Site Loader

Содержание

Элеком37, Электрическое поле и его напряженность, физика.

Электрическое поле и его напряженность.


По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.

Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не вносит заметного перераспределения исследуемых зарядов. Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряженность электрического поля E.

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд. Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим.

Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии. Эти линии проводятся так, чтобы направление вектора напряженности в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии. Силовые линии обладают следующими свойствами.

Силовые линии электростатического поля никогда не пересекаются.

Силовые линии электростатического поля всегда направлены от положительных зарядов к отрицательным.

При изображении электрического поля с помощью силовых линий их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.

Силовые линии начинаются на положительном заряде или бесконечности, а заканчиваются на отрицательном или бесконечности. Густота линий тем больше, чем больше напряжённость.

В данной точке пространства может проходить только одна силовая линия, т.к. напряжённость электрического поля в данной точке пространства задаётся однозначно.

Электрическое поле называют однородным, если вектор напряжённости одинаков во всех точках поля. Например, однородное поле создаёт плоский конденсатор – две пластины, заряженные равным по величине и противоположным по знаку зарядом, разделённые слоем диэлектрика, причём расстояние между пластинами много меньше размеров пластин.

Во всех точках однородного поля на заряд q, внесённый в однородное поле с напряжённостью E, действует одинаковая по величине и направлению сила, равная F = Eq. Причём, если заряд q положительный, то направление силы совпадает с направлением вектора напряжённости, а если заряд отрицательный, то вектора силы и напряжённости противоположно направлены.

Силовые линии кулоновских полей положительных и отрицательных точечных зарядов изображены на рисунке:



Конвертер напряжённости электрического поля • Электротехника • Компактный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыИмпульс (количество движения)Импульс силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Общие сведения

Мы живём в океане магнитных и электрических полей. Подобно поведению океана в штиль эти поля могут быть более и менее стабильными, превращаясь в шторм в настоящие бури.

Нам с детства известно свойство магнитной стрелки компаса указывать на север под действием постоянного геомагнитного поля Земли. В своё время изобретение компаса сыграло огромную роль в истории человечества, особенно с развитием мореплавания.

В отличие от магнитного поля, электрическое поле Земли почти ничем не проявляет себя в обыденной жизни, и без специальных приборов мы выявить его, как правило, не можем. Хотя иногда мы наблюдаем проявление электрического поля, расчёсывая вымытые и высушенные волосы пластмассовой расчёской или проводя той же расчёской над кусочками целлофана или бумаги, которые, преодолевая земное притяжение, подпрыгивают со стола, прилипая к расчёске.

Но стоит прийти электрической буре, как мы чувствуем её приближение без всяких приборов. Мы видим сполохи далёких зарниц приближающейся грозы, и слышим далекие раскаты грома. Появляются помехи при приёме радио и телевизионных сигналов; разряды молний могут вывести из строя радио- и электронную аппаратуру, линии связи и электропередач.

Нью-Йорк

Примером может служить авария электроснабжения в Нью-Йорке в 1977 году, когда, после серии попаданий молний в различные ЛЭП, без электроснабжения остался почти весь восьмимиллионный город. Геомагнитные бури космических масштабов также могут привести к авариям электроснабжения городов и стран (Квебекская авария в 1989 году), или вызвать перебои в телеграфной связи на целых континентах (Событие Каррингтона в 1859 году). В то же время, возмущения магнитного поля на поверхности Земли во время геомагнитной бури составляют в среднем менее 1% от величины стационарного значения.

По современным представлениям, отдельные изменяющиеся во времени электрические и магнитные поля образуют единые электромагнитные поля, изменяющиеся с меньшей или большей частотой. Их спектр чрезвычайно широк — от инфранизких частот в доли герца до квантов гамма-излучения с частотой в эксагерцы.

Любопытный, но малоизвестный факт: в узком радиодиапазоне спектра, на котором ведётся телевизионное вещание и работают спутники связи, мощность излучаемого Землёй сигнала превосходит мощность излучения Солнца! Некоторые радиоастрономы предлагают вести поиск внеземных цивилизаций, сравнимых с нашей цивилизацией, по этому признаку. Правда, другие учёные считают его просто признаком нашей технологической отсталости и неумением разумно распорядиться энергетическими ресурсами.

Важнейшей характеристикой электрического (равно как и магнитного) поля является его напряжённость. Превышение этого параметра выше определённого значения для данной среды (для воздуха это 30 кВ/см) приводит к электрическому пробою — искровому разряду. В наших зажигалках мощность разряда настолько мала, что его энергии хватает только на нагрев газа до температуры возгорания.

Ионосфера и разряды молний

Мощность отдельной молнии при средних значениях напряжения в 20 млн. вольт и тока в 20 тысяч ампер может составлять 200 млн киловатт (учитывая, что при разряде молнии напряжение падает с максимального значения до нуля). А за одну мощную грозу выделяется столько же энергии, сколько потребляет всё население США за 20 минут.

Учитывая то обстоятельство, что на Земле ежесекундно гремят более 2000 гроз одновременно, освоение энергии атмосферного электричества представляется чрезвычайно заманчивым. Существуют множество проектов по перехвату молний специальными громоотводами или инициализации разряда молнии; в этом плане мы уже имеем технологии, позволяющие вызвать разряд запуском малых ракет или воздушных змеев, связанных проводниками с поверхностью Земли. Более перспективными представляются разработки на основе ионизации атмосферы лучами мощных лазеров или микроволнового излучения и создании таким образом проводящих каналов для разряда молний, что позволяет устранить необходимость материальных затрат, связанных с испарением проводников после удара молнии.

По сути дела нам не требуется генерации собственно электричества — остаётся только организовать его приём, хранение и преобразование в более удобную для практических целей форму — но пока эта задача возлагается на будущие технологии и устройства. Возможным решением проблем могут стать новые материалы вроде графена, и супермагниты на сверхпроводниках, либо создание ионисторов с невероятно высокой плотностью запасаемой энергии.

Физика полярного сияния та же, что свечение газоразрядных ламп в электромагнитном поле (см. иллюстрации ниже) — возбуждение атомов газов с последующим переходом в обычное состояние, при котором и происходит выделение энергии в форме свечения.

А может быть осуществится мечта гения от электричества — американца сербского происхождения Николы Теслы; и мы сумеем преобразовать энергию гроз в единое энергетическое поле, которое позволит получать электроэнергию в требуемом количестве в любом месте Земли и даже в её атмосфере. Ведь удалось же Тесле во время проведения экспериментов по получению искусственных молний в июне 1889 года в своей лаборатории, расположенной в Колорадо-Спрингс, добиться такой передачи электрической мощности без проводов, что лошади в округе валились с ног, получив электрический удар через металлические подковы! Бабочки летали в ореоле огоньков святого Эльма, меж ног пешеходов проскакивали искры, такие же искры сыпались из водопроводных кранов. Может быть, из-за таких вот опытов многие современники считали Теслу просто опасным безумцем.

Но, говорят же, что если опережаете человечество на один шаг — вы точно гений! Но если на два шага — вы безумец!

Историческая справка

Слева направо: Джеймс Клерк Максвелл, Шарль Кулон, Майкл Фарадей; источник: commons.wikimedia.org

Понятие напряжённости электрического поля непосредственно связано с понятием электрических зарядов и создаваемых этими зарядами электрических полей.

Визуализация силовых линий электрического поля с помощью перманганата калия; на фильтровальную бумагу, пропитанную слабым раствором хлористого натрия, поставлены два электрода, на которые подано постоянное напряжение 30 В

Открытый французским учёным Шарлем Кулоном в 1785 году закон взаимодействия электрических зарядов только дал в руки физиков инструмент для расчёта взаимодействия как такового. Этот закон был поразительно похож на закон всемирного тяготения Ньютона, открытый ранее, хотя и имел существенное отличие: он допускал наличие зарядов разных знаков, а масса в законе всемирного тяготения имеет только один знак, т.е. материальные тела могли только притягиваться.

Подобно Ньютону, который не раскрыл причин гравитационного взаимодействия, Кулон также не смог пояснить причин взаимодействия электрических зарядов.

Лучшие умы того времени предлагали различные теории происхождение этих сил, в их число входили теории близкодействия и дальнодействия. Первая предполагала наличие некоторого промежуточного агента — мирового эфира с совершенно экзотическими свойствами. Например, ему приписывалась огромная упругость с ничтожной плотностью и вязкостью. Это было связано с преобладающими на тот момент развития науки механистическими представлениями о среде передачи сил как о некоторой жидкости. Противоречивые результаты опытов по изучения свойств эфира окончательно были похоронены уже в 20-ом веке в результате экспериментов американского физика Альберта Майкельсона и специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна.

Визуализация силовых линий электрического поля с помощью моторного масла и манной крупы; манная крупа и масло являются диэлектриками; под действием напряжения 30 кВ крупинки постепенно выстраиваются вдоль силовых линий, направленных от центра к кольцевому электроду

Прорыв в этом направлении совершили выдающиеся английские физики Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл в конце 19-го века. М. Фарадею удалось воедино связать магнитные и электрические поля посредством введения концепции физического поля и даже визуализировать его с помощью «электрических силовых линий». В современной физике для изображения векторных полей используют силовые линии векторного поля.

Подобно тому, как мы можем визуализировать силовые линии магнитного поля, размещая в поле магнита мелкие железные опилки, Фарадей визуализировал распространение электрического поля, размещая кристаллики диэлектрика хинина в вязкой жидкости — касторовом масле. При этом вблизи заряженных тел кристаллики выстраивались в цепочки причудливой формы в зависимости от распределения зарядов.

Но главная заслуга Фарадея состоит в том, что он ввёл в научный обиход понятие, что электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создаёт в окружающем пространстве электрическое и магнитное (если он движется) поле, а проявление эффектов электромагнетизма суть простое изменение количества силовых линий, охватываемых каким-то контуром.

Визуализация силовых линий электрического поля с помощью моторного масла и манной крупы для двух линейных электродов при напряжении 30 кВ

Под количеством силовых линий он подразумевал напряжённость электрического или магнитного поля.

Великий соотечественник Фарадея Дж. К. Максвелл сумел придать его идеям количественную математическую форму, столь необходимую в физике. Его система уравнений стала основой для изучения как теоретической, так и практической сторон электродинамики. Работа Максвелла поставила крест на концепции дальнодействия: полученный им фундаментальный результат предсказывал конечную скорость распространения электромагнитных взаимодействий в вакууме.

Позднее этот постулат о конечности скорости распространения света, как электромагнитного взаимодействия, был положен гениальным физиком 20-го века Альбертом Эйнштейном в качестве основополагающего постулата его специальной (СТО) и общей (ОТО) теориях относительности.

