Явление самоиндукции. Индуктивность. Электромагнитное поле

Б18.1 Явление самоиндукции. Индуктивность. Электромагнитное поле.

 

    Явление самоиндукции  заключается в появлении ЭДС  индукции в самом проводнике  при изменении тока в нем.  Примером явления самоиндукции  является опыт с двумя лампочками, подключенными параллельно через  ключ к источнику тока, одна  из которых подключается через  катушку (рис. 39). При замыкании  ключа лампочка 2, включенная через  катушку, загорается позже лампочки 1. Это происходит потому, что после  замыкания ключа ток достигает  максимального значения не сразу,  магнитное поле нарастающего  тока породит в катушке индукционную ЭДС, которая в соответствии с правилом Ленца будет мешать нарастанию тока.

      Для самоиндукции  выполняется установленный опытным  путем закон: ЭДС самоиндукции  прямо пропорциональна скорости  изменения тока в проводнике. .

     Коэффициент  пропорциональности L называют индуктивностью. Индуктивность — это величина, равная ЭДС самоиндукции при  скорости изменения тока в  проводнике 1 А/с. Единица индуктивности — генри (Гн). 1 Гн = 1 В • с/А. 1 генри — это индуктивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения тока 1 А/с. Индуктивность характеризует магнитные свойства электрической цепи (проводника), зависит от магнитной проницаемости среды сердечника, размеров и формы катушки и числа витков в ней.

    При отключении  катушки индуктивности от источника  тока лампа, включенная параллельно  катушке, дает кратковременную  вспышку (рис. 40).

   

    

   

     Ток в цепи  возникает под действием ЭДС  самоиндукции. Источником энергии,  выделяющейся при этом в электрической  цепи, является магнитное поле  катушки. Энергия магнитного поля  находится по формуле 

   Энергия магнитного  поля зависит от индуктивности  проводника и силы тока в  нем. Эта энергия может переходить  в энергию электрического поля. Вихревое электрическое поле  порождается переменным магнитным  полем, а переменное электрическое  поле порождает переменное магнитное  поле, т. е. переменные электрическое  и магнитное поля не могут  существовать друг без друга.  Их взаимосвязь позволяет сделать  вывод о существовании единого  электромагнитного поля. Электромагнитное  поле — одно из основных  физических полей, посредством  которого осуществляется взаимодействие  электрически заряженных частиц  или частиц, обладающих магнитным  моментом. Электромагнитное поле  характеризуется напряженностью  электрического поля и магнитной  индукцией. Связь между этими  величинами и распределением  в пространстве электрических  зарядов и токов была установлена  в 60-х годах прошлого столетия  Дж. Максвеллом. Эта связь носит  название основных уравнений  электродинамики, которые описывают  электромагнитные явления в различных  средах и в вакууме. Получены  эти уравнения как обобщение  установленных на опыте законов  электрических и магнитных явлений.

 

Б18.2

 

 

Б12,1

Ни механика, ни МКТ не в состоянии объяснить природу  сил, связывающих атомы. Законы взаимодействия атомов и молекул можно объяснить  на основе представления об электрических  зарядах. <Опыт с натиранием ручки  и притяжением бумажки> Взаимодействие тел, обнаруживаемое в этом опыте называется электромагнитным, и обуславливается электрическими зарядами. Способность зарядов притягиваться и отталкиваться объясняется предположением о существовании двух видов зарядов – положительному и отрицательному. Тела, заряженные одинаковым зарядом, отталкиваются, разным – притягиваются. Единицей заряда является кулон – заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 секунду при силе тока в 1 ампер. В замкнутой системе, в которую не входят извне электрические заряды и из которого не выходят электрические заряды при любых взаимодействиях алгебраическая сумма зарядов всех тел постоянна. Основной закон электростатики, он же закон Кулона, гласит, что модуль силы взаимодействия между двумя зарядами прямо пропорционален произведению модулей зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними .   Сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Является силой отталкивания или притяжение, в зависимости от знака зарядов. Постоянная k в выражении закона Кулона равна  . Вместо этого коэффициента используют т.н. электрическую постоянную, связанную с коэффициентом k выражением ,   откуда .   Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называется электростатическим.

