Шпаргалка по физике

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля и и утри замкнутого проводящего  контура в нем возникнет электрический ток, который называют индукционным током. Опыты Фарадея можно воспроизвести следующим образом: при внесении или вынесении магнита в катушку, замкнутую на гальванометр, в катушке возникает индукционный ток (рис. 23). Если радом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток (рис. 24). Объяснение этого явления было дано Максвеллом. Любое переменное магнитное иоле всегда порождает переменное электрическое поле.

Сила Лоренца — сила, с которой электромагнитное поле согласно классической (неквантовой) электродинамике действует на точечную заряженную частицу. Иногда силой Лоренца называют силу, действующую на движущийся со скоростью   заряд   лишь со стороны магнитного поля, нередко же полную силу — со стороны электромагнитного поля вообще^[1], иначе говоря, со стороны электрического   и магнитного   полей. 

Названа в честь голландского физика Хендрика Лоренца, который вывел выражение для этой силы в 1892 году. За три года до Лоренца правильное выражение было найдено Хевисайдом^[2].

Макроскопическим проявлением  силы Лоренца является сила Ампера.

Для силы Лоренца, так же как и  для сил инерции, третий закон Ньютона не выполняется. Лишь переформулировав третий закон Ньютона как закон сохранения импульса в замкнутой системе из частиц и электромагнитного поля, можно восстановить его справедливость для сил Лоренца^[

 

 

9. Вихревое электрическое поле.

Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике - электрическое поле. 
Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.

Индукционное электрическое поле является вихревым.  
Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока 
Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

электростатическое поле	индукционное электрическое поле  ( вихревое электр. поле )
1. создается неподвижными электр. зарядами	1. вызывается изменениями магнитного поля
2. силовые линии поля разомкнуты - -потенциальное поле	2. силовые линии замкнуты -  - вихревое поле
3. источниками поля являются  электр. заряды	3. источники поля указать нельзя
4. работа сил поля по перемещению  пробного заряда по замкнутому пути = 0.	4. работа сил поля по перемещению  пробного заряда по замкнутому  пути = ЭДС индукции

Вихревые токи

Индукционные токи в массивных  проводниках называюттоками Фуко. Токи Фуко могут достигать очень больших  значений, т.к. сопротивление массивных проводников мало.Поэтому сердечники трансформаторов делают из изолированных пластин. 
В ферритах - магнитных изоляторах вихревые токи практически не возникают. 
Использование вихревых токов

- нагрев и плавка металлов  в вакууме, демпферы в электроизмерительных приборах. 
Вредное действие вихревых токов

- это потери энергии в сердечниках  трансформаторов и генераторов  из-за выделения большого количества  тепла.

 

 

10. Самоиндукция. Индуктивность.

Каждый проводник, по которому протекает  эл.ток, находится в собственном магнитном поле. При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции. 

Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока. 
Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции

Прявление явления самоиндукции : При замыкании в эл.цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл.поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи ( вихревое поле тормозит электроны).

ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения силы тока в эл.цепи, от свойств проводника  
(размеров и формы) и от относительной магнитной проницаемости среды, в которой находится проводник. 
Физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник, называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.

Индуктивность - физ. величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1Ампер за 1 секунду. 
Также индуктивность можно рассчитать по формуле: 
 
где Ф - магнитный поток через контур, I - сила тока в контуре.

 

 

11. Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания.

Колебательный контур — осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности иконденсатор. В такой цепи могут возбуждаться колебания тока (и напряжения).

Колебательный контур — простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания

При соединении конденсатора с катушкой индуктивности, в цепи потечёт ток  , что вызовет в катушкеэлектродвижущую силу (ЭДС) самоиндукции, направленную на уменьшение тока в цепи. Ток, вызванный этой ЭДС (при отсутствии потерь в индуктивности) в начальный момент будет равен току разряда конденсатора, то есть результирующий ток будет равен нулю. Магнитная энергия катушки в этот (начальный) момент равна нулю.