В современной физике в понятия дальнодействия и близкодействия вкладывается несколько иной смысл: силы, убывающие с расстоянием по законам обратной степени (r-n), считаются дальнодействующими; к ним относятся гравитационное и кулоновское взаимодействия, убывающие пропорционально обратному квадрату расстояния и действующие между объектами в обычном мире.

В атомном мире действуют иные силы, быстро убывающие с расстоянием: к ним относят сильное и слабое взаимодействия. Эти силы действуют между объектами микромира.

Напряжённость электрического поля. Определение

Напряжённость электрического поля — это векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению величины силы, действующей на неподвижный точечный электрический заряд, помещённый в эту точку, к величине заряда. Она обозначается латинской буквой E (произносится как вектор Е) и рассчитывается исходя из формулы:

E = F/q

где E — вектор напряженности электрического поля, F — вектор силы, действующий на точечный заряд, q — заряд объекта.

В каждой точке пространства существует своё значение вектора напряженности, поскольку поле может изменяться с течением времени, поэтому в качестве аргументов функции, описывающей данное векторное поле напряжённости, входят не только пространственные координаты, но и время.

E = f (x, y, z, t)

Напряжённость электрического поля в Международной системе единиц СИ измеряется в вольтах на метр (В/м) или ньютонах на кулон (Н/Кл).

Помимо основной единицы напряжённости электрического поля используется дольная единица (В/см), в электротехнике применяются кратные единицы (кВ/м или кВ/см).

В странах, где не используются метрические единицы длин, напряжённость электрического поля измеряется в вольтах на дюйм (В/дюйм).

Напряжённость электрического поля. Физика явлений

Как уже было показано выше, расчёты векторных электрических полей (напряжённости поля) физических объектов ведутся с использованием уравнений электростатики Максвелла и теоремы Гаусса-Остроградского, как составной части общих уравнений Максвелла.

При этом необходимо учитывать особенности поведения электрических полей в различных средах, поскольку их проявления резко отличаются в зависимости от конкретного состояния вещества по отношению к электрической проводимости.

Особенности проявления электрического поля в диэлектриках

Конденсаторный электретный микрофон для iPhone

При подаче электрического поля высокой напряжённости на образец из твёрдого диэлектрика, в последнем, как правило, происходит переориентация хаотически расположенных полярных молекул в направлении электрического поля. Это явление называется поляризацией. Даже при снятии электрического поля, эта ориентация сохраняется. Для её устранения требуется приложить поле обратной направленности.

Это явление носит название диэлектрического гистерезиса. Возвращению в исходное состояние диэлектрика могут способствовать и иные методы физического воздействия на образец, чаще всего применяют простой нагрев, при этом тоже происходит фазовый переход диэлектрика в исходное состояние.

Такие материалы получили название сегнетоэлектриков или ферроэлектриков. Среди них особым классом можно выделить вещества, которые имеют очень широкую петлю диэлектрического гистерезиса и способные долгое время находиться в поляризованном состоянии — они называются электретами, по сути дела, играют роль постоянных магнитов в электрическом исполнении, создавая постоянное электрическое поле.

Явление гистерезиса в сегнетоэлектриках

Следует отметить, что название «ферроэлектрики» никак не связано с железом; оно появилось в связи с тем, что явление сегнетоэлектричества аналогично явлению ферромагнетизма. В английском языке явление сегнетоэлектричества так и называется: ferroelectricity.

Под действием переменного электрического поля молекулы диэлектрика ведут себя несколько по-иному, постоянно меняя пространственную ориентацию присущих им зарядов каждый полупериод приложенного поля. Понимание этих процессов заложил британский учёный Дж. К. Максвелл, который ввёл в обиход науки об электричестве понятие токов смещения.

Суть явления состоит в том, что под действием переменного тока связанные заряды — электроны и ядра — в молекулах диэлектрика колеблются относительно центра молекулы, реагируя на приложенное переменное электрическое поле.

Особенности проявления электрического поля на поверхности металлов

Совершенно иным является взаимодействие электрического поля с металлами. Из-за наличия в них свободных зарядов (электронов) по отношению к любому электрическому или электромагнитному полю, они ведут себя подобно оптическому зеркалу в отношении света.

Направленные параболические антенны спутниковой связи

На этом принципе построены многие направленные антенны для приёма радиосигналов — вне зависимости от конкретной конструкции антенны, в них обязательно присутствует один элемент — отражатель (или дефлектор), который позволяет значительно увеличить принимаемый радиосигнал и тем самым улучшить качество приёма. Он может выглядеть совершенно по-разному, вплоть до полного аналога обычному зеркалу в виде параболических отражателей антенн для приёма спутниковых сигналов. По сути дела дефлектор является просто концентратором напряжённости электромагнитного поля.

Поскольку металлы отражают электрические и электромагнитные поля, на этом же принципе построена клетка электростатической защиты — так называемая клетка или щит Фарадея — металлы полностью изолируют пространство в них от действия электрического, да и электромагнитного поля. Об этом прекрасно знал гений электричества Никола Тесла, и поражал непросвещённую публику появлением в такой клетке в ореоле электрических разрядов, создаваемых его резонансным трансформатором. Теперь мы называем его трансформатором (или катушкой) Тесла.

Катушка Тесла и беличье колесо для человека в Канадском музее науки и техники. Чтобы возникла искра, посетитель музея должен выработать примерно 100 Вт энергии.

В 1997 году физик из Калифорнии Остин Ричардс создал гибкий костюм электростатической защиты, который защищал его от разрядов катушки Тесла, и с 1998 года он выступает по всему миру под псевдонимом Доктор МегаВольт в шоу «Полыхающий человек ».

Между прочим, современные помещения для скрытых переговоров выполнены на том же принципе клетки Фарадея; правда, изобретателям из закрытых научно-исследовательских институтов КГБ СССР удалось при постройке здания посольства США в своё время обойти американских инженеров: подслушивающие устройства встраивались в виде изолированных конструкций в несущие стены здания. Предполагалось, что под действием внешнего облучения они будут генерировать ответный промодулированный сигнал, и выдавать секреты переговоров американских дипломатов.

Практические примеры приборов и установок, использующих электрическое поле

Помещение с электронным микроскопом должно иметь хорошую звукоизоляцию, поэтому оно похоже на студию звукозаписи — только окошка не хватает

Существует множество примеров как использования электрического поля, так и борьбы с ним.

Сканирующий туннельный микроскоп

Одним из принципов работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) является создание такой напряженности электрического поля между исследуемым образцом и острой иглой-зондом, чтобы она превышала работу выхода электронов из образца. Это достигается приложением небольшой разности потенциала между образцом и зондом, и их сближением на расстояние менее одного нанометра. Затем, перемещая зонд над поверхностью, за счёт измерения протекающего туннельного тока можно получить профили образца и построить изображение его поверхности.

Сотни высотных зондов ежедневно запускаются с помощью наполненных водородом шаров метеостанциями по всему миру; такие зонды, как этот, находящийся в Канадском музее науки и техники, запускались в середине прошлого века

Учитывая чувствительность прибора к механическим вибрациям, к помещениям, в которых размещаются СТМ, предъявляются особые требования: в частности, поверхности стен, потолки и полы помещений оснащаются акустической защитой, поглощающей звуковые колебания.

Измерительные приборы и приборы оповещения

Согласно требованиям охраны труда, помещения классифицируются по уровню напряжённости электрического поля. В зависимости от этого уровня время пребывания технического персонала в таких помещениях строго регламентируется. Замеры напряжённости производится специальными приборами.

Метеоцентры разных стран контролируют электрическое поле Земли, измеряя его напряжённость как на поверхности, так и в различных слоях атмосферы с помощью высотных зондов.

Электромонтёры установок и линий высокого напряжения для сигнализации об опасном сближении с токоведущими частями, находящимися под напряжением, используют приборы оповещения, измеряющие напряжённость электрического поля.

Электростатическая и электромагнитная защита

Ёще сам Фарадей, при проведении химических опытов, для исключения влияния сторонних электрических полей на результаты экспериментов, применял изобретённое им в 1836 году устройство электростатической защиты, известное ныне как клетка Фарадея. Оно может быть выполнено в виде сплошной проводящей оболочки с отверстиями или в виде сетки из проводящих материалов.

Микроволновая печь, по сути, представляет собой клетку Фарадея, только в ней экранируется внутреннее излучение, а не внешнее; на нижнем снимке видно, что размер ячейки сетки примерно 3 мм, что значительно меньше длины волны электромагнитного излучения в печи, равной 12 см

Это же устройство может с успехом применяться для экранировки электромагнитных излучений с длиной волны, существенно превышающей размеры ячеек сетки или отверстий.

В современной технике клетками Фарадея оснащаются физические лаборатории и установки, лаборатории аналитической химии и измерительной техники, помещения для ведения секретных переговоров и даже помещения для заседания конклава кардиналов, на котором проводились последние выборы Папы римского.

Поскольку физические методы исследований широко применяются в современной медицине, помещения диагностических центров также оснащаются клетками Фарадея — примером могут служить кабинеты, в которых проводится магниторезонансная томография.

Даже в привычной всем бытовой микроволновой печи камера разогрева конструктивно выполнена в виде клетки Фарадея, а оптически прозрачное окошко в ней, сделанное по специальной технологии, не прозрачно для микроволнового излучения.

Экраны соединительных проводов и коаксиальных кабелей, широко применяющиеся в радиотехнике, компьютерной технике и технике связи для защиты от внешнего электромагнитного излучения и излучения внутреннего сигнала во внешнюю среду, тоже являются своеобразными клетками Фарадея.

Опыты по воздействию электрического поля на металлы и газы

Никуда не подключенные тонкие люминесцентные лампы от плоского дисплея можно зажечь с помощью плазменной лампы

Зажигание неоновой лампы с помощью плазменной лампы

Учитывая, что непосредственное точное измерение напряжённости электрического поля требует специальных приборов, ограничимся иллюстрацией его свойств.

Плазменная лампа

В качестве индикатора напряжённости электрического поля будем использовать неоновую, люминесцентную или любую другую газоразрядную лампу, заполненную каким-либо инертным газом при низком давлении. Генератором поля будет служить плазменная лампа Тесла, создающая переменное электрическое поле значительной напряжённости с частотой около 25 кГц.

Если коснуться поверхности плазменной лампы пальцами, происходит концентрация плазменных шнуров

Если поднести индикаторную лампу (даже неисправную, но с целым баллоном) к изолирующей сфере плазменной лампы, она начнёт светиться, регистрируя наличие поля.

Очевидно, что электромагнитное поле проникает сквозь стеклянные оболочки обеих ламп, поле возбуждает электроны верхних оболочек атомов газа, последние при возврате в исходное состояние генерируют свет.

