Элементарный учебник физики Т2
Элементарный учебник физики Т2
ОглавлениеИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮГлава I. Электрические заряды § 1. Электрическое взаимодействие. § 2. Проводники и диэлектрики. § 3. Разделение тел на проводники и диэлектрики § 4. Положительные и отрицательные заряды § 5. Что происходит при электризации? § 6. Электронная теория. § 7. Электризация трением. § 8. Электризация через влияние. § 9. Электризация под действием света. § 10. Закон Кулона. § 11. Единица заряда. Глава II. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ § 12. Действие электрического заряда на окружающие тела. § 13. Понятие об электрическом поле. § 14. Напряженность электрического поля. § 16. Электрическое поле в диэлектриках и в проводниках. § 17. Графическое изображение полей. § 18. Основные особенности электрических карт. § 19. Применение метода линий поля к задачам электростатики. § 20. Работа при перемещении заряда в электрическом поле.  § 21. Разность потенциалов (электрическое напряжение). § 22. Эквипотенциальные поверхности. § 23. В чем смысл введения разности потенциалов? § 24. Условия равновесия зарядов в проводниках. § 25. Электрометр. § 26. В чем различие между электрометром и электроскопом? § 28. Измерение разности потенциалов в воздухе. Электрический зонд. § 29. Электрическое поле Земли. § 30. Простейшие электрические поля. § 31. Распределение зарядов в проводнике. Клетка Фарадея. § 32. Поверхностная плотность заряда. § 33. Конденсаторы. § 34. Различные типы конденсаторов. § 35. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. § 36. Диэлектрическая проницаемость. § 37. Почему электрическое поле ослабляется внутри диэлектрика? § 38. Энергия заряженных тел. Энергия электрического поля. Глава III. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК § 39. Электрический ток и электродвижущая сила.  § 41. Направление тока. § 42. Сила тока. § 43. «Скорость электрического тока» и скорость движения носителей заряда. § 44. Гальванометр. § 45. Распределение напряжения в проводнике с током. § 46. Закон Ома. § 47. Сопротивление проводов. § 48. Зависимость сопротивления от температуры. § 49. Сверхпроводимость. § 50. Последовательное и параллельное соединение проводников. § 51. Реостаты. § 52. Распределение напряжения в цепи. § 53. Вольтметр. § 54. Каким должно быть сопротивление вольтметра и амперметра? Глава IV. ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА § 56. Нагревание током. Закон Джоуля-Ленца. § 57. Работа, совершаемая электрическим током. § 58. Мощность электрического тока. § 59. Контактная сварка. § 60. Электрические нагревательные приборы. Электрические печи. § 61. Понятие о расчете нагревательных приборов. § 62. Лампы накаливания. § 63. Короткое замыкание. § 64.  Электрическая проводка.Глава V. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРОЛИТЫ § 65. Первый закон Фарадея. § 66. Второй закон Фарадея. § 68. Движение ионов в электролитах. § 69. Элементарный электрический заряд. § 70. Первичные и вторичные процессы при электролизе. § 71. Электролитическая диссоциация. § 72. Градуировка амперметров при помощи электролиза. § 73. Технические применения электролиза. Глава VI. ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ТОКА § 74. Введение. Открытие Вольты. § 75. Правило Вольты. Гальванический элемент. § 76. Как возникают э. д. с. и ток в гальваническом элементе? § 77. Поляризация электродов. § 78. Деполяризация в гальванических элементах. § 79. Аккумуляторы. § 80. Закон Ома для замкнутой цепи. § 81. Напряжение на зажимах источника тока и э. д. с. § 83. Термоэлементы. § 84. Термоэлементы в качестве генераторов.  § 85. Измерение температуры с помощью термоэлементов. Глава VII. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ МЕТАЛЛЫ § 86. Электронная проводимость металлов. § 87. Строение металлов. § 88. Причина электрического сопротивления. § 89. Работа выхода. § 90. Испускание электронов накаленными телами. Глава VIII. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ГАЗЫ § 91. Самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов. § 92. Несамостоятельная проводимость газа. § 94. Молния. § 95. Коронный разряд. § 96. Применения коронного разряда. § 97. Громоотвод. § 98. Электрическая дуга. § 99. Применения дугового разряда. § 100. Тлеющий разряд. § 101. Что происходит при тлеющем разряде? § 102. Катодные лучи. § 103. Природа катодных лучей. § 104. Каналовые лучи. § 105. Электронная проводимость в высоком вакууме. § 106. Электронные лампы. § 107. Электроннолучевая трубка. Глава IX. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ПОЛУПРОВОДНИКИ § 108.  § 109. Движение электронов в полупроводниках. § 110. Полупроводниковые выпрямители. § 111. Полупроводниковые фотоэлементы. Глава X. ОСНОВНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ § 112. Естественные и искусственные магниты. § 113. Полюсы магнита и его нейтральная зона. § 114. Магнитное действие электрического тока. § 115. Магнитные действия токов и постоянных магнитов. § 116. Происхождение магнитного поля постоянных магнитов. § 117. Гипотеза Ампера об элементарных электрических токах. Глава XI. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ § 118. Магнитное поле и его проявления. Магнитная индукция. § 119. Магнитный момент. Единица магнитной индукции. § 121. Сложение магнитных полей. § 122. Линии магнитного поля. § 123. Приборы для измерения магнитной индукции. Глава XII. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ § 124. Магнитное поле прямолинейного проводника и кругового витка с током.  § 125. Магнитное поле соленоида. Эквивалентность соленоида и полосового магнита. § 126. Магнитное поле внутри соленоида. Напряженность магнитного поля. § 127. Магнитное поле движущихся зарядов. Глава XIII. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ § 128. Магнитное поле Земли. § 130. Магнитные аномалии и магнитная разведка полезных ископаемых. § 131. Изменение элементов земного магнетизма с течением времени. Магнитные бури. Глава XIV. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ НА ПРОВОДНИКИ С ТОКОМ § 132. Введение. § 133. Действие магнитного поля на прямолинейный проводник с током. Правило левой руки. § 134. Действие магнитного поля на виток или соленоид с током. § 135. Гальванометр, основанный на взаимодействии магнитного поля и тока. § 136. Сила Лоренца. § 137. Сила Лоренца и полярные сияния. Глава XV. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ § 138. Условия возникновения индукционного тока. § 139. Направление индукционного тока.  § 140. Основной закон электромагнитной индукции. § 141. Электродвижущая сила индукции. § 142. Электромагнитная индукция и сила Лоренца. § 143. Индукционные токи в массивных проводниках. Токи Фуко. Глава XVI. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТЕЛ § 144. Магнитная проницаемость железа. § 145. Магнитная проницаемость различных веществ. Вещества парамагнитные и диамагнитные. § 146. Движение парамагнитных и диамагнитных тел в магнитном поле. Опыты Фарадея. § 147. Молекулярная теория магнетизма. § 148. Магнитная защита. § 149. Особенности ферромагнитных тел. § 150. Основы теории ферромагнетизма. § 151. Постоянная и переменная электродвижущая сила. § 152. Опытное исследование формы переменного тока. Осциллограф. § 153. Амплитуда, частота и фаза синусоидального переменного тока и напряжения. § 154. Сила переменного тока. § 155. Амперметры и вольтметры переменного тока. § 156. Самоиндукция. § 157.  Индуктивность катушки.§ 158. Прохождение переменного тока через конденсатор и катушку с большой индуктивностью. § 159. Закон Ома для переменного тока. Емкостное и индуктивное сопротивления. § 160. Сложение токов при параллельном включении сопротивлений в цепь переменного тока. § 161. Сложение напряжений при последовательном соединении сопротивлений в цепи переменного тока. § 162. Сдвиг фаз между током и напряжением. § 163. Мощность переменного тока. § 164. Трансформаторы. § 165. Централизованное производство и распределение электрической энергии. § 166. Выпрямление переменного тока. Глава XVIII. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ: ГЕНЕРАТОРЫ, ДВИГАТЕЛИ, ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ § 167. Генераторы переменного тока. § 168. Генераторы постоянного тока. § 169. Генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением. § 170. Трехфазный ток. § 171. Трехфазный электродвигатель. § 172. Электродвигатели постоянного тока. § 173. Основные рабочие характеристики и особенности двигателей постоянного тока с параллельным и последовательным возбуждением.  § 174. Коэффициент полезного действия генератора и двигателя. § 175. Обратимость электрических генераторов постоянного тока. § 176. Электромагниты. § 177. Применение электромагнитов. § 178. Реле и их применения в технике и автоматике. Ответы и решения к упражнениям Приложения Предметный указатель Таблицы |
2.11. Электромагнитная индукция. Основной закон электромагнитной индукции
Закон электромагнитной индукции(закон Фарадея – Максвелла)
ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на этот контур, т. е.
