Фізика, 9 клас. Електромагнітні явища. Електричне поле. Електричний струм

Матеріал з Фізмат Вікіпедії
Перейти до: навігація, пошук

"Фізика, 9 клас. Електромагнітні явища. Електричне поле. Електричний струм"

1)Електромагнітні явища 1. Постійні магніти 2. Електромагнітна індукція 3. Електромагніти 4. Трансформатор 5. Генератор

Постійні магніти: можна змінити силу магніта, полярність, показати силові лінії, показати компас, показати вимірювач індукції магнітного поля (повна, проекція на х та y, кут нахилу); електромагнітна індукція - магніт який можна вставити у котушку: можна змінити силу магніта, полярність, показати компас чи вимірювач індукції магнітного поля, використомувати у якості індикатора лампочку чи вольтметр, змінити кількість витків, змінити радіус котушки, показати рух електронів; електромагніти - котушка з током: можна використовувати джерело постійного струму або змінного, змінювати кількість витків, показувати силові лінії магнітного поля, компас, вимірювач індукції магнітного поля, електрони, модель можна поставити на паузу та дивитися перебіг явища крок за кроком; трансформатор - дві поряд розташовані котушки: можна обрати джерело постійного чи змінного струму, для джерела змінного струму змінити частоту та амплітуду коливань, змінити кількість витків, показати компас, вимірювач індукції магнітного поля, силові лінії магнітного поля, електрони, в якості індикатора індукції обрати лампочку або вольтметр, змінити кількість та радіус витків, показати електрони, модель можна поставити на паузу та дивитися перебіг явища крок за кроком; генератор змінного струму - вода з крану падає на водяне колесо до якого прикріплено магніт, в котушці поряд з'являється струм: можна змінити силу магніта, показати силові лінії магнітного поля, компас, вимірювач індукції магнітного поля, використовувати в якості індикатора лампочку або вольтметр, змінити кількість витків та їх радіус, модель можна поставити на паузу та дивитися перебіг явища крок за кроком.

Постійні магніти Показуємо магніт та компас. Чому відбувається взаємодія? Після вивчення електричних явищ учні полюбляють казати, що магніт має електричний заряд, тому треба розвіяти цю думку реальним експериментом (наприклад, піднести магніт до елеткроскопу і показати відсутність заряду). Висновок такий: щось схоже на електричне поле, але не воно, назвали магнітне поле.

Що таке полюси магніту? Тут також потрібен реальний експеримент. Занурюємо магніт в залізні ошкурки та показуємо, що вони прилипли тільки до певних місць магніту, які і називають полюсами.

Показуємо на моделі притягування протилежних та відштовхування однакових полюсів.

Як дослідити магнітне поле? Оскільки воно проявляє себе дією на інші магніти, то в якості приладу використаємо магніт. За напрям магнітного поля приймають північний напрям стрілки. Переміщуючі компас біля магніту можна скласти враження про конфігурацію магнітного поля, але складно. Краще використовувати для цього багато маленьких магнітних стрілочок (наприклад, залізні ошкурки). Включаємо відображення силових ліній магнітного поля і спостерігаємо, що всі разом ці стрілочки розташовані певними лініями які і називають силовими лініями магнітного поля. Малюємо у зошитах конфігурацію магнітного поля постійного магніта, показуємо напрям силових ліній, розв'язуємо задачі на закріплення.

Електромагнітна індукція

Недоліком моделі є неможливість провести кількісні вимірювання.

Рухаємо магніт та спостерігаємо спалахи лампи. Це і є зовнішня проява явища електромагнітної індукції.

Чому світиться лампа? Бо через лампу проходить електричний струм.

Звідки з'являється електричний струм? У всіх попередніх випадках електричний струм з'являвся внаслідок дії електричного поля зарядів на кінцях провідника.

А в цьому випадку так само? Ні, тут є тільки магніт і його магнітне поле.

Чи може магнітне поле діяти на електричні заряди? Ні. На електричні заряди діє тільки електричне поле.

Залишається припустити, що змінне магнітне поле (магніт ж бо рухається) створює електричне поле. Електричне поле у свою чергу змушує рухатися електрони провідника.

Таким чином, електромагнітна індукція це фізичне явище, що полягає у створенні електричного поля змінним магнітним полем.

Змінимо такий недосконалий індикатор струму як електрична лампочка на гальванометр і спробуємо з'ясувати залежність явища від різних параметрів.

Будемо міняти силу магнітного поля, швидкість руху магніту, полярність, площу рамки - чим швидше змінюється магнітне поле, тим більше електричне поле і, відповідно, сила струму.

Змінемо кількість витків у котушці - чим більша кількість, тим більше електричне поле та струм.


Правило Ленца Попередню модель можна використати і для ілюстрації правила Ленца, але:

1. В моделі показується рух електронів, а не напрям електричного струму, що ускладнює розуміння.

2. Магнітне поле котушки із струмом не показується, що ускладнює розуміння.

3. Втрачається можливість продемонструвати приклад логічного мислення на основі закону збереження енергії.

Електромагніти За допомогою моделі можна показати наявність та конфігурацію магнітного поля котушки із струмом, залежніжність магнітного поля від сили струму та кількості витків.

Можна показати і правило правої руки, але в моделі відображається рух електронів, а не напрям струму.

Трансформатор У замкненому контурі, що знаходиться в змінному магнітному полі з'являється електричний струм. Якщо будемо створювати магнітне поле не постійним магнітом, а іншою котушкою із струмом, то отримаємо найпростіший трансформатор. За допомогою трасформатора, змінюючи кількість витків котушок, можна змінювати силу струму або напругу.