Если поднести к поверхности лампы руку, то можно наблюдать утолщение плазменного шнура, поскольку мы создаём в точке соприкосновения повышенную напряжённость электрического поля.

Оценка напряжённости электрического поля с помощью осциллографа

Подключим к входу осциллографа зонд, изготовленный из куска проволоки длиной около 15 см, и поднесём его к лампе Тесла. На экране осциллографа наблюдаем индуцированные колебания с той же частотой 25 кГц и размахом 25 вольт. На электрод лампы подается переменное высокое напряжение, генерирующее в пространстве переменное электрическое поле. Увеличивая расстояние между лампой и проводом, будем наблюдать уменьшение размаха сигнала (рис. 1–3). По уменьшению амплитуды сигнала на осциллографе можно сделать вывод, что напряжённость поля убывает с расстоянием.

Экранировка электромагнитного поля

Подключим к входу осциллографа экранированный измерительный кабель (рис. 4). При этом размах сигнала, регистрируемый осциллографом, упадёт почти до нуля. Экран кабеля выполняет роль клетки Фарадея, защищая сигнальный провод от электромагнитных наводок, создаваемых плазменной лампой.

Автор статьи: Сергей Акишкин

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Напряженность электрического поля ❤️ | Физика

1. Определение напряженности

Как вы уже знаете из курса физики основной школы, электрическое взаимодействие заряженных тел осуществляется посредством электрического поля: каждое заряженное тело создает вокруг себя электрическое поле, которое действует на другие заряженные тела. Представление об электрическом поле ввел английский ученый Майкл Фарадей в первой половине 19-го века.

Электрическое поле в данной точке пространства можно охарактеризовать с помощью силы, действующей со стороны этого поля на точечный заряд, помещенный

в данную точку. (Этот заряд должен быть достаточно мал, чтобы создаваемое им поле не изменяло распределения зарядов, которые создают данное поле.)

Как показывает опыт, сила , действующая на заряд q, пропорциональна величине этого заряда. Следовательно, отношение силы к заряду не зависит от величины заряда и характеризует само электрическое поле.

Напряженностью электрического поля в данной точке называют физическую величину, равную отношению силы , действующей со стороны поля на заряд q, помещенный

в данную точку поля, к величине этого заряда:

Напряженность поля — векторная величина. Ее направление в каждой точке совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, помещенный в эту точку.

Единицей напряженности поля является 1 Н/Кл. 1 Н/Кл — небольшая напряженность. Например, напряженность электрического поля вблизи поверхности Земли, обусловленная электрическим зарядом Земли, составляет примерно 130 Н/Кл.

Если известна напряженность поля в данной точке, то можно найти силу , действующую на заряд q, помещенный в эту точку, по формуле

Из формул (1) и (2) следует, что направление напряженности поля в данной точке совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, помещенный в эту точку.

Напряженность поля точечного заряда

Если внести в поле положительного точечного заряда Q другой положительный заряд, он будет отталкиваться от заряда Q.

Следовательно, напряженность поля положительного точечного заряда во всех точках пространства направлена от этого заряда. На рисунке 51.1 изображены векторы напряженности поля точечного заряда в некоторых точках. Видно, что при удалении от заряда модуль напряженности поля уменьшается.

? 1. Объясните, почему модуль напряженности поля точечного заряда Q на расстоянии r от заряда выражается формулой Подсказка.

Воспользуйтесь законом Кулона и определением напряженности поля.

? 2. Чему равна напряженность поля точечного заряда 2 нКл на расстоянии 2 м от него?

? 3. Модуль напряженности поля точечного заряда на расстоянии 0,5 м от него равен 90 Н/Кл. Чему может быть равен этот заряд?

Принцип суперпозиции полей

Если заряд находится в поле, созданном несколькими зарядами, то каждый из этих зарядов действует на данный заряд независимо от других.

Отсюда следует, что равнодействующая сил, действующих на данный заряд со стороны других зарядов, равна векторной сумме сил, действующих на данный заряд со стороны каждого из остальных зарядов.

Это означает, что справедлив принцип суперпозиции полей:

Напряженность поля, созданного несколькими зарядами, равна векторной сумме напряженностей полей, созданных каждым из зарядов: Используя принцип суперпозиции, можно найти напряженность поля, создаваемого несколькими зарядами.

? 4. Два точечных заряда расположены на расстоянии 60 см друг от друга. Модуль каждого заряда равен 8 нКл. Чему равен модуль напряженности поля, создаваемого этими зарядами: а) в точке, расположенной на середине отрезка, соединяющего заряды, если заряды одноименные? разноименные?

б) в точке, находящейся на расстоянии 60 см от каждого заряда, если заряды одноименные? разноименные?

Для каждого из этих случаев сделайте в тетради чертеж, поясняющий решение.

2. Линии напряженности

На примере поля точечного заряда (рис. 51.1) можно заметить, что векторы напряженности электрического поля в разных точках пространства выстраиваются вдоль некоторых линий.

В случае точечного заряда эти линии представляют собой прямые лучи, проведенные из точки, в которой находится заряд. В поле, созданном несколькими зарядами, зти линии будут некоторыми кривыми, причем напряженность поля в каждой точке будет направлена по касательной к одной из таких линий.

Воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением напряженности электрического поля, называют линиями напряженности электрического поля.

Линии напряженности начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Густота линий напряженности пропорциональна модулю напряженности.

? 5. Объясните, почему линии напряженности электрического поля не могут пересекаться.

Поля точечных зарядов

? 6. Объясните, почему линии напряженности электрического поля положительного и отрицательного точечных зарядов имеют вид, изображенный на рисунках 51.2, а и 51.2, б.

? 7. На рисунке 51.3 изображены линии напряженности поля, созданного одинаковыми по модулю зарядами (разноименными и одноименными). В некоторых точках для наглядности изображены векторы напряженности поля. а) Перенесите рисунки в тетрадь и обозначьте на них знаки зарядов.

б) Изобразите в тетради линии напряженности поля, созданного двумя одноименными зарядами, которое не совпадает ни с одним из приведенных рисунков. в) Чему равна напряженность поля в центральной точке рисунка 51.3, б (в середине отрезка, соединяющего заряды? Поясните ваш ответ с помощью закона Кулона.

Поле равномерно заряженной сферы

На рисунке 51.4 изображены линии напряженности электрического поля равномерно заряженной сферы.

Мы видим, что вне сферы зто поле совпадает с полем точечного заряда, ровного суммарному заряду сферы и расположенного в центре сферы. Можно доказать, что внутри заряженной сферы напряженность поля ровна нулю. (Доказательство этого факта выходит за рамки нашего круга.)

? 8. На сфере радиусом 5 см находится заряд 6 нКл. Чему равна напряженность поля этого заряда: а) в центре сферы? б) на расстоянии 4 см от центра сферы?

в) на расстоянии 10 см от центра сферы? г) вне сферы на расстоянии 1 см от ближайшей к этой точке поверхности сферы?

Однако напряженность электрического поля внутри заряженной сферы не обязательно равна нулю! Если внутри этой сферы находится заряженное тело, то согласно принципу суперпозиции напряженность электрического поля равна векторной сумме напряженности поля, создаваемого зарядом этого тела, и напряженности поля, создаваемого зарядом сферы.

Внутри сферы поле создается только заряженным телом, находящимся внутри сферы, потому что напряженность поля, созданного заряженной сферой, внутри сферы равна нулю. А в любой точке вне сферы напряженность поля можно найти, складывая векторы напряженности поля, создаваемого телом, расположенным внутри сферы, и поля, создаваемого зарядом сферы.

? 9. Имеются две концентрические (имеющие общий центр) сферы радиусом 5 см и 10 см. Заряд внутренней сферы равен 6 нКл, а заряд внешней сферы равен -9 нКл. Чему равен модуль напряженности поля в точке, находящейся от общего центра сфер на расстоянии, равном: а) 3 см; б) 6 см; в) 8 см; г) 12 см; д) 20 см?

Поле равномерно заряженной плоскости

На рисунке 51.5 изображены линии напряженности электрического поля вблизи равномерно заряженной плоской пластины. Будем считать, что размеры пластины намного больше расстояний от нее до тех точек пространства, в которых мы рассматриваем напряженность поля.

В таких случаях говорят о поле равномерно заряженной плоскости.

Напряженность поля равномерно заряженной плоскости практически одинакова (по модулю и по направлению) во всех точках пространства по одну сторону от плоскости. Линии напряженности этого поля представляют собой параллельные прямые, перпендикулярные плоскости и расположенные на равных расстояниях друг от друга. Такое электрическое поле называют однородным.

По другую сторону плоскости изменяется только направление напряженности поля, а ее модуль остается таким же.

? 10. Напряженность электрического поля, создаваемого большой однородно заряженной пластиной, равна 900 Н/Кл. На расстоянии 40 см от пластины находится точечный заряд, равный по модулю 1 нКл.

а) На каком расстоянии от точечного заряда модуль напряженности его поля равен модулю напряженности поля пластины? б) На каком расстоянии от плоскости результирующая напряженность поля плоскости и точечного заряда равна нулю, если знак точечного заряда совпадает со знаком заряда плоскости? Если знак точечного заряда противоположен знаку заряда плоскости?

Поле двух разноименно заряженных плоских пластин

Возьмем две одинаковые равномерно заряженные пластины, заряды которых равны по модулю, но противоположны по знаку. Расположим пластины параллельно друг друту на малом расстоянии друг от друга (рис. 51.6).

? 11. Объясните, почему в пространстве между пластинами напряженность поля в 2 раза больше, чем напряженность поля, создаваемого каждой из пластин, а вне пластин практически равна нулю. Подсказка.

Воспользуйтесь принципом суперпозиции электрических полей.

Как увидеть линии напряженности?

Поставим опыт Поместим в электрическое поле состоящие из диэлектрика мелкие тела продолговатой формы — кристаллики, частицы манной крупы, мелко настриженные волосы и т. п. В электрическом поле они поворачиваются так, чтобы их более длинная сторона была направлена вдоль вектора напряженности поля. В результате эти тела выстраиваются вдоль линий напряженности, делая их форму видимой. На рисунке 51.7 приведены полученные таким образом «картины» электрических полей, создаваемых заряженным шариком (рис. 51.7, а) и двумя разноименно заряженными шариками (рис.

51.7, б).

Дополнительные вопросы и задания

12. Небольшой заряженный шарик массой 0,2 г подвешен на нити в однородном электрическом поле, напряженность которого направлена горизонтально и равна по модулю 50 кН/Кл. а) Изобразите на чертеже положение равновесия шарика и силы, действующие на него. б) Чему равен заряд шарика, если нить отклонена от вертикали на угол 30º?