 

 

 

 

 

   

Б1.1Механическое движение. Относительность движения. Система отсчета. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Мгновенная скорость. Ускорение. Равномерное и равноускоренное движение.

 

    Механическим движением  называют изменение положения  тела (или его частей) относительно  других тел. Например, человек,  едущий на эскалаторе в метро,  находится в покое относительно  самого эскалатора и перемещается  относительно стен туннеля; гора  Эльбрус находится в покое  относительно Земли и движется  вместе с Землей относительно  Солнца.

   

     Из этих примеров  видно, что всегда надо указать  тело, относительно которого рассматривается  движение, его называют телом  отсчета. Система координат, тело  отсчета, с которым она связана,  и выбранный способ измерения  времени образуют систему отсчета.

   

     Положение тела  задается координатой. Рассмотрим  два примера. Размеры орбитальной  станции, находящейся на орбите  около Земли, можно не учитывать,  а рассчитывая траекторию движения  космического корабля при стыковке  со станцией, без учета ее размеров  не обойтись. Таким образом, иногда  размерами тела по сравнению  с расстоянием до него можно  пренебречь, в этих случаях тело  считают материальной точкой. Линию,  вдоль которой движется материальная  точка, называют траекторией.  Длину траектории называют путем  (l). Единица пути — метр.

   

     Механическое  движение характеризуется тремя  физическими величинами: перемещением, скоростью и ускорением.

   

     Направленный  отрезок прямой, проведенный из  начального положения движущейся  точки в ее конечное положение,  называется перемещением (s). Перемещение  — величина векторная. Единица  перемещения — метр.

   

     Скорость —  векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения  тела, численно равная отношению  перемещения за малый промежуток  времени к величине этого промежутка. Промежуток времени считается  достаточно малым, если скорость  при неравномерном движении в  течение этого промежутка не  менялась. Определяющая формула  скорости имеет вид v = s/t. Единица  скорости — м/с. На практике используют единицу измерения скорости км/ч (36 км/ч = 10 м/с). Измеряют скорость спидометром.

   

     Ускорение —  векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения  скорости, численно равная отношению  изменения скорости к промежутку  времени, в течение которого  это изменение произошло. Если  скорость изменяется одинаково  в течение всего времени движения, то ускорение можно рассчитать  по формуле 

   

      Единица  ускорения —  .

   

     Характеристики  механического движения связаны  между собой основными кинематическими  уравнениями:

   

     

   

     Предположим,  что тело движется без ускорения  (самолет на маршруте), его скорость  в течение продолжительного времени  не меняется, а = 0, тогда кинематические  уравнения будут иметь вид:

   

     

   

     Движение, при  котором скорость тела не меняется, т. е. тело за любые равные  промежутки времени перемещается  на одну и ту же величину, называют равномерным прямолинейным  движением.

   

     Во время  старта скорость ракеты быстро  возрастает, т. е. ускорение а > 0, а = const.

   

     В этом случае  кинематические уравнения выглядят  так:

   

     

   

     При таком  движении скорость и ускорение  имеют одинаковые направления,  причем скорость изменяется одинаково  за любые равные промежутки  времени. Этот вид движения  называют равноускоренным.

   

     При торможении  автомобиля скорость уменьшается  одинаково за любые равные  промежутки времени, ускорение  направлено в сторону, противоположную  движению; так как скорость уменьшается,  то уравнения принимают вид:

   

     

   

     Такое движение  называют равнозамедленным.

   

     Все физические  величины, характеризующие движение  тела (скорость, ускорение, перемещение), а также вид траектории, могут  изменяться при переходе из  одной системы к другой, т. е.  характер движения зависит от  выбора системы отсчета, в этом  и проявляется относительность  движения. Например, в воздухе происходит  дозаправка самолета топливом. В  системе отсчета, связанной с  самолетом, другой самолет находится  в покое, а в системе отсчета,  связанной с Землей, оба самолета  находятся в движении. При движении  велосипедиста точка колеса в  системе отсчета, связанной с  осью, имеет траекторию, представленную  на рисунке 1.

  В системе отсчета,  связанной с Землей, вид траектории  оказывается другим (рис. 2).

