Главная Онлайн учебники База репетиторов России Тренажеры по физике Подготовка к ЕГЭ 2022 онлайн
Глава 1. Электродинамика
Многие физические явления, наблюдаемые в природе и окружающей нас жизни, не могут быть объяснены только на основе законов механики, молекулярно-кинетической теории и термодинамики. В этих явлениях проявляются силы, действующие между телами на расстоянии, причем эти силы не зависят от масс взаимодействующих тел и, следовательно, не являются гравитационными. Эти силы называют электромагнитными силами.
О существовании электромагнитных сил знали еще древние греки. Но систематическое, количественное изучение физических явлений, в которых проявляется электромагнитное взаимодействие тел, началось только в конце XVIII века. Трудами многих ученых в XIX веке завершилось создание стройной науки, изучающей электрические и магнитные явления. Эта наука, которая является одним из важнейших разделов физики, получила название электродинамики.
Основными объектами изучения в электродинамике являются электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами и токами.
Кулон.
Кулон – единица измерения электрического заряда (количества электричества), а также потока электрической индукции (потока электрического смещения) в Международной системе единиц (СИ). Имеет русское обозначение – Кл и международное обозначение – C.
Кулон, как единица измерения
Применение кулона
Представление кулона в других единицах измерения – формулы
Кратные и дольные единицы кулона
Интересные примеры
Другие единицы измерения
Примеры статического электричества
Грозы на Земле. Вид с Международной космической станции. Фотографии НАСА.
Мы с детства инстинктивно боимся грома, хотя сам по себе он абсолютно безопасен — просто акустическое следствие грозного удара молнии, которая и вызвана атмосферным статическим электричеством. Моряки времён парусного флота впадали в священный трепет, наблюдая огоньки святого Эльма на своих мачтах, которые тоже являются проявлением атмосферного статического электричества. Люди наделяли верховных богов древних религий неотъемлемым атрибутом в виде молний, будь то греческий Зевс, римский Юпитер, скандинавский Тор или Перун русичей.
Самолет Air Canada на земле во время заправки
С тех пор, как люди впервые начали интересоваться электричеством, прошли века, и мы даже порой не подозреваем, что учёные, сделав из изучения статического электричества глубокомысленные выводы, спасают нас от ужасов пожаров и взрывов. Мы укротили электростатику, нацелив в небо пики громоотводов и снабдив бензовозы заземляющими устройствами, позволяющими электростатическим зарядам безопасно уходить в землю. И, тем не менее, статическое электричество продолжает хулиганить, создавая помехи приёму радиосигналов — ведь на Земле одновременно бушует до 2000 гроз, которые ежесекундно генерируют до 50 разрядов молний.
Исследованием статического электричества люди занимались с незапамятных времён; даже термину «электрон» мы обязаны древним грекам, хотя они подразумевали под этим несколько иное — так они называли янтарь, который прекрасно электризовался при трении (др. — греч. ἤλεκτρον — янтарь). К сожалению, наука о статическом электричестве не обошлась без жертв — российский учёный Георг Вильгельм Рихман во время проведения эксперимента был убит разрядом молнии, которая является наиболее грозным проявлением атмосферного статического электричества.
Статическое электричество и погода
В первом приближении, механизм образования зарядов грозового облака во многом сходен с механизмом электризации расчёски — в нём точно так же происходит электризация трением. Льдинки, образуясь из мелких капелек воды, охлаждённой из-за переноса восходящими потоками воздуха в верхнюю, более холодную, часть облака, сталкиваются между собой. Более крупные льдинки заряжаются при этом отрицательно, а меньшие — положительно. Из-за разницы в весе происходит перераспределение льдинок в облаке: крупные, более тяжёлые, опускаются в нижнюю часть облака, а более лёгкие льдинки меньшего размера собираются в верхней части грозового облака. Хотя всё облако в целом остаётся нейтральным, нижняя часть облака получает отрицательный заряд, а верхняя — положительный.
Франклин на стодолларовой купюре
Подобно наэлектризованной расческе, притягивающей воздушный шарик из-за индуцирования на его ближней к расческе стороне противоположного заряда, грозовое облако индуцирует на поверхности Земли положительный заряд. По мере развития грозового облака, заряды увеличиваются, при этом растёт напряжённость поля между ними, и, когда напряжённость поля превысит критическое значение для данных погодных условий, происходит электрический пробой воздуха — разряд молнии.
На бога надейся, а про молниеотвод не забывай!
