III. Основы электродинамики. Разность потенциалов напряжение

Потенциал, работа электростатического поля. Потенциальная энергия, разность потенциалов, принцип суперпозиции. Тесты, формулы

Тестирование онлайн

Работа электростатического поля

Рассмотрим ситуацию: заряд q0 попадает в электростатическое поле. Это электростатическое поле тоже создается каким-то заряженным телом или системой тел, но нас это не интересует. На заряд q0 со стороны поля действует сила, которая может совершать работу и перемещать этот заряд в поле.

Работа электростатического поля не зависит от траектории. Работа поля при перемещении заряда по замкнутой траектории равна нулю. По этой причине силы электростатического поля называются консервативными, а само поле называется потенциальным.

Потенциал

Система "заряд - электростатическое поле" или "заряд - заряд" обладает потенциальной энергией, подобно тому, как система "гравитационное поле - тело" обладает потенциальной энергией.

Физическая скалярная величина, характеризующая энергетическое состояние поля называется потенциалом данной точки поля. В поле помещается заряд q, он обладает потенциальной энергией W. Потенциал - это характеристика электростатического поля.

Вспомним потенциальную энергию в механике. Потенциальная энергия равна нулю, когда тело находится на земле. А когда тело поднимают на некоторую высоту, то говорят, что тело обладает потенциальной энергией.

Касательно потенциальной энергии в электричестве, то здесь нет нулевого уровня потенциальной энергии. Его выбирают произвольно. Поэтому потенциал является относительной физической величиной.

В механике тела стремятся занять положение с наименьшей потенциальной энергией. В электричестве же под действием сил поля положительно заряженное тело стремится переместится из точки с более высоким потенциалом в точку с более низким потенциалом, а отрицательно заряженное тело - наоборот.

Потенциальная энергия поля - это работа, которую выполняет электростатическая сила при перемещении заряда из данной точки поля в точку с нулевым потенциалом.

Рассмотрим частный случай, когда электростатическое поле создается электрическим зарядом Q. Для исследования потенциала такого поля нет необходимости в него вносить заряд q. Можно высчитать потенциал любой точки такого поля, находящейся на расстоянии r от заряда Q.

Диэлектрическая проницаемость среды имеет известное значение (табличное), характеризует среду, в которой существует поле. Для воздуха она равна единице.

Разность потенциалов

Работа поля по перемещению заряда из одной точки в другую, называется разностью потенциалов

Эту формулу можно представить в ином виде

Эквипотенциальная поверхность (линия) - поверхность равного потенциала. Работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.

Напряжение

Разность потенциалов называют еще электрическим напряжением при условии, что сторонние силы не действуют или их действием можно пренебречь.

Напряжение между двумя точками в однородном электрическом поле, расположенными по одной линии напряженности, равно произведению модуля вектора напряженности поля на расстояние между этими точками.

От величины напряжения зависит ток в цепи и энергия заряженной частицы.

Принцип суперпозиции

Потенциал поля, созданного несколькими зарядами, равен алгебраической (с учетом знака потенциала) сумме потенциалов полей каждого поля в отдельности

При решении задач возникает много путаницы при определении знака потенциала, разности потенциалов, работы.

На рисунке изображены линии напряженности. В какой точке поля потенциал больше?

Верный ответ - точка 1. Вспомним, что линии напряженности начинаются на положительном заряде, а значит положительный заряд находится слева, следовательно максимальным потенциалом обладает крайняя левая точка.

Если происходит исследование поля, которое создается отрицательным зарядом, то потенциал поля вблизи заряда имеет отрицательное значение, в этом легко убедиться, если в формулу подставить заряд со знаком "минус". Чем дальше от отрицательного заряда, тем потенциал поля больше.

Если происходит перемещение положительного заряда вдоль линий напряженности, то разность потенциалов и работа являются положительными. Если вдоль линий напряженности происходит перемещение отрицательного заряда, то разность потенциалов имеет знак "+", работа имеет знак "-".

Порассуждайте самостоятельно отрицательные или положительные значения будут принимать работа и разность потенциалов, если заряд перемещать в обратном направлении относительно линий напряженности.

Напряжение в клетках сетчатки глаза при попадания в них света около 0,01 В.Напряжение в телефонных сетях может достигать 60 В. Электрический угорь способен создавать напряжение до 650 В.

