Site Loader

Электричество как раздел 📙 физики

1. Электрические факты в истории
2. Электромагнитное поле
3. Электрический заряд

Электричество и магнетизм – раздел физики «электродинамика», которая исследует электромагнитную взаимосвязь. Распространителем этих взаимных действий считается «электромагнитное поле», которое является совокупностью двух взаимно связанных полей: электрического и магнитного.

В наше современное время концепция электричества основана на уравнениях шотландского физика Джеймса Максвелла, благодаря которым происходит фиксирование электромагнитных полей при помощи их вихрей, а также источников.

Ещё в древние времена человечество было знакомо с электрическими явлениями. Среди их множества можно выделить такие исторические факты:

  1. Древнегреческий мудрец-философ, родоначальник античной и основоположник европейской науки Фалес из Милета (около 625-545 лет до н.э., Малая Азия) как исследователь проводил довольно простые опыты, которыми доказывал существование статического электричества: к натёртому шерстяными нитками кусочку янтаря притягивается древесная стружка.
    Современное слово «электричество» является производным от слова «электрон», которое, в свою очередь, есть греческое название «янтаря».
  2. В 1600 году XVI века название «электрический» первым ввёл в науку Уильям Гильберт (1544-1603г.г.) – создатель первых теорий электричества и магнетизма. Благодаря английскому физику и врачу знания об электричестве пополнились принципиально новыми открытиями, конкретными наблюдениями, точными приборами. Проведя ряд опытов посредством первого электроскопа – «версора» – Гильберт обнаружил, что не только янтарь владеет способностью притягивать мелкие предметы после натирания, но и другие наэлектризированные вещества, которые учёный именовал «электрическими»: стекло, горный хрусталь, алмаз, полудрагоценные камни, сургуч, серу. Параллельно Гильберт определил и вещества, которые не могут электризоваться посредством трения.
  3. Более 4000 лет назад в Вавилоне были выявлены глиняные сосуды, внутри которых находились медный и железный стержни. На дне сосудов из глины был обнаружен изолирующий материал – битум. Сами стержни были разъедены предположительно уксусной (лимонной) кислотой. Эта древняя находка очень напоминала гальванический элемент ставший известным только в 1786-1800 годах. Можно предположить, что золото на вавилонские украшения напылялось «элементом Вольта», т.е. гальваническим способом.

Электромагнитное поле – вид материи, с помощью которого осуществляется электромагнитный контакт между частицами, обладающие электрическими зарядами, а также передаются действия электромагнитных сил.

Понятие электромагнитного поля рассматривается в разделе «электричество». Следует помнить, что в физике термин «поле» также употребляется и для определения ряда понятий отличных по своему значению.

Соответственно, они включают в свой состав такое:

  • термином «поле» целиком и полностью характеризуется функция для какой угодно физической величины – векторной или скалярной. Например: во время изучения теплового состояния в различных точках среды, упоминают о «скалярном поле» температуры; в случае рассмотрения процедуры механических качаний в плотной среде, речь идёт о механическом «волновом поле»;
  • в приведённых примерах значение «поле» объясняет физическое состояние конкретной материальной среды, которая подверглась исследованию;
  • термином «поле» обозначают и особенный вид материи, который появился в результате общих сложностей взаимодействия. Например; теория, в которой действие сил передается сквозь единую пустоту в один миг, имеет название «теория дальнодействия», а теория, утверждающая, по какой причине действие сил распространяется с конечной скоростью сквозь буферную материальную среду, называется «теория близкодействия».

Зачастую электрические и магнитные поля анализируются по отдельности, однако в реальности «чисто» магнитных или электрических явлений нет в природе. Имеется только один целостный электромагнитный процесс. Разграничение электромагнитного взаимного влияния на «магнитное» и «электрическое», кроме этого разделение монолитных электромагнитных сил на «магнитные» и «электрические» носят символический характер. И такая условность, конечно, легко доказывается. Условный характер носит и соответствующая терминология сил – «магнитные или «электрические».

Неотъемлемое свойство, присущее немногим «простейшим частицам» материи – «элементарным частицам», носит название «электрический заряд». Наряду с энергией и с массой «электрический заряд» обеспечивает наличие «комплекса» основных характеристик частиц

Из изученных «элементарных частиц» носителем электрического заряда являются лишь электроны и позитроны, протоны и антипротоны, а также определённые гипероны и мезоны, плюс их античастицы. Вместе с тем нейтроны, нейтрино, конечно же, нейтральные гипероны и мезоны вместе с их античастицами, а также фотонами, не содержат электрический заряд.