Человечество обязано Бенджамину Франклину — впоследствии президенту Высшего исполнительного совета Пенсильвании и первому Генеральному почтмейстеру США — за изобретение громоотвода (точнее было бы назвать его молниеотводом), навсегда избавившего население Земли от пожаров, вызываемых попаданием молний в здания. Кстати, Франклин не стал патентовать своё изобретение, сделав его доступным для всего человечества.
Не всегда молнии несли только разрушения — уральские рудознатцы определяли расположение железных и медных руд именно по частоте ударов молний в определённые точки местности.
Лейденские банки в экспозиции Канадского музея науки и техники
В числе учёных, посвятивших своё время исследованию явлений электростатики, необходимо упомянуть англичанина Майкла Фарадея, впоследствии одного из основателей электродинамики, и голландца Питера ван Мушенбрука, изобретателя прототипа электрического конденсатора — знаменитой лейденской банки.
Наблюдая за гонками DTM, IndyCar или Formula 1, мы даже не подозреваем, что механики зазывают пилотов для смены резины на дождевую, опираясь на данные метеорологических РЛС. А эти данные, в свою очередь, основаны именно на электрических характеристиках подступающих грозовых облаков.
Метеорологическая РЛС в аэропорту им. Пирсона, Торонто
Статическое электричество — наш друг и враг одновременно: его недолюбливают радиоинженеры, натягивая заземляющие браслеты при ремонте сгоревших плат в результате удара поблизости молнии — при этом, как правило, выходят из строя входные каскады оборудования. При неисправном заземляющем оборудовании оно может стать причиной тяжёлых техногенных катастроф с трагическими последствиями — пожаров и взрывов целых заводов.
Статическое электричество в медицине
Тем не менее, оно приходит на помощь людям при нарушениях сердечного ритма, вызванных хаотическими судорожными сокращениями сердца больного. Его нормальная работа восстанавливается пропусканием небольшого электростатического разряда при помощи прибора, называемого дефибриллятором. Сцена возвращения пациента с того света с помощью дефибриллятора является своего рода классикой для кино определённого жанра. При этом следует отметить, что в кино традиционно показывают монитор с отсутствующим сигналом сердцебиения и зловещей прямой линией, хотя на самом деле применение дефибриллятора не помогает, если сердце пациента остановилось.
Разрядники на крыле самолета Boeing 738-800 предназначены для снятия статического электричества для обеспечения надежной работы бортового электронного оборудования.
Другие примеры
Нелишне будет вспомнить о необходимости металлизации самолетов для защиты от статического электричества, то есть, соединения всех металлических частей самолета, включая двигатель, в одну электрически целостную конструкцию. На законцовках всего оперения самолета устанавливают статические разрядники для стекания статического электричества, накапливающегося во время полета вследствие трения воздуха о корпус самолета. Эти меры необходимы для защиты от помех, возникающих при разряде статического электричества, и обеспечения надежной работы бортового электронного оборудования.
Электростатика играет определённую роль в знакомстве учеников с разделом «Электричество» — более эффектных опытов, пожалуй, не знает ни один из разделов физики — тут тебе и волосы, вставшие дыбом, и погоня воздушного шарика за расческой, и таинственное свечение люминесцентных ламп безо всякого подключения проводов! А ведь этот эффект свечения газонаполненных приборов спасает жизни электромонтёрам, имеющих дело с высоким напряжением в современных линиях электропередач и распределительных сетях.
И самое главное, учёные пришли к выводу, что статическому электричеству, точнее его разрядам в виде молний, мы, вероятно, обязаны появлению жизни на Земле. В ходе экспериментов в середине прошлого века, с пропусканием электрических разрядов через смесь газов, близкую по составу к первичному составу атмосферы Земли, была получена одна из аминокислот, которая является «кирпичиком» нашей жизни.
Источники бесперебойного питания (ИБП) используются для защиты оборудования от провалов напряжения, пропадания электропитания и импульсов высокого напряжения в промышленной электросети, которые могут возникать во время непрямых ударов молний
Для укрощения электростатики очень важно знать разность потенциалов или электрическое напряжение, для измерения которого придуманы приборы, называемые вольтметрами. Ввел понятие электрического напряжения итальянский учёный 19-го века Алессандро Вольта, по имени которого и названа эта единица. В своё время для измерения электростатического напряжения использовались гальванометры, названные по имени соотечественника Вольта Луиджи Гальвани. К сожалению, эти приборы электродинамического типа вносили искажения в измерения.
Кулон, как единица измерения:
Кулон – единица измерения электрического заряда (количества электричества), а также потока электрической индукции (потока электрического смещения) в Международной системе единиц (СИ), названная в честь в честь французского физика и инженера Шарля Кулона.