Затем результирующий ток в цепи будет возрастать, а  энергия из конденсатора будет переходить в катушку до полного разряда  конденсатора. В этот момент электрическая энергия конденсатора  .

После этого начнётся перезарядка  конденсатора, то есть заряд конденсатора напряжением другой полярности. Перезарядка будет проходить до тех пор, пока магнитная энергия катушки не перейдёт в электрическую энергию конденсатора. Конденсатор, в этом случае, снова будет заряжен до напряжения  .

Электромагнитные колебания — это колебания электрического и магнитного полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, силы тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать свободные электромагнитные колебания, является колебательный контур. Колебательный контур — это цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 29, а). Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечет ток (рис. 29, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндукции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет иметь то же направление и перезарядит конденсатор (рис. 29, в). Процесс будет повторяться (рис. 29, г) по аналогии с колебаниями маятниками. Таким образом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора ( ) в энергию магнитного поля катушки с током ( ), и наоборот. Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томсона  . Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью  .

 

 

12. Вынужденные электромагнитные колебания. (частично можно взять из вопроса 11)

Вынужденными электромагнитными  колебаниями называют периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника. Внешним источником ЭДС в электрических цепях являются генераторы переменного тока, работающие наэлектростанциях.

Принцип действия генератора переменного  тока легко показать при рассмотрении вращающейся рамки провода в  магнитном поле.

 

 

13. Трансформатор; его устройство, принцип действия.

Простейший трансформатор представляет собой устройство, состоящее из стального сердечника и двух обмоток (рис. 1). При подаче в первичную обмотку переменного напряжения, во вторичной обмотке индуцируется ЭДС той же частоты. Если ко вторичной обмотке подключить некоторый электроприемник, то в ней возникает электрический ток и на вторичных зажимах трансформатора устанавливается напряжение, которое несколько меньше, чем ЭДС и в некоторой относительно малой степени зависит от нагрузки. Отношение первичного напряжения ко вторичному (коэффициент трансформации) приблизительно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.  
 
Рис. 1. Принцип устройства однофазного двухобмоточного трансформатора. 1 первичная обмотка, 2 вторичная обмотка, 3 сердечник. U1 первичное напряжение, U2 вторичное напряжение, I1 первичный ток, I2 вторичный ток, Ф магнитный поток 

Трансформаторы могут быть одно- или многофазными, а вторичных  обмоток может быть больше одной. В электрических сетях обычно используются трехфазные трансформаторы с одной или двумя вторичными обмотками. Если первичное и вторичное напряжения относительно близки друг другу, то могут использоваться и однообмоточные автотрансформаторы

Важнейшими номинальными показателями трансформатора являются его номинальные первичное и вторичное напряжения, номинальные первичный и вторичный ток, а также номинальная вторичная полная мощность (номинальная мощность). Трансформаторы могут изготовляться как на весьма малую мощность (например, для микроэлектронных цепей), так и на очень большую (например, для мощных энергосистем), охватывая диапазон мощностей от 0,1 mVA до 1000 MVA. 

Первым трансформатором может считаться изготовленное Майклом Фарадеем (Michael Faraday) индукционное кольцо (англ. induction ring), состоящее из кольцевого стального сердечника и двух обмоток, при помощи которого он 29 августа 1831 года открыл явление электромагнитной индукции (рис. 5). Во время быстрого переходного процесса, возникающего при включении или отключении первичной обмотки, соединенной с источником постоянного тока, во вторичной обмотке индуцируется импульсная ЭДС. Такое устройство может поэтому называться импульсным или транзиентным трансформатором.

 

14. Производство, передача, применение и потребление электроэнергии. (соединить можно с 15)

Огромным достоинством электроэнергии является то, что ее можно передавать на большие расстояния и преобразовывать в другие виды энергии: механическую, внутреннюю, световую.

Электроэнергию  производят сегодня в основном на электростанциях трех типов: тепловых, атомных и гидроэлектростанциях

На тепловых электростанциях с помощью тепловых двигателей (обычно паровых турбин) внутреннюю энергию топлива (нефти, газа, угля) преобразуют в механическую энергию. А затем механическую энергию преобразуют в электрическую с помощью генераторов,действие которых основано на явлении электромагнитной индукции.

На атомных  электростанциях энергию, которая  выделяется в атомных реакторах  при делении атомных ядер (например, урана), преобразуют также с помощью тепловых двигателей в механическую энергию, после чего механическую энергию преобразуют в электрическую с помощью генераторов. 

На гидроэлектростанциях механическую энергию падающей воды с помощью генераторов преобразуют  в электрическую энергию.

Действие  генератора электрического тока основано на явленииэлектромагнитной индукции.

Основным  элементом генератора электрического тока является рамка, которую вращают в магнитном поле. При этом пронизывающий рамку магнитный поток изменяется во времени, вследствие чего в рамке возникает индукционный ток (рис. 10.2).

При равномерном  вращении в рамке индуцируется переменныйэлектрический ток: сила тока изменяется по синусоидальному закону 

 

 

15. Проблемы энергосбережения.(соединить можно с 14)

 

Широкое применение электроэнергии повышает производительность труда и улучшает условия жизни, но, к сожалению, все крупные электростанции оказывают вредное воздействие на окружающую среду.

Тепловые электростанции загрязняют воздух продуктами сгорания топлива. Кроме того, на таких электростанциях работают тепловые двигатели огромной мощности, а для работы теплового двигателя, как вы уже знаете из курса физики 10-го класса, необходим холодильник. В качестве такового используется окружающая среда, что приводит к ее «тепловому загрязнению».

Атомные электростанции также становятся причиной теплового загрязнения окружающей среды, поскольку и в них используются тепловые двигатели. Кроме того, как показала практика, на атомных электростанциях существует опасность аварий, сопровождаемых выбросом радиоактивных веществ. Такие аварии происходили в разных странах мира в 70—80-х годах 20-го века, что заставило значительно повысить требования к уровню надежности атомных электростанций.

На гидроэлектростанциях происходит непосредственное превращение механической энергии в электрическую. Поэтому работа таких электростанций не сопровождается тепловым загрязнением. При этом нет также выбросов продуктов сгорания и опасности выброса радиоактивных веществ. Однако и при работе гидроэлектростанций окружающей среде наносится вред: чтобы создать необходимую для работы электростанции разность уровней воды, приходится строить на реках высокие плотины, что приводит к возникновению искусственных «морей», то есть затоплению огромных территорий, которые выводятся из землепользования.

 

 

 

16. Конденсатор и катушка в цепи переменного тока.

В любом проводнике, по которому протекает  электрический ток, возникает ЭДС  самоиндукции. Это означает, что  каждое электрическая цепь имеет  не только активное сопротивление. Для цепи переменного тока с конденсатором гармонические колебания напряжения на обкладках конденсатора отстают по фазе от колебаний силы тока на π, разделено на два. Емкостное сопротивление проводника равно отношению единицы к электроемкости конденсатора и циклической частоты. Амплитудное значение силы тока для цепи переменного тока с конденсатором находят как произведение амплитудного значения напряжения, электроемкости конденсатора и циклической частоты колебаний. 
Напряжение на концах идеальной катушки равна по модулю и противоположна по знаку ЭДС самоиндукции. Амплитудное значение напряжения в цепи с катушкой индуктивности можно найти как произведение амплитуды силы тока, индуктивности катушки и циклической частоты колебаний. Для круга с катушкой индуктивности колебания напряжения опережают по фазе колебания силы тока на π, разделено на два. Индуктивное сопротивление проводника равна произведению индуктивности катушки на циклическую частоту колебаний.