13. Какова должна быть напряженность поля, чтобы капелька воды радиусом 0,01 мм находилась в этом поле в равновесии, потеряв 103 электронов? Как должна быть направлена напряженность поля?

Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности

Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности

Подробности
Просмотров: 479

«Физика — 10 класс»

Какие две характеристики электростатического поля вы уже знаете? Как они определяются?

Для чего электрическое поле изображают силовыми линиями?

Каждой точке электрического поля соответствуют определённые значения потенциала и напряжённости. Найдём связь напряжённости электрического поля с разностью потенциалов.

Пусть заряд q перемещается в направлении вектора напряжённости однородного электрического поля Е из точки 1 в точку 2, находящуюся на расстоянии Δd от точки 1 (рис. 14.33). Электрическое поле совершает работу

А = qEΔd.

Эту работу согласно формуле (14.19) можно выразить через разность потенциалов между точками 1 и 2:

А = g(φ1 — φ2) = -qΔφ = qU. (14.20)

Приравнивая выражения для работы, найдём модуль вектора напряжённости поля:

В этой формуле U — разность потенциалов между точками 1 и 2, лежащими на одной силовой линии поля (см. рис. 14.33).

Формула (14.21) показывает: чем меньше меняется потенциал на расстоянии Δd, тем меньше напряжённость электростатического поля. Если потенциал не меняется совсем, то напряжённость поля равна нулю.

Так как при перемещении положительного заряда в направлении вектора напряжённости электростатическое поле совершает положительную работу

А = q(φ1 — φ2) > 0,

то потенциал φ1 больше потенциала φ

2.

Напряжённость электрического поля направлена в сторону убывания потенциала.

Любое электростатическое поле в достаточно малой области пространства можно считать однородным.

Формула (14.21) справедлива для произвольного электростатического поля, если только расстояние Δd настолько мало, что изменением напряжённости поля на этом расстоянии можно пренебречь.

Сравним поле силы тяжести и однородное электростатическое поле.

Единица напряжённости электрического поля. Единицу напряжённости электрического поля в СИ устанавливают, используя формулу (14.21).

Напряжённость электрического поля численно равна единице, если разность потенциалов между двумя точками, лежащими на одной силовой линии, на расстоянии 1 м в однородном поле равна 1 В.


Единица напряжённости — вольт на метр (В/м).

Напряжённость, как мы уже знаем, можно также выражать в ньютонах на кулон. Действительно,

Эквипотенциальные поверхности.

При перемещении заряда под углом 90° к силовым линиям электрическое поле не совершает работу, так как электростатическая сила перпендикулярна перемещению. Значит, если провести поверхность, перпендикулярную в каждой её точке силовым линиям, то при перемещении заряда вдоль этой поверхности работа не совершается. А это означает, что все точки поверхности, перпендикулярной силовым линиям, имеют один и тот же потенциал.

Поверхности равного потенциала называют эквипотенциальными.

Эквипотенциальные поверхности однородного поля представляют собой плоскости (рис. 14.34, а), а поля точечного заряда — концентрические сферы (рис. 14.34, б).

Эквипотенциальные поверхности качественно характеризуют распределение поля в пространстве подобно тому, как линии уровня отражают рельеф поверхности на географических картах. Вектор напряжённости перпендикулярен эквипотенциальным поверхностям и направлен в сторону уменьшения потенциала.

Эквипотенциальные поверхности строятся обычно так, что разность потенциалов между двумя соседними поверхностями постоянна. Поэтому согласно формуле (14.21) расстояния между соседними эквипотенциальными поверхностями увеличиваются по мере удаления от точечного заряда, так как напряжённость поля уменьшается.

Эквипотенциальные поверхности однородного поля расположены на равных расстояниях друг от друга.

Эквипотенциальной является поверхность любого проводника в электростатическом поле. Ведь силовые линии перпендикулярны поверхности проводника. Причём не только поверхность, но и все точки внутри проводника имеют один и тот же потенциал. Напряжённость поля внутри проводника равна нулю, значит, равна нулю и разность потенциалов между любыми точками проводника.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский



Электростатика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Что такое электродинамика — Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряд — Закон Кулона. Единица электрического заряда — Примеры решения задач по теме «Закон Кулона» — Близкодействие и действие на расстоянии — Электрическое поле — Напряжённость электрического поля. Силовые линии — Поле точечного заряда и заряженного шара. Принцип суперпозиции полей — Примеры решения задач по теме «Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей» — Проводники в электростатическом поле — Диэлектрики в электростатическом поле — Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле — Потенциал электростатического поля и разность потенциалов — Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности — Примеры решения задач по теме «Потенциальная энергия электростатического поля. Разность потенциалов» — Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсатор — Энергия заряженного конденсатора.8 м/c. Какой должна быть напряженность магнитного поля Н, чтобы при Е=1МВ/м, мюоны не отклонялись от первоначального направления?

Прокомментировали 1 раз

В однородном поле, напряженность которого 40кВ\м, расположили заряд 27нКл. Определите напряженность результирующего поля на расстоянии 9 см от заряда в точках:

а) расположенных на силовой линии однородного поля, которая проходит через заряд
б) расположенных на прямой, которая проходит через заряд перпендикулярно к силовым линиям.

Прокомментировали 1 раз

Пробный точечный заряд Q=5х10(-7 степени) Кл, внесен в точку А электрического поля другого точечного заряда Q=-10(-5 степени) Кл, находящегося в масле. Определить значение и направление напряженности поля E заряда Q в точке A и силы F, действующей на пробный заряд, если расстояние от заряда до точки A составляет 40 см.

Прокомментировали 1 раз

Электрическое поле создано бесконечной плоскостью, заряженной с поверхностной плотностью σ=400 нКл/м2, и бесконечной прямой нитью, заряженной с линейной плотностью τ=100 нКл/м. На расстоянии r=10 см от нити находится точечный заряд Q=10 нКл. Определить силу, действующую на заряд, ее направление, если заряд и нить лежат в одной плоскости, параллельной заряженной плоскости.

Прокомментировали 1 раз

Напряженность Н магнитного поля в центре кругового витка равна 500 А/м. Магнитный момент витка pm=6.0Ам2. Вычислить силу тока I в витке и его радиусе.

Прокомментировали 1 раз

кольцо, радиусом 10 см, находится в однородном магнитном поле, напряженностью 1000 А/м. Плоскость кольца составляет угол 30 градусов с линиями напряженности. Определить величину магнитного потока, пронизывающего кольцо.

Прокомментировали 1 раз

Определить потенциал в центре сферы радиусом 2 см, заряженной с поверхностной плотностью 2.10-8Кл/см2. Построить график зависимости напряженности Е от расстояния до центра сферы.

Прокомментировали 2 раз

Металлическому шару радиусом 30 см сообщен заряд 6 нКл. Определите напряженность электрического поля на поверхности шара. Изобразите графически линии напряженности поля на поверхности шара.

Прокомментировали 1 раз

Диэлектриком в конденсаторе служит парафинированная бумага толщиной 0,15 мм с пробивной напряженностью 15*10^6 Н/Кл. Каково максимально допустимое напряжение, которое можно подвести к конденсатору при запасе электрической прочности 2,25?

Прокомментировали 3 раз

Какую работу надо совершить, чтобы перенести заряд 5 мкКл из бесконечности в точку поля, удаленную от центра заряженного шара на 18 см. Заряд шара 20 мкКл.

Прокомментировали 9 раз

Что такое сила натяжения?

Что означает сила натяжения?

Сила растяжения — это сила, возникающая при приложении нагрузки к одному или нескольким концам материала в направлении, перпендикулярном поперечному сечению материала. Силу натяжения часто называют «тянущей» силой. Нагрузка, приложенная к материалу, должна быть приложена в осевом направлении, чтобы быть силой растяжения.

Силы растяжения, которым подвергается компонент или конструкция, имеют большое значение при выборе материалов, способных выдерживать нагрузки.

Сила натяжения в физике — это сила, возникающая в веревке, струне или кабеле при растяжении под действием приложенной силы. Натяжение действует по длине каната/троса в направлении, противоположном приложенной к нему силе. Напряжение также иногда можно назвать стрессом, напряженностью или натянутостью.

Сила натяжения относится к категории контактных сил, поскольку она может проявляться только при наличии контакта между кабелем и рассматриваемым объектом. Этот тип силы всегда тянет, но никогда не толкает.Уменьшение вытягивания снижает напряжение, а увеличение вытягивания увеличивает напряжение.

Напряжение позволяет передавать силу на относительно большие расстояния.

Corrosionpedia объясняет силу натяжения

Сила натяжения является одной из самых распространенных сил. Для этого многие материалы характеризуются так называемой прочностью на растяжение. Прочность на растяжение помогает разработчикам понять, какое усилие натяжения может выдержать материал.Из того, что известно как предел текучести при растяжении, можно рассчитать величину силы растяжения, которая может вызвать пластическую деформацию материала. По пределу прочности на растяжение можно рассчитать силу растяжения, при которой произойдет разрушение материала.

Силы растяжения встречаются во многих различных приложениях. Одним из примеров силы натяжения является зажим ремня безопасности в автомобиле при ударе. Зажим ремня безопасности должен выдерживать силу тела, толкаемого вперед во время дорожно-транспортного происшествия.Другим примером является менее острый пример силы натяжения, возникающей в подвесном мосту, который постоянно подвергается посадке и разгрузке автомобилей. Если материал кабеля не обладает достаточной прочностью на растяжение, может произойти разрушение моста.

Не существует единой формулы для расчета силы натяжения при любых обстоятельствах. Часто для расчета нормальной силы используется второй закон Ньютона:


Каждый физический объект, находящийся в контакте с другим объектом, оказывает на него некоторую силу, и наоборот.Контактные силы обозначаются разными терминами в зависимости от природы объектов. Если одна из рассматриваемых сил, которая является действующим объектом, представляет собой веревку, трос или цепь, это называется натяжением.

Напряжение — AP Physics 1

Пояснение:

Чтобы найти массу блока 2, нам нужно вычислить еще несколько вещей, например, натяжение веревки.

Для начала нам нужно определить различные силы на нашей диаграмме свободного тела.Для этого мы начнем с блока 1 и будем использовать повернутую систему координат для упрощения. В такой системе ось X будет проходить параллельно поверхности пандуса, а ось Y будет перпендикулярна поверхности пандуса, как показано ниже:

Теперь мы можем определить силы, действующие на блок 1. Вдоль повернутой оси Y сила тяжести, действующая на блок, равна , а сила рампы на блоке — это просто нормальная сила, . Поскольку блок 1 не движется в направлении y, мы можем положить эти две силы равными друг другу.