.
Закон электромагнитной индукции можно также записать в форме
,
где потокосцепление электрической цепи.
Знак «минус» в выражении для ЭДС индукции объясняется правилом Ленца
«При всяком изменении магнитного потока
сквозь поверхность, натянутую на
замкнутый проводящий контур, в контуре
возникает индукционный ток такого
направления, что его собственное
магнитное поле противодействует
изменению магнитного потока, вызвавшему
индукционный ток» (рис.
2.18).
Явление электромагнитной индукции в неподвижном замкнутом проводнике объясняется тем, что переменное магнитное поле вызывает появление вихревого электрического поля, циркуляция напряжённости которого вдоль замкнутого проводящего контураLравна ЭДС электромагнитной индукции
вихр.d=.
Явление электромагнитной индукции в проводнике, движущемся в постоянном магнитном поле, объясняется действием силы Лоренца: разделение зарядов в проводнике (т.е. создание ЭДС) производится составляющей силы Лоренца, параллельной проводнику; составляющая, перпендикулярная проводнику, тормозит его движение (поэтому необходимо прикладывать внешнюю силу для создания ЭДС). Работа силы Лоренца в целом равна нулю.
2.12. Явление самоиндукции
Самоиндукцией называется возникновение ЭДС электромагнитной индукции в электрической цепи вследствие изменения потокосцепления самоиндукции и находится по формуле
,
где S– потокосцепление самоиндукции
рассматриваемого контура.
Индуктивностьюконтура называется положительная скалярная величина, численно равная потокосцеплению самоиндукции контура при силе тока в контуре 1 А.
Индуктивность зависит от размеров и формы контура, от магнитной проницаемости среды и в отсутствие ферромагнетиков не зависит от силы тока в контуре.
L = S / I.
Индуктивность длинного соленоида
L = S / l = n2V,
где относительная магнитная проницаемость среды, заполняющей весь объём соленоида ,V = lS;l длина соленоида,Sплощадь одного витка,Nобщее число витков,nчисло витков, приходящихся на единицу длины соленоида.
ЭДС самоиндукции
.
Если контур не деформируется и находится в неферромагнитной среде, то
.
Электродвижущая сила самоиндукции противодействует, в соответствии с правилом Ленца, изменению тока в цепи, замедляя его убывание или возрастание.
При замыкании цепи начальный ток I0=0 и зависимость силы тока от времени имеет вид
.
При отключении источника ЭДС (без изменения сопротивления Rцепи) ток в цепи спадает по закону
,
где Rэквивалентное сопротивление цепи, включенное последовательно с индуктивностью;Lиндуктивность цепи; ЭДС источника, действующего в цепи.
Графики зависимости силы тока от времени приведены на рис. 2.19 и 2.20.