Из определения потенциала следует, что потенциальная энергия электростатического взаимодействия двух зарядов q1 и q2, находящихся на расстоянии r друг от друга, численно равна работе, которая совершается при перемещении точечного заряда q2 из бесконечности в данную точку поля, созданного зарядом q1

Аналогично Тогда энергия взаимодействия двух точечных зарядов

Энергия взаимодействия n зарядов

fizmat.by

Работа сил электрического поля. Потенциал и разность потенциалов. Эквипотенциальные поверхности. Связь между напряжённостью и напряжением.

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 15Следующая ⇒

2. Модель строения атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи. Ядерные реакции. В 1932г. после открытия протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) была выдвинута протонно-нейтронная модель ядра атома.

Согласно этой модели:- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов- заряд ядра обусловлен только протонами- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента- число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов (N=A-Z)

Условное обозначение ядра атома химического элемента:

X – символ химического элементаА – массовое число, которое показывает :- массу ядра в целых атомных единицах массы (а.е.м.) (1а.е.м. = 1/12 массы атома углерода)- число нуклонов в ядре (A = N + Z) , где N – число нейтронов в ядре атомаZ – зарядовое число, которое показывает:- заряд ядра в элементарных электрических зарядах (э.э.з.)( 1э.э.з. = заряду электрона = 1,6 х 10-19 Кл)- число протонов- число электронов в атоме- порядковый номер в таблице МенделееваЯдерные силы - силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре.

Свойства:

1.На расстояниях порядка 10-13см сильные взаимодействия соответствуют притяжению, при уменьшении расстояния – отталкиванию.

2.Независимы от наличия электрического заряда (свойство зарядовой независимости) Одинаковая сила действует и на протон и на нейтрон.

3.Взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов (свойство насыщения).

4.Короткодействующие: быстро убывают, начиная с r ≈ 2,2.10-15 м.

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи очень велика. При синтезе 4 г гелия выделяется такое же количество энергии, как при сжигании двух вагонов каменного угля.

Масса ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных протонов и нейтронов, его составляющих. Разность между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов называется дефектом масс.

Формула для вычисления энергии связи:

- дефект массы.

mp –масса покоя протона; mn – масса покоя нейтрона. Мя - масса ядра атома.

В атомной физике массу удобно выражать в атомных единицах массы:

1 а.е.м.=1,67·10-27 кг. Коэффициент связи энергии и массы (равный с2): с2= 931,5 МэВ/а·е·м.

Ядерные реакции - превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом.

Символическая запись: А + а = В + b. При написании ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).

Примеры:

Энергетический выход ядерной реакции - разность между суммарной энергией связи частиц, участвующих в реакции и продуктов реакции.

Реакции, происходящие с выделением энергии, наз. экзотермическими, с поглощением - эндотермическими.

Билет 23.

Про разность потенциалов, электродвижущую силу и напряжение

Разность потенциалов

Про разность потенциалов, электродвижущую силу и напряжение Понятно, что одно тело можно подогреть больше, а другое меньше. Степень нагрева тела именуется его температурой. Подобно этому, одно тело можно наэлектризовать больше другого. Степень электризации тела охарактеризовывает величину, именуемую электронным потенциалом либо просто потенциалом тела.

Что означает наэлектризовать тело? Это означает сказать ему электронный заряд, т. е. прибавить к нему некое количество электронов, если мы тело заряжаем негативно, либо отнять их от него, если мы тело заряжаем положительно. В том и другом случае тело будет владеть определенной степенью электризации, т. е. тем либо другим потенциалом, при этом тело, заряженное положительно, обладает положительным потенциалом, а тело, заряженное негативно, — отрицательным потенциалом.

Разность уровней электронных зарядов 2-ух тел принято именовать разностью электронных потенциалов либо просто разностью потенциалов.

Следует подразумевать, что если два схожих тела заряжены одноименными зарядами, но одно больше, чем другое, то меж ними также будет существовать разность потенциалов.

Не считая того, разность потенциалов существует меж 2-мя такими телами, одно из которых заряжено, а другое не имеет заряда. Так, к примеру, если какое-либо тело, изолированное от земли, имеет некий потенциал, то разность потенциалов меж ним и землей (потенциал которой принято считать равным нулю) численно равна потенциалу этого тела.

Итак, если два тела заряжены таким макаром, что потенциалы их неодинаковы, меж ними безизбежно существует разность потенциалов.