Теперь, учитывая силы, действующие вдоль повернутой оси x, мы имеем направленную вниз силу, равную . Направляя вверх, мы имеем силу натяжения, а также силу трения.

Формула для расчета силы кинетического трения:

Поскольку мы уже определили нормальную силу, мы можем подставить это выражение в приведенное выше уравнение, чтобы получить:

Теперь мы можем написать выражение для суммарной силы, действующей на блок 1 в направлении x:

Измените приведенное выше выражение, чтобы найти напряжение.

До сих пор мы рассматривали только блок 1. Теперь давайте обратим внимание на блок 2 и посмотрим, какие силы действуют на него. В направлении вниз мы имеем вес блока за счет силы тяжести, который равен . В направлении вверх, как мы видим на схеме, имеем натяжение веревки, . Нам нужно написать выражение, которое говорит нам об общей силе, действующей на блок 2.

Поскольку мы вычислили выражение для напряжения на основе информации о блоке 1, мы можем подставить это выражение в приведенное выше уравнение, чтобы получить:

Теперь переставьте, чтобы найти массу блока 2.

Затем, подставив значения, мы наконец можем вычислить массу блока 2:

Напряжение: сила, возникающая в результате растяжения

Глава 3: Законы движения и силы Ньютона » Напряжение: сила, возникающая в результате растяжения

Сила натяжения

Натяжение или сила растяжения веревки или стойки, возникающая в результате растяжения этого объекта. Узнайте, как подходить к решению различных проблем с напряжением, здесь.

Натяжение (F T ) – тянущая сила, действующая на прядь (т.е. струну) в направлении, противоположном приложенной силе. (Единица измерения: Н)

 

Когда натяжение вверх равно весу вниз

Нет результирующей силы и, следовательно, нет ускорения. Состояние движения сохраняется. Инерция заставляла бы движущийся объект двигаться, а объект в состоянии покоя оставался бы в покое.

  • Статическое равновесие : Когда напряжение вверх равно весу вниз, но объект находится в состоянии покоя (без движения)
  • Динамическое равновесие : когда натяжение вверх равно весу вниз, объект движется с постоянной скоростью

Когда натяжение вверх больше, чем вес вниз
  • Чистая сила ( F чистая ) увеличится
  • Объект ускорится до
  • Величина ускорения будет зависеть от массы ( m ) в соответствии со вторым законом Ньютона ( F net = ma )

Когда натяжение вверх меньше веса вниз
  • Чистая сила ( F чистая ) уменьшится
  • Объект будет ускоряться
  • Величина ускорения будет зависеть от массы ( m ) в соответствии со вторым законом Ньютона ( F net = ma )

Когда натяжение вверх меньше веса вниз, но на горизонтальной поверхности
  • Если объект остановится на горизонтальной поверхности, нормальная сила компенсирует разницу, приводя систему в равновесие
  • Ф Т + Ф Н = -Ф Ш
  • Натяжение и нормальная сила вверх будут равны величине веса вниз.Отрицательное в уравнении, представляющем противоположное направление 90 107

Q2: Какова нормальная сила 15-килограммового предмета, когда он стоит на земле и тянет вверх веревку с натяжением 50 Н?

См. решение

Поскольку объект находится в состоянии покоя, результирующая сила равна нулю. Вес вниз составляет:

F w = мг

F w = (15)(10) = 150 Н вниз

Сила вверх должна быть одинаковой, так как объект находится в состоянии покоя.

Сумма сил = 0, поэтому сила вверх должна равняться силе вниз

Нормальное усилие вверх + натяжение вверх = вес вниз

Ф Н + Ф Т = Ф ш

Ф Н + 50 = 150

F Н = 100 – 50 = 100 Н Вверх

Ответ: 100 N вверх  

 

Натяжение несколькими вертикальными канатами

Когда наверху находится одна веревка, весь вес приходится на эту веревку, а натяжение равно весу.

Когда имеется несколько веревок, направленных вертикально вверх, каждая из них выдерживает одинаковый вес. Чтобы найти это, вы должны разделить вес на количество нитей .

 

Q3: Сюзи, которая весит 650 Н, подвешивается на перекладине, удерживая себя обеими руками горизонтально. Чему равно напряжение в каждой руке?

См. решение

Общий вес 650 Н и два рычага, сила направлена ​​вверх, противодействующая весу вниз.

650/2 = 325 Н вверх

Ответ: 325 N Вверх

 

Разделите на количество веревок для натяжения в каждой, если у вас есть несколько веревок, подвешивающих объект вертикально.

Натяжение под равными углами от вертикали

По мере увеличения угла от вертикали увеличивается натяжение. Напряжение больше всего, когда картина находится в высшей точке анимации и угол (Ө) самый высокий.

Расчет натяжения при равных углах от вертикали

Как решить натяжение под углом при равных углах .

A. Рассчитайте, что каждая веревка должна поднимать по вертикали

B. Найдите гипотенузу для натяжения этой отдельной веревки

Q4: Каково натяжение каждой из двух веревок, удерживающих груз массой 9 кг под углом 35° к вертикали, если смотреть направо

См. решение

Начните с определения веса, который будет поддерживаться веревками:

F W = мг

Ж Ж = (9)(10) = 90

Выясните, что должна поддерживать каждая из веревок:

Натяжение каждой из двух веревок будет 90/2 = 45 Н, если они направлены прямо вверх, поскольку они одинаково поддерживают вес.

Выяснить, что натяжение на самом деле равно:

Постройте прямоугольный треугольник с вертикалью 45 N и найдите гипотенузу:

Cos Ө = Adj/Hyp

Hyp = Adj/(Cos Ө)

Hyp = (45)/(Cos 35)= 54,9 Н

Натяжение каждой веревки должно составлять 54,9 Н

Определение силы натяжения, формула, примеры и закон движения Ньютона

В общем, натяжение относится к силе, передаваемой, когда трос, веревка, проволока или веревка связаны силами, действующими на противоположных концах.Трос направлен в одном направлении по своей длине и одинаково натягивает предметы на обоих концах троса.

Термин «натяжение» может также использоваться для описания сил действия-противодействия, воздействующих на каждый конец двух элементов. Другими словами, растяжение противоположно сжатию.

Физические объекты вынуждены оказывать друг на друга некоторую силу, когда они соприкасаются. В соответствии с видом объекта каждой из этих контактных сил будет присвоено уникальное имя. Кабели, цепи или веревки натягивают объекты, когда их тянут.

Возможна передача силы на заданное расстояние с помощью веревок и тросов, поскольку они эффективно передают силу. Тяговое усилие возникает из-за натяжения, поскольку канаты не могут толкать эффективно. Когда веревку толкают, она ослабевает и теряет натяжение, поэтому больше не может тянуть в исходном положении.

Формула натяжения

Натяжение равно массе объекта × ускорению свободного падения для подвешенных объектов, находящихся в равновесии.

T= мг

T= растяжение, Н, кг-м/с2

m= масса, кг

g= сила тяжести,

Законы Ньютона и сила растяжения

Закон Ньютона применяется к растяжению в конечном заявление. Кабели и веревки обычно используются для передачи силы, вызывающей натяжение. Например, рассмотрим веревку, тянущую блок. Люди, тянущие за один конец веревки, не могут напрямую воздействовать на блок на другом конце, поскольку они не соприкасаются с блоком. Таким образом, веревка действует на блок с силой, которая передается блоку через веревку.Объект, испытывающий силу растяжения, представляет собой блок.

Безмассовые веревки или тросы являются основой классической механики. Безмассовый трос или веревка передают силу одинаково от одного конца к другому. В качестве примера возьмем невесомую веревку. Если человек тянет невесомую веревку с силой 30 Н, то сила натяжения блока будет такой же, как 30 Н. 

Суммарная сила, действующая на невесомую веревку, всегда должна быть равна нулю. Это можно доказать с помощью второго закона Ньютона. Масса безмассовой веревки равна силе, действующей на нее, поэтому результирующая сила, действующая на веревку, вызывает бесконечное ускорение A=F/m и нулевую массу.

Физически невозможно испытать результирующую силу в описанной выше ситуации, поэтому безмассовая веревка не может ее испытать.

Следовательно, все невесомые веревки будут испытывать равные и противоположные силы натяжения. Когда человек тянет за веревку блок, веревка испытывает натяжение от тяги в одном направлении и натяжение от реактивной силы блока в противоположном направлении.

Натяжение в одном измерении

В струне в одном измерении натяжение является скалярной величиной.Напряжение не отрицательное. Когда натяжение равно нулю, струна ослаблена. В отличие от веревок и струн, которые имеют размерность длины, но не имеют поперечного сечения, веревки и струны не имеют массы. Поскольку натяжение вдоль струны постоянно, не будет изгибов, вызванных вибрациями и шкивами, как это происходит при вибрациях и шкивах.

Согласно третьему закону Ньютона, это силы, действующие на концы струны или веревки объектами, к которым прикреплены концы. Когда струна вибрирует, частоты, которые она производит, определяются ее натяжением.Эти частоты получены из закона движения Ньютона.

Три измерения натяжения

Кроме того, натяжение также используется для описания силы, создаваемой концами трехмерных непрерывных материалов, таких как фермы и стержни. Такие стержни разбухают при растяжении.

Напряжение = осевая сила/площадь поперечного сечения

Таким образом, разрушение вызывается как удлинением, так и нагрузкой, поскольку и то, и другое определяется силой, приходящейся на площадь поперечного сечения, а не только силой.Стресс — это матрица 3×3. Он называется тензором.

Напряжение — Видео по физике от Brightstorm

Итак, давайте поговорим о напряжении, что такое напряжение? Натяжение — это межмолекулярная сила, которая существует внутри веревок, веревок и других материалов, за которые можно тянуть, но которые также являются гибкими. Итак, идея заключается в том, что целью натяжения является поддержание целостности струны или веревки. Не эластичный, не рвущийся, хорошо, такой же длины, и он не порвется.Так вот в чем идея, теперь я не могу толкнуть тебя веревкой, хорошо, если у меня есть веревка, которую я пытался на нее толкнуть, она обмякнет. Я могу тянуть только за веревку, а это значит, что всякий раз, когда вы видите веревку или веревку, привязанную к чему-то, она всегда тянет и не может толкнуть. И это кажется очень простой идеей, но вы не поверите, сколько у меня ошибок, когда люди не думают об этом таким образом, и им приходит в голову эта другая идея, а затем все просто неправильно. .

