Шпаргалка по "Физике"

 

Вопрос 23.

Эквипотенциальные поверхности  и силовые линии электрического поля

Эквипотенциальная поверхность — понятие, применимое к любому потенциальному векторному полю, например, к статическому электрическому полю или к ньютонову гравитационному полю (Гравитации). Эквипотенциальная поверхность — это поверхность, на которой скалярный потенциал данного потенциального поля принимает постоянное значение. Другое, эквивалентное, определение — поверхность, в любой своей точке ортогональная силовым линиям поля. Понятие "силовые линии" для электрических и магнитных полей ввел М. Фарадей.Силовые линии электрического поля перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям, а, значит, и к линиям равного потенциала. Их направление от «+» к «-».

 

Вопрос 24.

Расчет потенциалов  равномерно заряженной сферы.

 Поле равномерно заряженной сферы.

Пусть электрическое поле создается зарядом Q, равномерно распределенным по поверхности сферы радиуса R (Рис. 190). Для вычисления потенциала поля в произвольной точке, находящейся на расстоянии r от центра сферы, необходимо вычислить работу, совершаемую полем при перемещении единичного положительного заряда от данной точки до бесконечности. Ранее мы доказали, что напряженность поля равномерно заряженной сферы вне ее эквивалентно полю точечного заряда, расположенного в центре сферы. Следовательно, вне сферы потенциал поля сферы будет совпадать с потенциалом поля точечного заряда

. (1)

В частности, на поверхности  сферы потенциал равен  . Внутри сферы электростатическое поле отсутствует, поэтому работа по перемещению заряда из произвольной точки, находящейся внутри сферы, на ее поверхность равна нулю A = 0, поэтому и разность потенциалов между этими точками также равна нулю Δφ = -A = 0. Следовательно, все точки внутри сферы имеют один и тот же потенциал, совпадающий с потенциалом ее поверхности .

 

Вопрос 25.

Классификация веществ  по типу проводимости.

 

Тип проводимости — классификация электрической проводимости в соответствии с типом носителей заряда.

Известны следующие типы проводимости:

1. электронная проводимость — проводимость обеспечиваемая свободными электронами;
2. ионная проводимость — проводимость, обеспечиваемая заряженными ионами вещества;
3. дырочная проводимость — проводимость, обеспечиваемая дырками в полупроводнике. ( Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры )

 

Вопрос 26.

Понятие об электрическом  диполе

 Электрическим диполем  называется система ,состоящая  из двух точечных электрических  зарядов q>0 и -q,расстояние l между которыми мало по сравнению с расстоянием r от этой системы до рассматриваемых точек ее поля. Оказалось,что такая модель довольно точно описывает электрические свойства атомов и молекул ,а также влияние на них внешнего электрического поля.Поэтому в физике широко пользуются представлением атомов и молекул в виде электрических диполей.Плечом диполя называется вектор l,направленный по оси диполя от отрицательного заряда к положительному и по модулю равный расстоянию между ними.Произведение положительного заряда q диполя на плечо l называется электрическим моментом диполя p.Расчет потенциала поля диполя производится с помощью принципа суперпозиции полей.

 

Вопрос 27.

Поведение диэлектриков в электрических полях

 Диэлектрики – это тела, состоящие из нейтральных молекул. Молекулы бывают полярные (обладающие дипольным моментом) и неполярные (не обладающие дипольным моментом). Диэлектрик, состоящий из полярных молекул, во внешнем поле поляризуется, то есть приобретет дипольный момент за счёт преимущественной ориентации молекулярных диполей в направлении внешнего поля.Вот имеем кусок диэлектрика, внешнее поле отсутствует. Дипольные моменты молекул ориентированы хаотически, и в среднем дипольный момент любого элемента объёма равен нулю (рис.5.6).

Однако, если мы поместим внешнее  электрическое поле, появится преимущественная ориентация, все эти дипольные  моменты сориентируются примерно так, как показано на рисунке 5.7. Они не смогут все построиться вдоль поля, потому что хаотическое тепловое движение разрушает структуру, но, по крайней мере, на фоне этого хаоса они будут все стремиться сориентироваться вдоль поля.

Диэлектрик, состоящий  из неполярных молекул, также поляризуется, потому что эти молекулы приобретают дипольный момент во внешнем поле.

 

, однако, если мы внесём эту  молекулу во внешнее электрическое  поле, то внешнее поле растаскивает  положительный и отрицательный  заряды, и молекула приобретает  дипольный момент.

 

Вопрос 28.

Проводники в электрическом  поле. Электроемкость. Конденсаторы

Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.Основные параметры: емкость, удельная емкость, плотность энергии, номинальное напряжение,полярность.

Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками. В системе СИ ёмкость измеряется в фарадах.Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника.