Кулон как единица измерения имеет русское обозначение – Кл и международное обозначение – С.
1 кулон определяется как величина заряда, прошедшего через проводник при силе тока 1 ампер за время 1 секунду.
Кл = А · с.
1 Кл = 1 А · с = 1 / 3600 ампер-часа.
Заряд в один кулон очень велик. Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1 Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9⋅109 H, то есть с силой, с которой гравитация Земли притягивает предмет массой порядка 1 миллиона тонн.
Электрический заряд (количество электричества) представляет собой физическую скалярную величину. Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы (электрон, позитрон, протон и пр.). Наименьшей по массе устойчивой в свободном состоянии частицей, имеющей один отрицательный элементарный электрический заряд, является электрон. Электрический заряд электрона неделим и равен -1,6021766208(98)⋅10−19 Кл. Заряд протона также равен заряду электрона, но с противоположным знаком (знаком +) и равен +1,6021766208(98)⋅10−19 Кл.
Таким образом, элементарный электрический заряд (с точностью до знака равный заряду электрона или протона) составляет вышеуказанную величину +/- 1,602176 6208(98)⋅10−19 Кл. Соответственно электрический заряд 6,24151⋅1018 электронов равен -1 Кл, а электрический заряд 6,24151⋅1018 протонов равен +1 Кл. При этом масса электрона составляет 9,10938356(11)⋅10−31 кг, а протона 1,672 621 923 69(51)⋅10−27 кг.
Наименьшая по массе устойчивая в свободном состоянии античастица с положительным элементарным зарядом – позитрон, имеющая такой же электрический заряд, что и электрон, но со знаком +. Электрический заряд позитрона равен +1,6021766208(98)⋅10−19 Кл. Масса позитрона 9,10938356(11)⋅10−31.
В Международную систему единиц кулон введён решением XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году, одновременно с принятием системы СИ в целом. В соответствии с правилами СИ, касающимися производных единиц, названных по имени учёных, наименование единицы «кулон» пишется со строчной буквы, а её обозначение — с заглавной (Кл). Такое написание обозначения сохраняется и в обозначениях производных единиц, образованных с использованием кулона.
Каким прибором измеряется электрический заряд?
Прибор, который определяет электрический заряд носит название электроскоп.
Электроскоп (от греческих слов «электрон» и skopeo – наблюдать, обнаруживать) — прибор для индикации наличия электрического заряда.
Принцип действия электроскопа основан на том, что на одноименно заряженные тела действуют силы взаимного отталкивания.
Измерить электрический заряд можно также с помощью электрометра, в простейшем случае состоящий из металлического стержня и стрелки, которая способна вращаться вокруг горизонтальной оси
Вы спросите чем электрометр отличается от электроскопа? Электроскоп и электрометр это приборы для обнаружения зарядов. У электрометра имеется стрелка которая позволяет еще и оценить(измерить) электрический заряд.
Т.е.электроскоп находит заряд, а электрометр еще и измеряет силу заряда (метр -измерять, вычислять)
Кратные и дольные единицы кулона:
Кратные и дольные единицы образуются с помощью стандартных приставок СИ.
| Кратные | Дольные | ||||||
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 101 Кл | декакулон | даКл | daC | 10−1 Кл | децикулон | дКл | dC |
| 102 Кл | гектокулон | гКл | hC | 10−2 Кл | сантикулон | сКл | cC |
| 103 Кл | килокулон | кКл | kC | 10−3 Кл | милликулон | мКл | mC |
| 106 Кл | мегакулон | МКл | MC | 10−6 Кл | микрокулон | мкКл | µC |
| 109 Кл | гигакулон | ГКл | GC | 10−9 Кл | нанокулон | нКл | nC |
| 1012 Кл | теракулон | ТКл | TC | 10−12 Кл | пикокулон | пКл | pC |
| 1015 Кл | петакулон | ПКл | PC | 10−15 Кл | фемтокулон | фКл | fC |
| 1018 Кл | эксакулон | ЭКл | EC | 10−18 Кл | аттокулон | аКл | aC |
| 1021 Кл | зеттакулон | ЗКл | ZC | 10−21 Кл | зептокулон | зКл | zC |
| 1024 Кл | иоттакулон | ИКл | YC | 10−24 Кл | иоктокулон | иКл | yC |
Основные электрические величины
- Главная
- Измерительные приборы
Рассмотрим основные электрические величины, которые мы изучаем сначала в школе, затем в средних и высших учебных заведениях. Все данные для удобства сведем в небольшую таблицу. После таблицы будут приведены определения отдельных величин, на случай возникновения каких-либо непониманий.