Хорошо, давайте посмотрим, как это работает, поэтому сначала я хочу представить, что у меня есть камень, который я раскачиваю по кругу, вертикальному кругу, вот так, хорошо, и я хочу определить, каково натяжение этой веревки. когда камень находится внизу и когда камень находится наверху круга. Итак, давайте сначала сделаем нижнюю часть, ну, конечно, мы начнем со свободной диаграммы тела, я имею в виду, господи, что мы идиоты? Итак, мы начнем с диаграммы свободного тела и скажем, хорошо, а как насчет ускорения? Какое ускорение испытывает этот камень на дне? Ну, у него должно быть ускорение к центру круга, равное v в квадрате над r.И это потому, что он движется по кругу, что вы хотите. Итак, у вас есть ускорение, которое в данном случае увеличивается, и оно равно v в квадрате относительно r. Таким образом, это означает, что натяжение минус mg должно быть ma, m v в квадрате на r, так что мы получаем натяжение веса плюс mv в квадрате на r, так что в нижней части круга натяжение на самом деле больше, чем вес.

Хорошо, что происходит наверху? Ладно, вот тут люди и запутались. Хорошо вверху, где струна, ну вот так, так в каком направлении сила натяжения? Нити могут только тянуть, она тянет вниз, она больше ничего не может делать, эта нить не может толкнуть ее вверх, ладно, струна просто обмякнет, прежде чем сделает это.Итак, вверху у нас есть сила натяжения, действующая вниз, а как насчет веса? Сейчас вес растет? Нет, вес всегда действует вниз к центру земли. Итак, это какая-то странная диаграмма свободного тела, все тянут вниз, ну и ускорение тоже падает. V в квадрате над r точно так же, как и раньше, за исключением того, что в этом случае он направлен вниз, потому что он должен быть направлен к центру круга. Итак, что у нас есть, ну, у нас есть напряжение плюс мг должно равняться ма.Таким образом, это означает, что напряжение равно mv в квадрате относительно r минус mg, хорошо, теперь это проблема, этот знак минус означает, что это могло быть так, что это напряжение было отрицательным.

Но что бы это значило? значит ли это, что я пытаюсь нажать на строку? Вам не разрешено толкать веревкой, которую вы можете тянуть за веревку, так что это означает, что это натяжение должно быть положительным. Это означает, что скорость должна быть больше квадратного корня из r, умноженного на g. Это минимальная скорость, с которой вы можете заставить камень двигаться по этому кругу, если вы попытаетесь двигаться медленнее, он поднимется до определенной точки, а затем веревка просто упадет, и тогда она победит. Я не доберусь до вершины, потому что для этого недостаточно скорости.Итак, это идея, давайте рассмотрим другую задачу, связанную со строкой. Итак, здесь у меня есть масса m и масса в половину m, масса m находится на столешнице без трения, а масса в половину m тянет вниз вот так, и две массы связаны струной, которая проходит по шкиву.

Итак, для чего нужен шкив? идеальный блок не делает ничего, кроме изменения направления натяжения, что является единственной целью, так что здесь натяжение натягивается в эту сторону, потому что там есть струна, которую нужно тянуть правильно.Здесь в каком направлении напряжение? Хорошо, это еще одно место, где я видел много ошибок, когда люди смотрят на струну, и они такие: «Боже, натяжение идет в этом направлении, поэтому натяжение всегда должно идти в этом направлении, оно должно давить вниз». Но нет, тебе нельзя толкать веревкой. Вы можете только тянуть, так что напряжение, должно быть, тянет этого парня, в противоположных направлениях, но вы не можете спорить со струной, которая не может толкать, она может только тянуть. Итак, давайте нарисуем несколько диаграмм свободного тела, чтобы попытаться определить ускорение этой системы.Итак, у нас есть 2 объекта, у нас есть масса m и масса в половину m, хорошо, так что давайте посмотрим на массу m. Хорошо, какие силы действуют на него, ну, боже, у него есть вес, как и у всех, он также лежит на столе, теперь стол не хочет, чтобы он провалился сквозь него, поэтому стол приложит к нему обычную силу, чтобы толкнуть его вверх. Помните, что цель обычной силы — поддерживать целостность твердого объекта, чтобы вы давили на него, а он сопротивлялся.

Итак, у нас будет нормальная сила, которая должна быть достаточно большой, чтобы гарантировать, что на стол не будет ускорения, а затем у нас есть сила, действующая таким образом, напряжение t хорошо, так что у нас есть это напряжение это внутри этой строки.Так как же это натяжение t связано с натяжением, действующим на половину m? Хорошо, давайте посмотрим, хорошо, на половине м мы, конечно, получили наш вес 1 полмг, а что насчет силы натяжения. Что ж, это определенно будет капризничать, и какова связь между этим напряжением и этим напряжением? Ну, они явно в разных направлениях, но они связаны с одной и той же силой. Идеальные струны таковы, что натяжение в них должно быть одинаковым. Теперь это на самом деле не так в настоящих струнах, потому что здесь натяжение будет немного выше внизу, извините, здесь вверху, потому что натяжение должно выдерживать вес струны.

Но вы знаете, какие струны не очень много весят, давайте просто проигнорируем это. Итак, что мы сделаем, так это скажем, что это сила t той же величины, что и эта. Хорошо, что насчет ускорения, чего мы ожидаем, я имею в виду, что мы ожидаем, что эта масса пойдет вправо, а эта масса упадет. Итак, у нас будет ускорение здесь, и у нас будет ускорение здесь. Итак, какова связь между этими двумя ускорениями? Ну, длина строки не может изменяться, мы называем строку нерастяжимой.Итак, он не может изменить свою длину, а это значит, что если эти ребята ускоряются, они должны ускоряться с той же скоростью. Итак, эти ускорения должны иметь одинаковую величину, так что давайте посмотрим, что происходит.

Хорошо, второй закон Ньютона, эти две силы сокращаются, так что я мог бы даже не записывать их. Я хотел быть корректным, поэтому написал их, но при нормальных силах вес просто аннулируется, потому что никакого ускорения по вертикали быть не может. Хорошо, а что по горизонтали? Что ж, у нас будет t, равное ma, это достаточно просто, а затем у нас будет половина mg минус t, равное половине m, умноженному на a.Хорошо, эти два уравнения очень легко решить, я собираюсь показать вам хорошую технику, все, что мы собираемся сделать, это взять эти два уравнения и сложить их вместе, мы можем конечно делай так. Я имею в виду, что если это правда, а то правда, то их сумма тоже будет правдой. Посмотрите, что в этом прекрасного: напряжение уменьшится, а это значит, что у нас будет половина мг, равная, и давайте сложим эти два вместе, мы получим половину плюс один.Ну, это 3 половины ma, но посмотрите, как красиво это m отменяет 2 отменяет a составляет одну треть ускорения из-за силы тяжести. Таким образом, эта система будет ускоряться на одну треть от ускорения свободного падения.

Теперь, если бы мы захотели, мы могли бы определить натяжение, просто сказав, что натяжение в m раз превышает ускорение свободного падения, поэтому натяжение составит 1 треть мг, 1 треть скорости этой массы. Хорошо, давайте сделаем еще одну ситуацию, и это стандартная ситуация со шкивами.У нас есть система шкивов, у нас есть 2 шкива, мы прикрепили этот к потолку, а затем намотали веревку, прикрепили ее к нижней части этого шкива и пропустили вокруг этого шкива. Затем мы прикрепили этот шкив к массе, мы хотим знать, с какой силой я должен тянуть, чтобы поддерживать эту массу. Итак, давайте продолжим и сначала определим, каким будет натяжение этой струны?

Теперь помните, что эта струна состоит из одной струны, что означает, что ее натяжение должно быть одинаковым повсюду.Ну, здесь я натягиваю f, а это значит, что натяжение этой струны должно быть f на всем протяжении. Хорошо, давайте нарисуем свободную диаграмму этого шкива. Хорошо, хорошо, какая сила тянет этот шкив вниз? Ну, мне кажется, что натяжение 2 равно, хорошо, теперь натяжение 2, конечно, просто равно мг, потому что оно должно поддерживать вес этого парня. Итак, это всего лишь мг, а вот и сложная часть. Какая сила действует на этот шкив? Ну, веревка здесь, а струны могут только тянуть, так что она должна быть натянута, но струна тоже здесь.Теперь это странная часть, которая сбивает людей с толку, и они думают, что нитка не может потянуться дважды, да, может, струна может потянуться дважды, и так и будет. Он прикреплен здесь, и он прикреплен здесь, так что он тянется с обеих сторон. Итак, это означает, что у меня снова есть f и f, а это значит, что удвоение f в равновесии должно равняться мг. Это означает, что сила, которую мне нужно приложить, составляет только половину веса того, что я пытаюсь удержать. По сути, используя эту систему шкивов, я удвоил свою силу, верно? Итак, я поддерживаю что-то, что в два раза тяжелее, чем сила, которую мне нужно приложить, чтобы поддержать это.

Хорошо, и это идея системы шкивов в целом, вы умножаете силу на количество шкивов, здесь у нас 2 шкива [IB] умножьте на 2. Если бы у нас было 50 шкивов, мы бы умножили на 50 нормально. Еще одна очень быстрая вещь, давайте определим, что это за напряжение прямо здесь. Итак, что касается натяжения, мы собираемся нарисовать диаграмму свободного тела этого вверху нашего шкива, так что натяжение 1 вверх, что тянет вниз? Хорошо еще раз, когда вы видите веревку, которую она тянет, хорошо, она тянет.Ну, я вижу веревку, я вижу 1 там, 1 там и 3 натяжения, стягивающих этого парня, так что это будут 1, 2 и 3, f, f и f. Это означает, что натяжение 1 должно быть 3f, что составляет 3 половины мг.

По сути, так решается любая проблема со шкивом, все они очень-очень просты, как только вы поймете, что струны могут только тянуться, и это натяжение.

сил натяжения — Nexus Wiki

Твердые вещества (и, в меньшей степени, жидкости) сохраняют целостность, даже если вы пытаетесь их разорвать.Феноменологически мы получили пример куска твердой материи, который реагирует на разрыв растяжением (пружина). Гибкие твердые тела, например струны, можно использовать для передачи сил от одного объекта к другому. Например, мы можем привязать веревку к крючку на коробке и тянуть за веревку, чтобы потянуть коробку, ожидая, что веревка передаст силу, которую мы прикладываем к веревке, на коробку. Чтобы увидеть, как это работает, давайте посмотрим на диаграмму свободного тела строки.

Если мы потянем за один конец веревки, а веревка прикреплена к коробке, коробка удержит веревку натянутой, натянув другой конец.Если струна не меняет своей скорости, то из 2-го закона Ньютона мы знаем, что результирующая сила, действующая на струну, должна быть равна 0, поэтому натяжение на обоих концах струны будет одинаковым.