Наверняка науке известны только два вида электрических зарядов, которые носят условное название «отрицательный» и «положительный». Само понятие «отрицательное и положительное электричество» было впервые введено в XVIII веке Бенджамином (Вениамином) Франклином (1706-1790, США).

Прямое объяснение «величины элементарного заряда» было сделано в 1904–1909г.г. советским физиком А.Ф.Иоффе (Россия), а также в 1910 году американским физиком Р.Э.Милликеном (США). Через некоторое время после проведённых опытов ими была забракована существовавшая гипотеза о наличии субатомных частиц, т.

н. зарядов, которые намного меньше атомов. Данный заряд нет возможности обособить от частиц, частью которых он является. Общая неистребимость материи чревата неискоренимостью и электрического заряда.

К известным в теоретической механике законам импульса, закона сохранения массы, закона сохранения энергии и закон момента импульса следует добавить также «закон сохранения электрического заряда», который гласит, что: «в закрытой структуре частиц или тел логистическая сумма зарядов – величина постоянная, невзирая на происходящие в этой системе процессы». «Закон сохранения заряда» определился в ходе экспериментов, проведённых физиком Майклом Фарадеем (Англия) и германским физиком Ф.У.Т.Эпинусом, жившим в России.

Существование электромагнитного поля взаимно связано с перемещением каждой отдельно взятой элементарной частицы. Необходимо подчеркнуть, что электрические и магнитные поля, которые изучаются макроскопической электродинамикой и электростатикой, оказались усреднёнными.

Они все представляют собой суперпозицию (наложение микрополей), создающую многочисленное сочетание передвигающихся элементарных частиц. Судя по прошлым многочисленным опытам стандартное «электрическое поле» должно абсолютно отличается от «нуля» тогда лишь тогда, когда его первоисточник – макрозаряд – целиком и полностью или недвижим или же когда он находится в движении.

Физика электричества: определение, опыты, единица измерения

Физика электричества — это то, с чем приходится сталкиваться каждому из нас. В статье мы рассмотрим основные понятия, связанные с ней.

Что такое электричество? Для человека непосвященного оно ассоциируется со вспышкой молнии или с энергией, питающей телевизор и стиральную машину. Он знает, что электропоезда используют электрическую энергию. О чем еще он может рассказать? О нашей зависимости от электричества ему напоминают линии электропередач. Кто-то сможет привести и несколько других примеров.

Однако с электричеством связано немало других, не столь очевидных, но повседневных явлений. Со всеми ними нас знакомит физика. Электричество (задачи, определения и формулы) мы начинаем изучать еще в школе. И узнаем много интересного. Оказывается, бьющееся сердце, бегущий спортсмен, спящий ребенок и плавающая рыба — все вырабатывает электрическую энергию.

Электроны и протоны

Определим основные понятия. С точки зрения ученого, физика электричества связана с движением электронов и других заряженных частиц в различных веществах. Поэтому научное понимание природы интересующего нас явления зависит от уровня знаний об атомах и составляющих их субатомных частицах. Ключом к этому пониманию служит крошечный электрон. Атомы любого вещества содержат один или более электронов, движущихся по различным орбитам вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Обычно число электронов в атоме равно количеству протонов в ядре. Однако протоны, будучи значительно тяжелее электронов, можно считать как бы закрепленными в центре атома. Этой предельно упрощенной модели атома вполне достаточно, чтобы объяснить основы такого явления, как физика электричества.

О чем еще необходимо знать? Электроны и протоны имеют одинаковый по величине электрический заряд (но разного знака), поэтому они притягиваются друг к другу. Заряд протона является положительным, а электрона — отрицательным. Атом, имеющий электронов больше или меньше, чем обычно, называется ионом. Если в атоме их недостаточно, то он называется положительным ионом. Если же он содержит их избыток, то его называют отрицательным ионом.

Когда электрон покидает атом, тот приобретает некоторый положительный заряд. Электрон, лишенный своей противоположности — протона, либо движется к другому атому, либо возвращается к прежнему.

Почему электроны покидают атомы?

Это объясняется несколькими причинами. Наиболее общая состоит в том, что под воздействием импульса света или какого-то внешнего электрона движущийся в атоме электрон может быть выбит со своей орбиты. Тепло заставляет атомы колебаться быстрее. Это означает, что электроны могут вылететь из своего атома. При химических реакциях они также перемещаются от атома к атому.