Якщо замість джерела постійного струму до первинної котишки під'єднати джерело змінного струму, то у вторинній котушці буде існувати змінний струм. Генератор

Якщо змусити магніт постійно рухатися біля котушки таким чином, щоб змінювалося магнітне поле, то отримуємо джерело змінного струму.


2)Електричне поле

1. Створення електричного поля 2. Енергія електричного поля 3. Термодинамічні потенціали

Електри́чне по́ле — одна зі складових електромагнітного поля, що існує навколо тіл або частинок, що мають електричний заряд, а також у вільному вигляді при зміні магнітного поля (наприклад, в електромагнітних хвилях). Електричне поле може спостерігатися завдяки силовому впливу на заряджені тіла. Кількісними характеристиками електричного поля є вектор напруженості електричного поля й вектор електричної індукції . У випадку, коли електричне поле не змінюється з часом, його називають електростатичним полем. Розділ фізики, який вивчає розподіл статичного електричного поля в просторі, називається електростатикою.

Створення електричного поля

Електричне поле створюється зарядженими тілами, зокрема зарядженими елементарними частинками. Таке поле є потенціальним. Його напруженість визначається законом Кулона. Силові лінії потенціального електричного поля починаються і закінчуються на зарядах або виходять на нескінченність. За законом електромагнітної індукції електричне поле створюється також змінним магнітним полем. Таке електричне поле - вихрове. Силові лінії вихрового електричного поля замкнені.

Енергія електричного поля

Електричне поле викликає переміщення вільних зарядів і може виконувати роботу, а це значить, що воно має енергію. Енергія електричного поля W задається формулою B891f03fcc83c9fb1ceb4a3245d3ff09.png , де інтегрування проводиться по всьому простору [1]. Відповідно, густина енергії електричного поля задається формулою B2951f628f8e629c1cc987e8c3ede701.png

Енергія електричного поля системи заряджених провідників із зарядами qi дорівнює B6c8b93d5fa5e1fb40ad3d71c8ad4945.png , де φi — потенціали провідників.

Термодинамічні потенціали

Відклик термодинамічної системи на прикладене зовнішнє електричне поле описується термодинамічними потенціалами. Наприклад, вільна енергія одиниці об'єму має вигляд Fa71d2d91b84385d852e7e48e8a36b4e.png . Таким чином, напруженість електричного можна визначити через часткову похідну вільної енергії по електричній індукції при сталій температурі.

20a66a2eee95664ec957c05fc494df18.png

3)Електричний струм

Прикладемо до провідника, довжина якого l і площа поперечного перерізу S, напругу U (рис. 4.2.2). При цьому в провіднику виникне електричне поле, напруженість якогоF045 (1).png . Це поле діє на вільні заряди в провіднику із силою Кулона: F046.png.

P17.png

Під дією цієї сили в провіднику виникне напрямлений рух електричних зарядів, який і називають електричним струмом. За напрям електричного струму вважають напрям руху позитивних зарядів.

Рухів частинок в провіднику безпосередньо не видно, але доказами цих рухів є такі явища:

1) під час проходження електричного струму провідник нагрівається (теплова дія струму);

2) електричний струм змінює хімічний склад провідника (хімічна дія);

3) струм спричиняє силову дію на сусідні струми і намагнічені тіла (магнітна дія).

Величина, що дорівнює заряду, перенесеному за одиницю часу, є основною кількісною характеристикою струму і називається силою струму.

Сила струму - це скалярна фізична величина, що дорівнює відношенню заряду Dq, який переноситься через поперечний переріз провідника за інтервал часу Dt, до цього інтервалу часу:

F047.png 

Якщо сила струму з часом не змінюється, то струм називають постійним. Сила струму залежить від заряду, який переносить кожна частинка, концентрації частинок, швидкості їх напрямленого руху і площі поперечного перерізу провідника. Відповідно: F048.png

де q0 - елементарний заряд, який створює струм в провіднику; n - концентрація вільних носіїв зарядів ( кількість зарядів на 1 м3); S - площа поперечного перерізу провідника; - швидкість напрямленого руху вільних носіїв зарядів (швидкість дрейфу), вона дуже мала ( 0,1 мм/с).

У СІ [I] = A (Ампер), 1 А = Кл/с. Вимірюють силу струму амперметром.

Ще однією характеристикою струму є густина струму: F050.png Одиницю густини струму встановлюють із формули (4.2.2). У СІ одиниця густини струму - ампер на метр в квадраті (А/м2). Інколи використовують також позасистемну одиницю густини струму: 1 А/мм2 = 1·106 А/м2. Для того, щоб виник та існував постійний електричний струм у речовині, потрібні: а) наявність вільних заряджених частинок; б) напруженість електричного поля в провіднику має не дорівнювати нулеві і бути сталою в часі; в) коло постійного струму має бути замкненим; г) на вільні електричні заряди, крім кулонівських сил, мають діяти неелектричні сили, які називають сторонніми силами. Сторонні сили можуть бути створені джерелами струму (гальванічними елементами, акумуляторами, електричними генераторами тощо).

Під час замикання кола електричний струм виникає миттєво, а швидкість напрямленого руху вільних заряджених частинок має певне значення. Ця суперечність пояснюється тим, що швидкість встановлення електричного поля по периметру кола значно більша від швидкості впорядкованого руху вільних носіїв заряду. Електричне поле під час замикання кола установлюється протягом часу , де l - периметр електричного кола; c - швидкість світла. Унаслідок такого миттєвого поширення електричного поля майже одночасно по всьому об'єму провідників зовнішньої ділянки замкненого кола на вільні заряджені частинки в певному напрямі діятимуть кулонівські сили, а на внутрішній ділянці діятимуть сторонні сили.