2.13. Взаимная электромагнитная индукция
Взаимной индукцией называется
явление возникновения ЭДС электромагнитной
индукции в одной электрической цепи
при изменении электрического тока в
другой цепи или при изменении взаимного
расположения этих двух цепей.
ЭДС взаимной индукции, возникающая во второй цепи вследствие изменения потокосцепления 21взаимной индукции этой цепи и другой (первой) цепи с током, рассчитывается по формуле
.
Потокосцепление 21обусловлено магнитным полем токаI1в первой цепи и, при прочих равных условиях, пропорционально силе тока I1
L21I1,
где L21взаимная индуктивность второго и первого контуров (цепей). В отсутствие ферромагнетиков она зависит от размеров и формы контуров, их взаимного расположения, магнитной проницаемости среды и не зависит от силы тока. Если контуры находятся в неферромагнитной среде, тоL12 = L21. ЕслиL12=L21=const, то ЭДС взаимной индукции
и.
Закон Фарадея
Закон ФарадеяЛюбое изменение магнитной среды катушки с проводом вызовет «индукцию» напряжения (ЭДС) в катушке. Независимо от того, как производится изменение, напряжение будет генерироваться. Это изменение может быть вызвано изменением напряженности магнитного поля, перемещением магнита к катушке или от нее, перемещением катушки в магнитное поле или из него, вращением катушки относительно магнита и т. д.
Закон Фарадея — это фундаментальное соотношение, вытекающее из уравнений Максвелла. Он служит кратким изложением того, как напряжение (или ЭДС) может генерироваться изменяющейся магнитной средой. ЭДС индукции в катушке равна отрицательному значению скорости изменения магнитного потока, умноженной на число витков в катушке.
| Индекс Концепции закона Фарадея | ||||||||||||||
|
Это связано с взаимодействием заряда с магнитным полем.
В приведенных ниже примерах, если поле B увеличивается, индуцированное поле действует против него. Если оно уменьшается, индуцированное поле действует в направлении приложенного поля, пытаясь сохранить его постоянным.
Индуцированное магнитное поле внутри любой петли провода всегда поддерживает постоянный магнитный поток в петле. Это неотъемлемое поведение генерируемых магнитных полей резюмируется в законе Ленца.
В общем виде закон Фарадея следует сформулировать как пропорциональность генерируемой ЭДС скорости изменения магнитного потока, как показано в уравнении [1] . Другими словами, изменение напряженности магнитного потока (при движении магнита) вблизи замкнутого контура приводит к ЭДС индукции, противоположной по направлению и равной по величине потоку. Следовательно, чем быстрее меняется магнитное поле, тем большее напряжение будет проявляться в цепи. Уравнение [1] указано, что ЭДС в цепи прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока в зависимости от времени, и в случае большого числа витков катушки индуктора их количество добавляется к формула, Н.
Если обратить внимание на уравнение [1] , в уравнении есть минус, что полностью оправдывается законом Ленца.
При работе с электрическими машинами это необходимые правила, будь то генераторы (правая рука) или электродвигатели (левая рука). В частности, взаимодействие внешнего магнитного поля с электромагнитным полем цепи создает вектор физической силы, направление которой можно определить с помощью мнемотехники. Примечательно, что результирующая магнитная сила всегда перпендикулярна двум полям, образуя трехосную плоскость. Для применения этих правил средний палец должен указывать в направлении тока, указательный — в направлении силовых линий, а большой палец будет описывать вектор конечной магнитной силы. Наглядным примером применения правил Флеминга может быть рассмотрение принципиальной схемы стандартного электродвигателя, имеющего ротор и статор. Базовые модели простых двигателей состоят из кольцеобразного металлического статора, в котором вращается ротор, обмотанный медной проволокой. В ротор подается электрический ток от внешнего источника, создающий электромагнитное поле. Это поле, в свою очередь, взаимодействует с магнитными полями двух постоянных магнитов в статоре, создавая новую физическую силу.
Используя правило левой руки Флеминга, можно определить результирующее направление этой силы.