Хороший пример взаимосвязи химической и электрической активности дают нам мышцы. Их волокна сокращаются при воздействии электрического сигнала, поступающего из нервной системы. Электрический ток стимулирует химические реакции. Они-то и приводят к сокращению мышцы. Внешние электрические сигналы нередко используются для искусственного стимулирования мышечной активности.

Проводимость

В некоторых веществах электроны под действием внешнего электрического поля движутся более свободно, чем в других. Говорят, что такие вещества обладают хорошей проводимостью. Их называют проводниками. К ним относится большинство металлов, нагретые газы и некоторые жидкости. Воздух, резина, масло, полиэтилен и стекло плохо проводят электричество. Их называют диэлектриками и используют для изоляции хороших проводников. Идеальных изоляторов (абсолютно не проводящих тока) не существует. При определенных условиях электроны можно удалить из любого атома. Однако обычно эти условия столь трудно выполнить, что с практической точки зрения подобные вещества можно считать непроводящими.

Знакомясь с такой наукой, как физика (раздел «Электричество»), мы узнаем, что существует особая группа веществ. Это полупроводники. Они ведут себя отчасти как диэлектрики, а отчасти — как проводники. К ним, в частности, относятся: германий, кремний, окись меди. Благодаря своим свойствам полупроводник находит множество применений. Например, он может служить электрическим вентилем: подобно клапану велосипедной шины он позволяет зарядам двигаться только в одном направлении. Такие устройства называются выпрямителями. Они используются и в миниатюрных радиоприемниках, и на больших электростанциях для преобразования переменного тока в постоянный.

Тепло представляет собой хаотичную форму движения молекул или атомов, а температура — мера интенсивности этого движения (у большинства металлов с понижением температуры движение электронов становится более свободным). Это означает, что сопротивление свободному движению электронов падает с уменьшением температуры. Другими словами, проводимость металлов возрастает.

Сверхпроводимость

В некоторых веществах при очень низких температурах сопротивление потоку электронов исчезает полностью, и электроны, начав движение, продолжают его неограниченно. Это явление называется сверхпроводимостью. При температуре несколько градусов выше абсолютного нуля (— 273 °С) она наблюдается в таких металлах, как олово, свинец, алюминий и ниобий.

Генераторы Ван де Граафа

В школьную программу входят различные опыты с электричеством. Существует можество видов генераторов, об одном из которых нам хотелось бы подробнее рассказать. Генератор Ван де Граафа используется для получения сверхвысоких напряжений. Если предмет, содержащий избыток положительных ионов, поместить внутрь контейнера, то на внутренней поверхности последнего появятся электроны, а на внешней — такое же количество положительных ионов. Если теперь коснуться внутренней поверхности заряженным предметом, то на него перейдут все свободные электроны. На внешней же положительные заряды останутся.

В генераторе Ван де Граафа положительные ионы от источника наносятся на ленту конвейера, проходящего внутри металлической сферы. Лента связана с внутренней поверхностью сферы с помощью проводника в виде гребня. Электроны стекают с внутренней поверхности сферы. На внешней же стороне ее появляются положительные ионы. Эффект можно усилить, используя два генератора.

Электрический ток

В школьный курс физики входит и такое понятие, как электрический ток. Что же это такое? Электрический ток обусловлен движением электрических зарядов. Когда электрическая лампа, соединенная с батареей, включена, ток течет по проводу от одного полюса батареи к лампе, затем через ее волосок, вызывая его свечение, и возвращается назад по второму проводу к другому полюсу батареи. Если выключатель повернуть, то цепь разомкнется — движение тока прекратится, и лампа погаснет.

Движение электронов

Ток в большинстве случаев представляет собой упорядоченное движение электронов в металле, служащем проводником. Во всех проводниках и некоторых других веществах всегда происходит какое-то случайное их движение, даже если ток не протекает. Электроны в веществе могут быть относительно свободны или сильно связаны. Хорошие проводники имеют свободные электроны, способные перемещаться. А вот в плохих проводниках, или изоляторах, большинство этих частиц достаточно прочно связано с атомами, что препятствует их движению.