Проводниками называются вещества, в которых имеется значительное число свободных зарядов, т.е. таких  зарядов, которые могут без затраты  энергии перемещаться по всему проводнику. Это металлы, электролиты и ионизированные газы.Поместим незаряженный проводник в однородное электростатическое поле. Под действием сил поля свободные электроны в проводнике будут перемещаться в направлении, противоположном внешнему полю, и накапливаться на поверхностях проводника, создавая электростатическое поле , направленное навстречу внешнему полю. Перемещение электронов будет происходить до тех пор, пока внешнее электростатическое поле не скомпенсируется полем, возникающим внутри проводника. В результате напряженность поля внутри проводника будет равна нулю:

Электризацию проводника во внешнем электростатическом поле разделением уже имеющихся в  нем в равных количествах положительных  и отрицательных зарядов называют явлением электростатической индукции, а сами перераспределенные заряды — индуцированными. Это явление можно использовать для электризации незаряженных проводников. Незаряженный проводник можно наэлектризовать путем соприкосновения с другим заряженным проводником. Каким бы способом ни был заряжен проводник, внутри него поле отсутствует. Это позволяет использовать заземленные полые проводники со сплошными или сетчатыми стенками для электростатической защиты от внешних электростатических полей.

 

Вопрос 29.

Энергия и плотность  энергии электрического поля. Энергия  заряженного конденсатора

 Эне́ргия — скалярнаяфизическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движенияматерии и мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется во времени. Это утверждение носит название закона сохранения энергии. Плотность энергии — количество энергии на единицу объёма.ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА

Конденсатор - это система заряженных тел и обладает энергией. 
Энергия любого конденсатора:

 
 
 
 
где С - емкость конденсатора 
q - заряд конденсатора 
U - напряжение на обкладках конденсатора 
Энергия конденсатора равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин конденсатора вплотную, 
или равна работе по разделению положительных и отрицательных зарядов , необходимой при зарядке конденсатора.

 

Вопрос 30.

Постоянный электрический  ток

Электри́ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.

 

Вопрос 31.

Ома для  участка цепи

 

Закон Ома для участка цепи. Немецкий физик Георг Ом (1787—1854) в 1826 г. обнаружил, что отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:

. (43.1)

Эту величину R называют электрическим сопротивлением проводника. 
   Единица электрического сопротивления в СИ — ом (Ом). Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение равно 1 В:

.

Опыт показывает, что электрическое  сопротивление проводника прямо  пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади S поперечного сечения:

. (43.2)

Постоянный для данного вещества параметр называется удельным электрическим сопротивлением вещества. 
   Экспериментально установленную зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R участка цепи называют законом Ома для участка цепи:

. (43.3) 

Сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R участка цели.

Закон Ома для полной цепи:

, (2)

где:

•  — ЭДСисточника напряжения(В),
•  — сила тока в цепи (А),
•  — сопротивление всех внешних элементов цепи(Ом) ,
•  — внутреннее сопротивлениеисточника напряжения(Ом) .

 

Вопрос 32.

Параллельное и  последовательное соединения сопротивлений

Последовательное и параллельное соединение проводников. Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно. При последовательном соединении проводников конец первого проводника соединяется с началом второго и т. д. При этом сила тока I одинакова во всех проводниках, а напряжение U на концах всей цепи равно сумме напряжений на всех последовательно включенных проводниках. Например, для трех последовательно включенных проводников 1, 2, 3 (рис. 150) с электрическими сопротивлениями R₁, R₂ и R₃ получим

U = U₁ + U₂ + U₃. (43.4)

По закону Ома для участка  цепи

U₁ = IR₁,    U₂ = IR₂,    U₃ = IR₃    и    U = IR, (43.5)

где R — полное сопротивление участка цепи из последовательно включенных проводников. Из выражений (43.4) и (43.5) будем иметь IR = I(R₁ + R₂ + R₃). Таким образом,

R = R₁ + R₂ + R₃ . (43.6)

При последовательном соединении проводников  их общее электрическое сопротивление  равно сумме электрических сопротивлений  всех проводников. 
   Из соотношений (43.5) следует, что напряжения на последовательно включенных проводниках прямо пропорциональны их сопротивлениям :

.

При параллельном соединении проводников 1, 2, 3 (рис. 151) их начала и концы имеют  общие точки подключения к  источнику тока.

При этом напряжение U на всех проводниках одинаково, а сила тока I в неразветвленной цепи равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках. Для трех параллельно включенных проводников сопротивлениями R₁, R₂ и R₃ на основании закона Ома для участка цепи запишем

,     ,     . (43.7)

Обозначив общее сопротивление  участка электрической цепи из трех параллельно включенных проводников  через R, для силы тока в неразветвленной цепи получим

. (43.8)

Так как

, (43.9)

то из выражений (43.7), (43.8) и (43.9) следует, что

. (43.10)

При параллельном соединении проводников  величина, обратная общему сопротивлению  цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям всех параллельно включенных проводников.  
   Параллельный способ включения широко применяется для подключения ламп электрического освещения и бытовых электроприборов к электрической сети.