Чтобы понять, что происходит внутри струны, давайте рассмотрим простую модель струны: цепочку. (Действительно, струна состоит из намотанных вместе волокон, действующих друг на друга за счет трения, но цепь дает более простую картину и качественно правильна.)

Простая модель натяжения: Цепь

Чтобы увидеть, как это работает, давайте рассмотрим простую модель соединенных кусочков материи — звенья цепи, туго натянутые парой рук (не показаны), тянущих в противоположных направлениях — как схематично показано с несколькими звеньями на рисунке ниже. .

Если цепь покоится, то каждое звено должно ощущать результирующую силу, равную 0. Рассмотрим диаграмму свободного тела звеньев 1, 2 и 3. Руки тянут цепь влево и вправо с силой величины T

Попеременно используя N2 и N3 мы можем узнать все силы на каждом звене цепи.

  • Сила левой руки, тянущей вправо L1, по определению равна T.
  • Поскольку L1 не движется (и не ускоряется), по N2 T 2→1 должно быть равно и противоположно T LH→1 , поэтому L1 одинаково тянет в обоих направлениях с силой T.
  • Переходим к ссылке 2, так как T 2→1 и T 1→2 являются одним и тем же типом силы и имеют противоположные индексы, они представляют собой N3 пары. Значит, они тоже имеют одинаковую величину.
  • Так как L2 не движется (и не ускоряется), то N2 T 3→2 должно быть равно и противоположно T 1—>2 , поэтому L2 тянет одинаково в обоих направлениях с силой T.
  • Переходим к ссылке 3, так как T 3→2 и T 2→3 являются одним и тем же типом силы и имеют противоположные индексы, они представляют собой N3 пары.Значит, они тоже имеют одинаковую величину.

Мы можем пробежаться по цепи таким образом, чередуя N2 (силы, действующие на определенное звено) и N3 (силы, которые два звена действуют друг на друга), чтобы увидеть, что каждое звено в цепи тянется в обоих направлениях под действием та же сила Т, что и на концах. Вот как сила на одном конце передается вниз по цепи.

Если мы рассмотрим струну (волокно) и ее внутреннюю часть, как показано на рисунке ниже, мы увидим, что тот же аргумент будет справедлив.Таким образом, каждая часть нити натягивается одинаково и в противоположных направлениях с одной и той же силой.

Векторные и скалярные напряжения

Мы говорили о «напряжении» как о силе, вытягивающей объект наружу. Но в случае струны или цепи, хотя силы натяжения равны и противоположны, в натянутой струне или цепи важно то, что каждая ее часть тянется в противоположных направлениях с одной и той же силой. Для внутренних частей струны или цепи нет чистой силы, но есть своего рода «внутренняя беснаправленная сила».»  Поскольку у него нет направления, на самом деле это не сила, но, тем не менее, это что-то важное.  Представьте, что ваши руки тянутся в двух противоположных направлениях.  Даже если вы никуда не уходите, вы знаете об этом! 

К сожалению, по традиции используется одно и то же слово — напряжение — для обозначения равного внутреннего притяжения в противоположных направлениях. Когда вы читаете слово «напряжение», обратите внимание, имеется ли в виду сила с направлением или это «внутреннее» напряжение без направления.Так как величина без направления называется скаляром,  в отличие от величины с направлением, подобным силе, — вектором , то эти понятия можно было бы различать, называя их «скалярным натяжением» и «векторным натяжением», но, увы , это не стандартная практика.

Безмассовые струны

Если наша струна или цепь НЕ находится в состоянии покоя и не движется с постоянной скоростью, то она должна удовлетворять закону Ньютона: ее ускорение должно возникать в результате ощущения неуравновешенной силы.НО, поскольку мы часто соединяем наши струны с объектами, которые намного массивнее, чем они есть на самом деле, разница векторов натяжения, необходимая для ускорения струны, обычно намного меньше, чем натяжение, необходимое для ускорения объекта, к которому она прикреплена. В результате мы обычно предпочитаем игнорировать массу струн, которые используем для передачи сил. Когда нам это удается, мы говорим об использовании «безмассовых струн».

В случае, когда масса струны мала и ею можно пренебречь (по сравнению с другими массами в задаче), натяжения на обоих концах струны должны быть равными.{net}/m$, если масса очень мала, вам нужна только небольшая результирующая сила, чтобы произвести большое ускорение.)

Джо Редиш 26.09.11

Видео-урок: Силы натяжения | Нагва

Стенограмма видео

В этом видео мы поговорим о силе натяжения. Это силы, которые передается на объекты через такие вещи, как веревки, тросы или цепи. Мы собираемся узнать о напряжении силы в двух разных условиях: во-первых, когда объекты находятся в равновесии и, во-вторых, когда они ускоряются.

Итак, мы упомянули, что напряжение силы всегда являются передаваемыми силами. Под этим мы подразумеваем, что они всегда сообщаются такими предметами, как, например, вот эта веревка. Прямо сейчас эта веревка закреплена на один конец и свободный на другом. Но если бы мы взяли бесплатно конец и потяните за него, мы установим натяжение этой веревки. Мы можем лучше понять это натяжение с учетом действующих здесь горизонтальных сил.

Во-первых, есть сила, которую мы проявляя. Мы можем назвать это 𝐹 pull, и мы знаю, что действует налево. Но мы знаем, так как наша веревка не перемещая, что это не единственная горизонтальная сила, действующая на него. Стена, к которой привязана веревка, также прилагая силу, равную по величине, но противоположную по направлению нашему притяжению. Так что наша веревка находится в равновесии, даже хотя на него действуют силы, растягивающие его, и поэтому он находится под напряжение.

Напряжение может быть немного сложным понять, потому что, как и в случае с этой веревкой, она действует в каждой точке на веревка. В любом месте на веревке тогда, скажем вот этот, сила нашего притяжения и сила стены будут передается по нашей веревке, а это означает, что эти две силы будут эффективно действующий в этой или любой другой точке веревки. Вот что мы имеем в виду, когда говорим это напряжение включает в себя передачу сил.Все это может вызвать вопрос хотя: тогда, что такое напряжение, мы часто представляем его с большой буквы 𝑇, в этом веревка? Это равно 𝐹 тянуть плюс 𝐹 стена или что-то другое? Этот вопрос указывает нам на то, что мы узнали ранее, связано со вторым законом движения Ньютона.

Напомним, что этот закон говорит нам, что чистая сила, действующая на некоторый объект с массой 𝑚, равна массе этого объекта умножить на его ускорение.Из этого уравнения мы можем прийти на пару важных последствий. Во-первых, если объект ускорение равно нулю, то есть оно находится в равновесии, то результирующая сила, действующая на него, должна также быть нулевым. И тогда так же верно, что если объект имеет ненулевое ускорение, он также имеет ненулевую результирующую силу. Это в основном два опции. Либо система есть, либо нет равновесие. Все это полезно, когда мы учимся напряжения, потому что для данного сценария мы можем классифицировать его либо как равновесный, либо как неравновесный.Что расскажет нам о силах что может быть задействовано.

Возвращаясь к нашему примеру этого веревки, мы видим, что в этом случае мы работаем с равновесным сценарием. Веревка не ускоряется; а также следовательно, второй закон Ньютона говорит нам, что результирующая сила, действующая на него, равна нулю. Чтобы увидеть это немного яснее, давайте нарисуем диаграмму свободных тел сил, действующих в этой точке нашего эскиза. Если мы смоделируем это место как точку, мы знаем, что есть сила стены, действующая на эту точку на правильно.И поскольку наша система находится в равновесия, мы знаем, что это не единственная сила. Наряду с этим существует сила веревки, тянущейся влево. Это сила напряжения. И теперь мы видим, что это должно быть равна по величине, но противоположна по направлению силе воздействия стены на веревка.

Итак, отвечая на наш вопрос, что есть натяжение этой веревки, величина этого натяжения равна величине силы стены на веревке, которая также равна величине нашего сила тяги.Теперь это частично отвечает нашему вопрос в том, какое натяжение в тросе, но не полностью. Это потому, что напряжение, как и любое сила, является вектором, имеющим как величину, так и направление. Мы ответили, какая величина напряжение есть. Но теперь, как это действует?

Интересно, ответ на этот вопрос зависит от того, где вдоль веревки мы ищем. В том месте, где веревка крепится к стене, сила натяжения действует слева, противодействуя силе стена на веревке.Но если бы мы создали свободное тело диаграмме здесь, где наши руки хватаются за веревку, то в этом случае мы имеем 𝐹 подтягивание влево и натяжение вправо. Таким образом, чтобы ответить на вопрос в в каком направлении действует сила натяжения, надо рассматривать конкретную точку вдоль веревки. С другой стороны, если мы только хотим решить величину силы натяжения, тогда мы можем найти ее где угодно и ответ тот же.

Теперь, когда мы рассмотрели сценария равновесия, давайте рассмотрим другую ситуацию, когда объекты не в равновесии. Представим, что у нас есть два неравных массы 𝑚 один и 𝑚 два, и что они связаны шнуром. А потом сказать, что другой шнур прикрепленный к другой стороне 𝑚 один тянется с силой 𝐹. Учитывая все это и предполагая, что два шнура имеют незначительную массу, и что поверхность, по которой перемещаются массы, равна идеально гладкой, мы хотим найти два напряжения 𝑇 два и 𝑇 один.Если бы это был вопрос упражнения, первое, что мы хотели бы выяснить, — ускоряются ли наши объекты или не. И это связано с тем, силы, действующие на объект, уравновешиваются.

А как насчет 𝑚 один и 𝑚 два? Мы знаем, что 𝑚 человек испытывает эта сила 𝐹, которая опосредована вот этим шнуром. Тогда мы спрашиваем себя, есть ли любая сила, действующая на 𝑚 слева? Мы знаем, что наша поверхность идеально гладкая, поэтому сила трения отсутствует.Мы видим, однако, этот шнур здесь с напряжением, которое мы назвали 𝑇 два. Этот шнур обеспечит сила натяжения, действующая влево на массу 𝑚 единица, потому что она эффективно тянет по массе 𝑚 два.

Есть что-то очень важное, однако, мы должны осознавать эту силу натяжения 𝑇 два. Эта сила, отличная от нуля, равна то, что мы можем назвать внутренней силой. То есть, если мы думаем о нашей системе так как эти две массы и две веревки, то 𝑇 два тянут одну часть нашей системы в одном направлении, а другой частью системы в противоположном направлении.И эти тяговые величины, силы этих сил равны. Тогда для системы существует только задействована одна внешняя сила. И, следовательно, чистая сила на система отлична от нуля, поэтому она должна ускоряться. Чтобы понять, какое ускорение нашей системы в целом, мы должны учитывать ее общую массу и общий внешний сил, действующих на него.