Иногда естественным или искусственным путем в проводнике создается движение электронов в определенном направлении. Этот поток и называют электрическим током. Он измеряется в амперах (А). Носителями тока могут служить также ионы (в газах или растворах) и «дырки» (нехватка электронов в некоторых видах полупроводников. Последние ведут себя как положительно заряженные носители электрического тока. Чтобы заставить электроны двигаться в том или ином направлении, необходима некая сила. В природе ее источниками могут быть: воздействие солнечного света, магнитные эффекты и химические реакции. Некоторые из них используются для получения электрического тока. Обычно для этой цели служат: генератор, использующий магнитные эффекты, и элемент (батарея), действие которого обусловлено химическими реакциями. Оба устройства, создавая электродвижущую силу (ЭДС), заставляют электроны двигаться в одном направлении по цепи. Величина ЭДС измеряется в вольтах (В). Таковы основные единицы измерения электричества.

Величина ЭДС и сила тока связаны между собой, как давление и поток в жидкости. Водопроводные трубы всегда заполнены водой под определенным давлением, но вода начинает течь, только когда открывают кран.

Аналогично электрическая цепь может быть соединена с источником ЭДС, но ток в ней не потечет до тех пор, пока не будет создан путь, по которому могут двигаться электроны. Им может быть, скажем, электрическая лампа или пылесос, выключатель здесь играет роль крана, «выпускающего» ток.

Соотношение между током и напряжением

По мере роста напряжения в цепи растет и ток. Изучая курс физики, мы узнаем, что электрические цепи состоят из нескольких различных участков: обычно это выключатель, проводники и прибор — потребитель электричества. Все они, соединенные вместе, создают сопротивление электрическому току, которое (при условии постоянства температуры) для этих компонентов не изменяется со временем, но для каждого из них различно. Поэтому, если одно и то же напряжение применить к лампочке и к утюгу, то поток электронов в каждом из приборов будет различен, поскольку различны их сопротивления. Следовательно, сила тока, протекающего через определенный участок цепи, определяется не только напряжением, но и сопротивлением проводников и приборов.

Закон Ома

Величина электрического сопротивления измеряется в омах (Ом) в такой науке, как физика. Электричество (формулы, определения, опыты) — обширная тема. Мы не будем выводить сложные формулы. Для первого знакомства с темой достаточно того, что было сказано выше. Однако одну формулу все-таки стоит вывести. Она совсем несложная. Для любого проводника или системы проводников и приборов соотношение между напряжением, током и сопротивлением задается формулой: напряжение = ток х сопротивление. Это математическое выражение закона Ома, названного так в честь Георга Ома (1787-1854 гг.), который первым установил взаимосвязь этих трех параметров.

Физика электричества — очень интересный раздел науки. Мы рассмотрели лишь основные понятия, связанные с ней. Вы узнали, что такое электричество, как оно образуется. Надеемся, эта информация вам пригодится.

7: Электричество — Физика LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    47047
    • Бенджамин Кроуэлл
    • Колледж Фуллертона
    • 7.1: Прелюдия к электрическому заряду и электрическому полю
      Франклин продемонстрировал связь между молнией и статическим электричеством. Во время грозы из ключа, подвешенного на веревке воздушного змея, вылетели искры. Эти искры были похожи на искры, создаваемые статическим электричеством, такие как искра, которая прыгает с вашего пальца на металлическую дверную ручку, когда вы идете по шерстяному ковру.
    • 7.2: Статическое электричество и заряд – сохранение заряда
      Когда различные материалы трутся друг о друга контролируемым образом, определенные комбинации материалов всегда производят один тип заряда на одном материале и противоположный тип на другом. По соглашению мы называем один тип заряда «положительным», а другой — «отрицательным». Например, если стекло тереть о шелк, стекло становится положительно заряженным, а шелк — отрицательно. Поскольку стекло и шелк имеют противоположные заряды, они притягиваются друг к другу, как белье, протертое друг о друга в сушилке.
    • 7.3: Проводники и изоляторы
      Некоторые вещества, такие как металлы и соленая вода, позволяют зарядам проходить через них относительно легко. Некоторые электроны в металлах и подобных проводниках не связаны с отдельными атомами или участками материала. Эти свободные электроны могут двигаться через материал так же, как воздух движется через рыхлый песок.
    • 7.4: Закон Кулона
      Благодаря работам ученых конца 18 века основные черты электростатической силы — существование двух типов зарядов, наблюдение, что одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются, и уменьшение силы с расстоянием — в конечном итоге были уточнены и выражены в виде математической формулы. Математическая формула электростатической силы называется законом Кулона в честь французского физика Шарля Кулона.
    • 7.5: Введение в электрический потенциал и электрическую энергию
      Двумя наиболее известными аспектами электричества являются его энергия и напряжение. Но энергия и напряжение не одно и то же. В этой главе мы рассмотрим взаимосвязь между напряжением и электрической энергией и начнем исследовать некоторые из многочисленных применений электричества.
    • 7.6: Электрический потенциал Энергия – разность потенциалов
      Электрический потенциал – это потенциальная энергия на единицу заряда. Разность потенциалов между точками A и B, VB−VA , определяемая как изменение потенциальной энергии заряда q, перемещаемого из A в B, равна изменению потенциальной энергии, деленному на заряд. Разность потенциалов обычно называют напряжением, обозначается символом ΔV .

