравнения, определяющие физику катушек индуктивности и конденсаторов, требуют знания исчисления одной переменной, что является более сложным, чем этот урок.
Транзисторы представляют собой компоненты схемы, изготовленные из полупроводника (материала, который иногда действует как изолятор, а иногда как проводник) и часто используются в качестве усилителя или переключателя.Транзисторы считаются строительными блоками для всех современных электронных устройств, включая компьютеры и сотовые телефоны. Они часто встречаются в интегральных схемах; например, усовершенствованный микропроцессор в компьютере содержит более 1,7 миллиарда транзисторов. Они являются самой большой причиной развития электроники в 20, ^-м,-м веке.
Интегральные схемы — распространенные компоненты электронных схем. Эти специализированные схемы предназначены для выполнения определенной задачи и часто состоят из нескольких других компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, транзисторы и диоды.Отдельные компоненты интегральной схемы все производятся на одном кристалле кремния (чипе) одновременно. Примеры интегральных схем включают операционные усилители, микропроцессоры и логические схемы. Все более эффективное и быстрое производство интегральных схем привело к низкой стоимости каждой микросхемы, что открыло путь для быстрого технологического развития электронных устройств.
Сопутствующие мероприятия
Закрытие урока
Сегодня мы начали изучение цепей с того, что сначала узнали об электрическом токе и напряжении.Какое важное математическое выражение в физике связывает напряжение и ток? Правильно — закон Ома, который описывает взаимосвязь между током и напряжением и дает нам определение резистора.
Схемы — это основа электроники. Без схем у нас не было бы многих вещей, которые мы принимаем как должное в повседневной жизни. Цепи также хороши для автоматизации процессов и повышения энергоэффективности за счет управления многими рутинными задачами.Могут быть разработаны схемы для включения света, когда человек входит в комнату, и выключения его после того, как люди ушли. Они могут регулировать и контролировать системы отопления и охлаждения для создания желаемой температуры воздуха в домах и зданиях. Они могут сказать вашему компьютеру, когда выключить экран, если он не использовался какое-то время. Что еще вы знаете о схемах?
Словарь / Определения
переменный ток: ток, который постоянно меняет направление, например, электрический ток, доступный через настенные розетки в наших домах и на предприятиях.
ампер: единица измерения электрического тока. Определяется как 1 кулон в секунду.
емкость: способность электрического поля в конденсаторе накапливать энергию. Основное измерение конденсаторов. Определяется как соотношение заряда и напряжения конденсатора.
конденсатор: компонент схемы, который хранит энергию внутри электрического поля.
замкнутая цепь: цепь, по которой течет ток.
кулон: единица измерения заряда.
постоянный ток: ток, который движется только в одном направлении, например, ток, поступающий от батареи.
электрический ток: поток положительных зарядов через проводник (провод, пластину, электрическое поле).
электрический потенциал: мера потенциальной энергии, содержащейся в электрическом поле.
фарад: Единица измерения емкости или электрической емкости.Назван в честь физика-инженера Майкла Фарадея.
индуктивность: способность магнитного поля накапливать энергию. Основная мера индуктивности.
индуктор: компонент схемы, который хранит энергию внутри магнитного поля.
Интегральные схемы: схемы, построенные на кремниевом кристалле или микросхеме, которые содержат множество общих схемных компонентов и предназначены для выполнения определенных задач.
Закон Ома: утверждение о физическом соотношении, согласно которому для любой цепи сила электрического тока (I) прямо пропорциональна напряжению (V) и обратно пропорциональна сопротивлению (R) цепи.V = ИК
сопротивление: мера способности объекта ограничивать прохождение тока через него.
резистор: любые два контактных объекта, которые обеспечивают падение напряжения, чтобы противодействовать прохождению через него тока.
Транзистор: полупроводник, который обычно используется в качестве усилителя или переключателя. Это строительный блок всех современных схем, включая компьютеры и сотовые телефоны.
вольт: единица измерения напряжения.Определяется как джоуль на кулон.
напряжение: мера разницы в электрическом потенциале между двумя точками в электрическом поле.
Оценка
Оценка перед уроком
Вопрос для обсуждения : запрашивайте, объединяйте и обобщайте ответы учащихся, записывая их ответы на доске. Спросите у студентов:
Что вы используете каждый день с электрическими цепями? (Возможные ответы: компьютеры, мобильные телефоны, плееры iPod, стереосистемы, телевизоры, автомобили и т. Д.)
Оценка после введения
Мозговой штурм : Предложите учащимся участвовать в открытом обсуждении в классе. Напомните им, что в ходе мозгового штурма ни одна идея или предложение не являются «глупыми». Все идеи следует уважительно выслушивать. Занять некритическую позицию, поощрять дикие идеи и препятствовать критике идей. Попросите учащихся поднять руки, чтобы ответить. Напишите их идеи на доске. Спросите у студентов:
Как можно использовать электрические цепи, чтобы сделать устройство или дом более энергоэффективным? (Возможные ответы: цифровой термометр с точкой включения / выключения, схема, которая автоматически выключает свет, когда он не нужен, заставки компьютера / монитора / копира / спящий режим, которые потребляют меньше энергии, если какое-то время бездействуют, автоматический кофе горшок, который отключается сам по себе и т. д.)
Многие автоматические процессы используют схемы для выполнения задачи. В термостатах, автоматических выключателях света, двигателях и системах домашней безопасности используются электрические цепи. Помимо обычных электронных устройств, таких как стереосистемы, плееры iPod, компьютеры, сотовые телефоны, видеоигры, телевизоры, DVD-плееры, что еще в нашем мире использует схемы? (Возможные ответы: автомобили, термостаты, автоматические выключатели света, спринклерные системы, автоматические двери, светофоры, кнопки перехода, пульты дистанционного управления, голосовая почта, двигатели, выключатели домашней безопасности, сборочные линии / фабрики / заводы и т. Д.)
Этот цифровой термостат регулирует отопление и охлаждение дома для обеспечения эффективного использования энергии. Авторское право
Авторские права © 2008 Дениз В. Карлсон, Программа ITL, Университет Колорадо в Боулдере
Итоги урока, оценка
Math Application : Напишите на доске уравнение I = V ÷ R. Напомните студентам, что это называется законом Ома. Объясните, что I = ток = протекание электрического заряда через цепь (он остается постоянным в замкнутой цепи), V = напряжение = используемые батареи и R = сопротивление = используемые лампы.Предложите студентам ответить на следующие вопросы с точки зрения закона Ома:
Чтобы повысить энергоэффективность своего дома, семья Колорадо установила на крыше солнечную панель. Они хотят добавить еще одну солнечную панель, чтобы увеличить свою способность накапливать энергию на зиму.
Что происходит с током (I), когда они добавляют еще одну солнечную панель (V)? (Ответ: ток увеличивается.)
Что происходит с током (I), когда они добавляют прибор в свою цепь (R)? (Ответ: ток уменьшается.)
Что происходит с током (I), когда у них разомкнутый переключатель? (Ответ: ток (I) = 0, поскольку электроны не могут двигаться по цепи.)
Мероприятия по продлению урока
Поручите студентам изучить различные типы термостатов. Существует несколько типов электрических и механических термостатов. Попросите их описать, как работает цифровой термостат.
Инженеры-электрики часто работают с элементами управления системами, включая элементы управления телекоммуникациями.Вовлеките студентов в обсуждение телекоммуникаций и их важности в современном обществе.
использованная литература
Hambley, Allan R., Электротехника: принципы и приложения, Третье изд. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Education Inc., 2005.
авторское право
© 2007 Регенты Университета Колорадо.
Авторы
Тайлер Малин; Лорен Купер; Малинда Шефер Зарске; Дениз В.Карлсон
Программа поддержки
Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере
Благодарности
Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано в рамках гранта Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), Министерства образования США и Национального научного фонда GK-12, грант No.