Начиная с сил, если мы думать только в горизонтальном направлении, то есть пренебрегая силой тяжести, которая вертикальна, то единственной внешней силой, действующей на эту систему, как мы уже говорили, является сила 𝐹.Но тогда как эта сила действует на система? Что ж, мы видим, что об этом сообщает этот шнур, который находится под натяжением, мы называем 𝑇 одним. Механизм, с помощью которого сила 𝐹 фактически воздействует на систему, то через этот шнур, который находится под этим напряжение. Таким образом, мы можем сказать, что напряжение равно на 𝐹, что по второму закону Ньютона равно массе нашей системы, равной 𝑚 один плюс 𝑚 два, умноженное на общее ускорение системы.

Итак, теперь у нас есть выражение для сила натяжения 𝑇 один. Но помните, мы также хотели решить для силы натяжения 𝑇 два. У нас может возникнуть соблазн подумать, что 𝑇 два по величине равно 𝑇 единице. Но если бы это было так, то если бы мы должны были нарисовать диаграмму свободных тел сил, действующих на 𝑚 один, эти горизонтальные силы сократятся. Это не ускорит. Однако мы знаем, что 𝑚 ускорьтесь вправо, как и 𝑚 two, который прикреплен к нему.Чтобы решить для 𝑇 два, которые мы называется внутренней силой, когда мы рассматривали нашу систему как две массы и два шнура, то, что мы собираемся сделать, это на мгновение переопределить, что представляет собой наша система.

Сейчас мы просто рассмотрим масса 𝑚 два и напряжение 𝑇 два. Это, можно сказать, наша новая система. И применим второй закон Ньютона к этому. Думая таким образом, единственный задействованная горизонтальная сила — это сила натяжения 𝑇 два.Так что это должно быть равно массе нашей системы, которая равна массе 𝑚 два, умноженной на ее ускорение. Теперь обратите внимание, что мы сказали, что ускорение массы 𝑚 два такое же, как ускорение массы 𝑚 один. Это правда, потому что, как 𝑚 один движется и соединен шнуром с 𝑚 двумя, 𝑚 два должны ускоряться одновременно показатель. Итак, учитывая эти два выражения для двух разных натяжений, обратите внимание, что они не равны, но что для масс, связанных шнурами или веревками, подобными этой, ускорения масс равны.

До сих пор мы рассматривали только силы натяжения, действующие в горизонтальном направлении. Но мы также можем посмотреть вертикально. Мы можем очистить место на экране а затем скажем, что мы рисуем здесь линию, которая представляет собой поверхность потолка. С этой поверхности мы используем веревку с пренебрежимо малой массой, чтобы подвесить массу 𝑚. Если мы назовем натяжение этой веревки 𝑇 один, что, интересно, это напряжение? Еще раз, мы можем начать с учитывая, является ли это равновесным или неравновесным сценарием.Так как наша масса просто висит там стационарно, это равновесный сценарий, что означает результирующую силу участвующие в этой массе должны быть равны нулю. Это полезно знать, потому что в настоящее время единственная сила, которая, как мы видим, действует на него, — это сила натяжения от этого веревка.

Если мы смоделируем эту массу как точку, мы мог видеть, что сила натяжения действует вверх. Так что должно быть какое-то действующая вниз сила, которая уравновешивает его.И действительно есть. Это сила веса этой массы, 𝑚 раз 𝑔. Так что здесь сила натяжения уравновешивается вне силы тяжести. А теперь представьте, что мы добавляем два более одинаковых масс подвешивать к первой еще на двух безмассовых веревках. Если мы это сделаем, это уже не случай, когда 𝑇 единица равна и противоположна 𝑚𝑔. В этой обновленной ситуации каждый из задействованные канаты имеют собственную силу натяжения. Мы назвали их 𝑇 один, 𝑇 два, и 𝑇 три.

Чтобы решить эти три напряжения силы, можно начать с рассмотрения только наименьшей массы и веревки. прикреплен к нему. Если бы мы рисовали свободное тело диаграмма только этой массы, на самом деле она будет очень похожа на ту, которую мы нарисовали ранее. Там вертикально вниз сила 𝑚 умноженная на 𝑔, сила веса, действующая на эту массу. И затем, поскольку эта система является равновесия, существует равная и противоположная сила, в данном случае сила натяжения 𝑇 три.Это означает, что мы можем написать, что величина силы натяжения 𝑇 три равна 𝑚 умноженной на 𝑔.

Зная это, давайте расширим наши определение системы для включения двух нижних масс. Если бы мы рисовали свободное тело диаграмму сил, действующих на эту вторую по величине массу, то у нас было бы число один сила веса второй второй по наименьшей массе 𝑚 раз 𝑔. Но тогда вместе с этим мы бы имеют силу веса самой низкой массы, которая также в 𝑚 раз 𝑔.И снова, поскольку наша система находится в равновесие, должна быть равная и противоположная сила, действующая вверх. Это, как мы видим из нашей схемы, сила натяжения 𝑇 два. Итак, мы можем тогда написать, что величина 𝑇 два равна удвоенному 𝑚 умноженному на 𝑔.

И, наконец, мы можем придумать система всех трех масс вместе. В этом случае наша диаграмма свободного тела сил, действующих на самую верхнюю массу, здесь будут включать три вектора, указывающих вниз, каждая по величине 𝑚 раз 𝑔.Здесь равные по величине, но противоположная по направлению сила, которая уравновешивает их всех, 𝑇 одна. Тогда величина этого напряжения в три раза 𝑚 раз 𝑔. Мы видим тогда, что при изучении силы натяжения, двумя полезными инструментами являются второй закон Ньютона и закон свободного тела. диаграммы. Зная все это, давайте теперь некоторая практика этих идей через пример.

Два одинаковых объекта соединены друг к другу веревкой, как показано на схеме.Вторая веревка связана с одной объектов. Массы канатов равны незначительный. Через короткое время после постоянной силы 𝐹 приложен к концу второй веревки, оба объекта равномерно ускоряются в направление 𝐹 по гладкой поверхности. Напряжение 𝑇 производится в веревка, к которой приложена сила, и в веревке создается натяжение 𝑇 два. соединяет объекты. Какое из следующих утверждений правильно представляет отношение между 𝑇 один и 𝑇 два?

Прежде чем мы рассмотрим эти утверждения, давайте посмотрим на нашу диаграмму.Мы видим здесь две массы, которые мы сказанные идентичны, связаны этой веревкой. Тогда здесь есть еще одна веревка, к концу которого приложена постоянная сила 𝐹, направленная вправо. Нам говорят, что под этим влиянием что оба тела равномерно ускоряются в этом направлении. И обратите внимание, что нет трения сила, противодействующая этому ускорению, потому что нам говорят, что движение происходит через гладкая поверхность. Итак, у нас есть две веревки, одна под натяжение 𝑇 одно и другое под натяжением 𝑇 два.И мы хотим выбрать, что отношение правильно описывает их.

Вот наши варианты. (A) 𝑇 один равен 𝑇 двум, (B) 𝑇 один равен 𝑇 два разделить на два, (C) 𝑇 один плюс 𝑇 два равно нулю, (D) 𝑇 один равно два раза 𝑇 два.

Вот как мы можем думать об этом сценарии. По сути, у нас есть система, в которой эта система состоит из этих двух одинаковых масс в двух веревках. У нас есть внешняя сила 𝐹 существо применяется к системе и вызывает ее ускорение.Это может напомнить нам Ньютона. второй закон движения, который говорит нам, что результирующая сила, действующая на объект массы 𝑚 равно этой массе, умноженной на ускорение объекта. Теперь, в нашем случае, если мы подумаем только сил, действующих в горизонтальном направлении, можно сказать, что имеется одна внешняя сила, действующая на нашу систему. Это сила 𝐹. Эта сила передается через первую веревку и затем тянет за собой первую массу, затем передается через вторую и тянет за собой вторую массу.

Таким образом, эта сила равна тянем всю нашу систему, обе массы и обе веревки. Следовательно, 𝐹 равно нашему масса системы, умноженная на ее ускорение. Теперь нам говорят, что две веревки в нашем сценарии безмассовые, но нам не говорят массы этих двух объекты. Однако мы знаем, что они идентичный. Итак, просто чтобы дать им имя, давайте говорят, что у каждого из них есть масса 𝑚. Это означает, что общая масса наша система в два раза 𝑚.Опять же, масса наших веревок считается нулевым. Итак, если мы назовем ускорение наши два объекта 𝑎, то мы можем сказать, что 𝐹 равно удвоенному 𝑚 умноженному на 𝑎.

Но тогда, глядя на нашу диаграмму, мы видим, что эта сила 𝐹 приложена к концу нашей первой веревки. И поэтому напряжение в этом каната равна приложенной силе. Это означает, что мы можем написать, что два раз 𝑚 раз 𝑎 также равно 𝑇 единице.Поскольку мы не знаем 𝑚 или 𝑎, мы не могу вычислить числовое значение для 𝑇 one. Но все, что мы хотим сделать, это сравнить его к другой силе натяжения 𝑇 два, чтобы получить выражение для этой переменной. Вместо того, чтобы рассматривать наши два массы и две веревки, давайте просто рассмотрим вторую массу и веревку под напряжение 𝑇 два. Сосредоточившись здесь, мы можем сказать, что 𝑇 два — единственная горизонтальная сила, действующая на эту вторую массу.И поэтому по секунде Ньютона по закону, она равна массе этого объекта, которая равна 𝑚, умноженной на его ускорение 𝑎.

И обратите внимание, что этот объект ускорение равно ускорению всей системы. Это потому, что обе наши массы двигаться вместе и ускоряться одинаково. Мы видим, что сила натяжения 𝑇 два равно этой неизвестной величине 𝑚 умноженной на 𝑎 и что сила натяжения 𝑇 один равен удвоенному тому же самому количеству.Итак, если мы заменим здесь 𝑚 раз 𝑎 с 𝑇 два, что равно этому произведению, то мы находим, что дважды 𝑇 два равно равно 𝑇 единице. И мы видим, что это соответствует выбор ответа (D). Правильные отношения между Эти две силы натяжения заключаются в том, что 𝑇 один равен двум, умноженным на 𝑇 два.

Подведем итог тому, что мы узнали о силе натяжения. На этом уроке мы узнали, что натяжение — это сила, передаваемая по веревкам, шнурам, струнам и т. д.Силы натяжения являются реакцией на другие силы, такие как сила тяжести или натяжение конца веревки. Напряжение может возникнуть в любом равновесное, т. е. ускорение равно нулю, или неравновесное, т. е. ненулевое ускорение — сценарии.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.