   

    

   

    

Б1,2

Задача на применение закона сохранения массового числа и  электрического заряда.

 

    Определите, какая  частица участвует в осуществлении  ядерной реакции

   

    

    Решение

   

     Воспользовавшись  свойством сохранения числа протонов  и общего числа нуклонов при  осуществлении ядерных реакций,  можно определить, что неизвестная  частица х содержит два протона  и состоит из четырех нуклонов. Следовательно, это ядро атома  гелия Не (а-частица).

  

  Б2,1

Взаимодействие тел. Сила. Второй закон Ньютона.

 

    Простые наблюдения  и опыты, например с тележками  (рис. 3), приводят к следующим качественным  заключениям: а) тело, на которое  другие тела не действуют, сохраняет  свою скорость неизменной; б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.

   

     Взаимодействия  отличаются друг от друга и  количественно, и качественно.  Например, ясно, что чем больше  деформируется пружина, тем больше  взаимодействие ее витков. Или  чем ближе два одноименных  заряда, тем сильнее они будут  притягиваться. В простейших случаях  взаимодействия количественной  характеристикой является сила. Сила — причина ускорения тел  (в инерциальной системе отсчета). Сила — это векторная физическая  величина, являющаяся мерой ускорения,  приобретаемого телами при взаимодействии. Сила характеризуется: а) модулем;  б) точкой приложения; в) направлением.

   

     Единица силы  — ньютон. 1 ньютон — это сила, которая телу массой 1 кг сообщает  ускорение 1   в направлении действия этой силы, если другие тела

  на него не действуют.  Равнодействующей нескольких сил  называют силу, действие которой  эквивалентно действию тех сил,  которые она заменяет. Равнодействующая  является векторной суммой всех  сил, приложенных к телу.

Качественно по своим свойствам  взаимодействия также различны. Например, электрическое и магнитное взаимодействия связаны с наличием зарядов у  частиц либо

с движением заряженных частиц.  На основании опытных данных были сформулированы законы Ньютона. Второй закон Ньютона. Ускорение, с которым  движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействующая сила:

     Б2,2

                        

                 Измерение показателя преломления  стекла.                

     Оборудование: Стеклянная призма, лампочка, булавки,  транспортир, карандаш,

линейка, таблица.

                            Выполнение работы.                           

     α-угол падения

     β-угол преломления

     α=600, sin α=0,86

     β=350, sin β=0,58

     n – относительный  показатель преломления

n=----------,     n=-------- =---------=1,5

     Вывод: Определили  относительный показатель преломления  стекла.

 

Б3,1 Импульс тела. Закон сохранения импульса. Проявление закона сохранения импульса в природе и его использование в технике.

 

Простые наблюдения и опыты  доказывают, что покой и движение относительны, скорость тела зависит  от выбора системы отсчета; по второму  закону Ньютона независимо от того, находилось ли тело в покое или  двигалось, изменение скорости его  движения может происходить только под действием силы, т. е. в результате взаимодействия с другими телами. Однако существуют величины, которые  могут сохраняться при взаимодействии тел. Такими величинами являются энергия  и импульс.

   

     Импульсом тела  называют векторную физическую  величину, являющуюся количественной  характеристикой поступательного  движения тел. Импульс обозначается  р. Импульс тела равен произведению  массы тела на его скорость: р = mv. Направление вектора импульса р совпадает с направлением вектора скорости тела 0. Единица измерения импульса — кг • м/с.

   

     Для импульса  системы тел выполняется закон  сохранения, который справедлив  только для замкнутых физических  систем. В общем случае замкнутой  называют систему, которая не  обменивается энергией и массой  с телами и полями, не входящими  в нее. В механике замкнутой  называют систему, на которую  не действуют внешние силы  или действие этих сил скомпенсировано.  В этом случае p1 = р2, где pl — начальный импульс системы, а р2 — конечный. В случае двух тел, входящих в систему, это выражение имеет вид m1v1 + m2v2 = m1"v1" + m2"v2" , где ml и m2 — массы тел, а v1 и v2 — скорости до взаимодействия, v1" и v2" — скорости после взаимодействия (рис. 5).