| Величина | Единица измерения в СИ | Название электрической величины |
| q | Кл — кулон | заряд |
| R | Ом – ом | сопротивление |
| U | В – вольт | напряжение |
| I | А – ампер | Сила тока (электрический ток) |
| C | Ф – фарад | Емкость |
| L | Гн — генри | Индуктивность |
| sigma | См — сименс | Удельная электрическая проводимость |
| e0 | 8,85418781762039*10-12 Ф/м | Электрическая постоянная |
| φ | В – вольт | Потенциал точки электрического поля |
| P | Вт – ватт | Мощность активная |
| Q | Вар – вольт-ампер-реактивный | Мощность реактивная |
| S | Ва – вольт-ампер | Мощность полная |
| f | Гц — герц | Частота |
Существуют десятичные приставки, которые используются в названии величины и служат для упрощения описания. Самые распространенные из них: мега, мили, кило, нано, пико. В таблице приведены и остальные приставки, кроме названных.
| Десятичный множитель | Произношение | Обозначение (русское/международное) |
| 10-30 | куэкто | q |
| 10-27 | ронто | r |
| 10-24 | иокто | и/y |
| 10-21 | зепто | з/z |
| 10-18 | атто | a |
| 10-15 | фемто | ф/f |
| 10-12 | пико | п/p |
| 10-9 | нано | н/n |
| 10-6 | микро | мк/μ |
| 10-3 | милли | м/m |
| 10-2 | санти | c |
| 10-1 | деци | д/d |
| 101 | дека | да/da |
| 102 | гекто | г/h |
| 103 | кило | к/k |
| 106 | мега | M |
| 109 | гига | Г/G |
| 1012 | тера | T |
| 1015 | пета | П/P |
| 1018 | экза | Э/E |
| 1021 | зета | З/Z |
| 1024 | йотта | И/Y |
| 1027 | ронна | R |
| 1030 | куэкка | Q |
Сила электрического тока в 1А – это величина, равная отношению заряда в 1 Кл, прошедшего за 1с времени через поверхность (проводник), к времени прохождения заряда через поверхность. Для протекания тока необходимо, чтобы цепь была замкнутой.
Сила тока измеряется в амперах. 1А=1Кл/1c
В практике встречаются
1кА = 1000А
1мА = 0,001А
1мкА = 0,000001А
Электрическое напряжение – разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Величина электрического потенциала измеряется в вольтах, следовательно, и напряжение измеряется в вольтах (В).
1Вольт – напряжение, которое необходимо для выделения в проводнике энергии в 1Ватт при протекании по нему тока силой в 1Ампер.
Единица измерения напряжения электрического тока представляет собой следующее отношение 1В=1Вт/1А.
В практике встречаются следующие варианты единиц измерения электрического потенциала, а точнее разности потенциалов:
- 1кВ = 1000В
- 1мВ = 0,001В
Электрическое сопротивление – характеристика проводника препятствовать протеканию по нему электрического тока. Определяется как отношение напряжения на концах проводника к силе тока в нем. Измеряется в омах (Ом). В некоторых пределах величина постоянная.
1Ом – сопротивление проводника при протекании по нему постоянного тока силой 1А и возникающем при этом на концах напряжении в 1В.
Из школьного курса физики все мы помним формулу для однородного проводника постоянного сечения:
R=ρlS – сопротивление такого проводника зависит от сечения S и длины l
где ρ – удельное сопротивление материала проводника, табличная величина.
Между тремя вышеописанными величинами существует закон Ома для цепи постоянного тока.
Ток в цепи прямо пропорционален величине напряжения в цепи и обратно пропорционален величине сопротивления цепи – закон Ома.
I=U/R
Электрической емкостью называется способность проводника накапливать электрический заряд.
Емкость измеряется в фарадах (1Ф).
1Ф = 1Кл/1В
1Ф – это емкость конденсатора между обкладками которого возникает напряжение 1В при заряде в 1Кл.
В практике встречаются
1пФ = 0,000000000001Ф
1нФ = 0,000000001Ф
Индуктивность – это величина, характеризующая способность контура, по которому протекает электрический ток, создавать и накапливать магнитное поле.
Индуктивность измеряется в генри.
1Гн = (В*с)/А
1Гн – величина, равная ЭДС самоиндукции, возникающей при изменении величины тока в контуре на 1А в течение 1секунды.
В практике встречаются
1мГн = 0, 001Гн
Электрическая проводимость – величина, показывающая способность тела проводить электрический ток. Обратная величина сопротивлению.
Электропроводность измеряется в сименсах.
1См = Ом-1
Как подобрать шунт к амперметру
Как подключить стрелочный амперметр