Всем известное явление электризации расчески при трении ее о волосы есть не что другое, как создание разности потенциалов меж расческой и волосами человека.

Про разность потенциалов, электродвижущую силу и напряжение Вправду, при трении расчески о волосы часть электронов перебегает на расческу, заряжая ее негативно, волосы же, утратив часть электронов, заряжаются в той же степени, что и расческа, но положительно. Сделанная таким макаром разность потенциалов может быть сведена к нулю прикосновением расчески к волосам. Этот оборотный переход электронов просто находится на слух, если наэлектризованную расческу приблизить к уху. Свойственное потрескивание будет свидетельствовать о происходящем разряде.

Говоря выше о разности потенциалов, мы имели в виду два заряженных тела, но разность потенциалов можно получить и меж разными частями (точками) 1-го и такого же тела.

Так, к примеру, разглядим, что произойдет в кусочке медной проволоки, если под действием какой-нибудь наружной силы нам получится свободные электроны, находящиеся в проволоке, переместить к одному концу ее. Разумеется, на другом конце проволоки получится недочет электронов, тогда и меж концами проволоки возникнет разность потенциалов.

Стоит нам закончить действие наружной силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к концу проволоки, заряженному положительно, т. е. к месту, где их недостает, и в проволоке вновь наступит электронное равновесие.

Электродвижущая сила и напряжение

Для поддержания электронного тока в проводнике нужен некий наружный источник энергии, который всегда поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника.

Такими источниками энергии служат так именуемые источники электронного тока, владеющие определенной электродвижущей силой, которая делает и долгое время поддерживает разность потенциалов на концах проводника.

Электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) обозначается буковкой Е. Единицей измерения ЭДС служит вольт. У нас в стране вольт сокращенно обозначается буковкой «В», а в международном обозначении — буковкой «V».

Итак, чтоб получить непрерывное течение электронного тока, нужна электродвижущая сила, т. е. нужен источник электронного тока.

Первым таким источником тока был так именуемый «вольтов столб», который состоял из ряда медных и цинковых кружков, проложенных кожей, смоченной в подкисленной воде. Таким макаром, одним из методов получения электродвижущей силы является хим взаимодействие неких веществ, в итоге чего хим энергия преобразуется в энергию электронную. Источники тока, в каких таким методом создается электродвижущая сила, именуются хим источниками тока.

В текущее время хим источники тока — гальванические элементы и батареи — обширно используются в электротехнике и электроэнергетике.

Другим главным источником тока, получившим обширное распространение во всех областях электротехники и электроэнергетики, являются генераторы.

главным источником тока, получившим обширное распространение во всех областях электротехники и электроэнергетики, являются генераторы

Генераторы инсталлируются на электростанциях и служат единственным источником тока для питания электроэнергией промышленных компаний, электронного освещения городов, электронных стальных дорог, трамвая, метро, троллейбусов и т. д.

Как у хим источников электронного тока (частей и аккумов), так и у генераторов действие электродвижущей силы совсем идиентично. Оно состоит в том, что ЭДС делает на зажимах источника тока разность потенциалов и поддерживает ее долгое время.

Эти зажимы именуются полюсами источника тока. Один полюс источника тока испытывает всегда недочет электронов и, как следует, обладает положительным зарядом, другой полюс испытывает излишек электронов и, как следует, обладает отрицательным зарядом.

Соответственно этому один полюс источника тока именуется положительным (+), другой — отрицательным (—).

Источники тока служат для питания электронным током разных устройств — потребителей тока. Потребители тока с помощью проводников соединяются с полюсами источника тока, образуя замкнутую электронную цепь. Разность потенциалов, которая устанавливается меж полюсами источника тока при замкнутой электронной цепи, именуется напряжением и обозначается буковкой U.

Единицей измерения напряжения, так же как и ЭДС, служит вольт.

Если, к примеру, нужно записать, что напряжение источника тока равно 12 вольтам, то пишут: U — 12 В.

Для измерения ЭДС либо напряжения применяется прибор, именуемый вольтметром.

Чтоб измерить ЭДС либо напряжение источника тока, нужно вольтметр подключить конкретно к его полюсам. При всем этом, если электронная цепь разомкнута, то вольтметр покажет ЭДС источника тока. Если же замкнуть цепь, то вольтметр уже покажет не ЭДС, а напряжение на зажимах источника тока.

ЭДС, развиваемая источником тока, всегда больше напряжения на его зажимах.

elektrica.info

Каталог товаров