    Бенджамин Кроуэлл (Фуллертонский колледж). Концептуальная физика защищена авторским правом с лицензией CC-BY-SA.


    Эта страница под названием 7: Электричество распространяется по лицензии CC BY-SA, автором, ремиксом и/или куратором которой является Бенджамин Кроуэлл.

    1. Наверх
    • Была ли эта статья полезной?
    1. Тип изделия
      Глава
      Автор
      Бен Кроуэлл
      Лицензия
      CC BY-SA
      Показать оглавление
      нет
    2. Теги
      1. источник[1]-физ-927

    AP Physics C: курс электричества и магнетизма – AP Central

    Беглый взгляд на курс

    AP Physics C: Electricity and Magnetism — это односеместровый курс физики на уровне колледжа, основанный на вычислениях, который особенно подходит для студентов, планирующих специализироваться или специализироваться в одной из физических или инженерных наук. Учащиеся развивают свое понимание физики посредством изучения и занятий в классе, а также практической лабораторной работы, когда они изучают такие понятия, как изменение, взаимодействие сил, поля и сохранение.

    Лабораторные требования и лабораторные тетради

    Лабораторный опыт должен быть частью обучения студентов AP Physics C и должен быть включен во все курсы AP Physics. Колледжи могут потребовать, чтобы учащиеся представили свои лабораторные материалы из научных курсов AP, прежде чем предоставить колледжу зачет за лабораторные работы, , поэтому учащимся рекомендуется сохранять свои лабораторные тетради, отчеты и другие материалы. ​​​​​

    Описание курса и экзамена

    Ресурсы курса

    Доступен проект пересмотренной структуры учебного плана

    Предварительный просмотр пересмотренной платформы

    Содержание курса

    Основанная на модели Understanding by Design® (Wiggins and McTighe), эта структура курса содержит четкое и подробное описание требований к курсу, необходимых для успешной учебы учащихся. Структура определяет, что учащиеся должны знать, уметь делать и понимать, с акцентом на большие идеи, которые охватывают основные принципы, теории и процессы дисциплины. Структура также поощряет обучение, которое готовит учащихся к установлению связей между областями посредством более широкого мышления о физическом мире.

    Структура AP Physics C: Electricity and Magnetism состоит из пяти общеизвестных учебных блоков, которые обеспечивают одну возможную последовательность курса. Как всегда, у вас есть возможность организовать содержание курса по своему усмотрению.

    Блок

    Взвешивание экзамена (раздел множественного выбора)

    Модуль 1: Электростатика

    26%–34%

    Блок 2: проводники, конденсаторы, диэлектрики

    14%–17%

    Модуль 3: Электрические цепи

    17%–23%

    Модуль 4: Магнитные поля

    17%–23%

    Блок 5: Электромагнетизм

    14%–20%

    Научная практика

    Структура AP Physics C: Electricity and Magnetism, включенная в описание курса и экзамена, описывает отдельные навыки, называемые научными практиками, которые учащиеся должны практиковать в течение года, — навыки, которые помогут им научиться думать и действовать как физики.

    Навык

    Описание

    Взвешивание экзамена (раздел множественного выбора)

    Взвешивание экзамена (раздел свободных ответов)

    1. Визуальные представления

    Анализировать и/или использовать представления физических ситуаций, за исключением графиков.

    14–23%

    4–9%

    2. Вопрос и метод

    Определить научные вопросы и методы.

    3–6%

    6–11%

    3. Представление данных и явлений

    Создание визуальных представлений или моделей физических ситуаций.

    Не оценивается в разделе множественного выбора

    13–20%

    4. Анализ данных

    Проанализируйте количественные данные, представленные в виде графиков.

    14–17%

    8–13%

    5.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *