4.1 Основы электростатики
4.2 Тест
4.3 Электрический ток в различных средах
4.4 Практическое задание
4.1 Основы электростатики

Вопросы:

- Почему нужно включать заземление при наливе и сливе горючего бензовоза?

- При окраске металлических деталей используется электрическое поле. При этом распылитель краски заряжается отрицательно, а окрашиваемое изделие заряжается положительно. Почему такое покрытие прочнее?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно изучить основные вопросы электростатики – части электродинамики, изучающей явления, связанные с электрическим неподвижным зарядом или зарядами. Электрический заряд – это свойство элементарной частицы, которое проявляется во взаимодействии с другой элементарной частицей с таким же свойством , т.е. электрическим зарядом.(Элементарные частицы – частицы в составе атома).

Заряды поделили на положительные и отрицательные, одного знака заряды отталкиваются, а противоположного знака притягиваются. Зарядить тела можно трением или в электрическом поле. Величина заряда обозначается g и измеряется в Кулонах. Заряд любого тела складывается из элементарных зарядов – самых маленьких в природе. Носителем элементарного ,положительного заряда является протон, а отрицательного электрон. В пространстве вокруг неподвижного заряженного тела, а короче около неподвижного электрического заряда существует электрическое или электростатическое поле – особый вид материи , существующий около неподвижного заряда и действующего на неподвижный заряд. Любая точка электрического поля имеет две характеристики :

Е – напряженность и ? - потенциал.
Е – силовая характеристика электрического поля определяется по формуле : Е = F / g ,где g – помещаемый в электрическом поле F – сила , действующая на него в электрическом поле.
В системе СИ : |E| = 1 H/Кл
? – потенциал электрического поля определяется : ? = Еп / g ,где Еп – потенциальная энергия внесенного в поле заряд.
В системе СИ |?| = 1 Дж / Кл = 1 В (вольт).
Две точки поля характеризуются разностью потенциалов ?? называемый еще напряжением U эл. поля.
1).?? = ?Еп / g
2). ?? = А / g

1). ?Еп – изменение энергии заряда g, перенесенного из одной точки поля в другую, между которыми определяется ??.

2). А – работа , совершаемая электрическим полем при перемещении заряда g между двумя точками поля, между которыми определяется ??.
В системе СИ : |??| = 1 Дж / Кл = 1 В.
Самым простым электрическим полем является однородное электрическое поле, в котором в каждой его точке напряженность Е одинакова по величине и направлению.

Два неподвижных точечных электрических заряда g1 и g2 взаимодействуют посредством электрического поля, они притягиваются или отталкиваются в зависимости от знаков заряда с силой, величина которой определяется по закону Кулона :

k – коэффициент пропорциональности, Е – относительная диэлектрическая проницаемость среды, для воздуха вакуума равная единице , для других сред E > 1 , отсюда самая большая F между зарядами в вакууме ( в воздух ) , r – расстояние между зарядами. Проводник в электрическом поле заряжается, его заряд распределяется по его поверхности и электрического поля внутри такого проводника не существует, а диэлектрик в электрическом поле поляризуется и ослабляет это электрическое поле. Проводник имеет способность накапливать электрический заряд, и эта его способность называется электроемкостью С, определяемого по формуле : С = g / ? , где g - заряд проводника, а ? – потенциал эл. поля, созданного заряженным проводником.
В системе СИ : | C | = 1 Кл / В = 1 Ф (фарады ). Накопителем электрической энергии служит конденсатор , состоящий из двух проводников одинаково и разноименно заряженных , называемых обкладками и диэлектрика , разделяющего обкладки конденсатора . Электроемкость или емкость конденсатора определяется по формуле С = g / U , где g – заряд конденсатора – заряд его одной обкладки. U – напряжение электрического поля между обкладками. Энергия конденсатора сосредоточена в его электрическом поле между обкладками конденсатора и определяется по формуле :

Вариант № 1 ( «3»)

Почему при электризации трением одно тело заряжается положительно, а другое точно так же отрицательно?

От чего зависит сила взаимодействия между неподвижными зарядами?

Что является источником электрического поля и на что оно действует?

Найти силу, действующую в однородном электрическом поле с напряженностью 10 Н / Кл на заряд 5 мКл.

Найти разность потенциалов между точками поля, если при перемещении между ними заряда 2 мкКл электрическое поле совершает работу 10 Дж.

Какой заряд способен накопить проводник электроемкостью 3 мкФ, если потенциал поля заряженного проводника составляет 1 В?

Вариант № 2 ( «4» )

Сила взаимодействия между неподвижными зарядами уменьшается в воде в 81 раз по сравнению с вакуумом , чему равна относительная диэлектрическая проницаемость воды?

С каким ускорением движется электрон в однородном электрическом поле с напряженностью 10⁴ Н / Кл?

Какую работу совершает электрическое поле при перемещении заряда 20 нКл из точки с потенциалом 700 В , в точку с потенциалом 200 В?

Какой заряд надо сообщить проводнику емкостью 10^-8 Ф , чтобы зарядить его до потенциала 30 В?

Двигаясь в электрическом поле, электрон увеличил свою скорость с 2 * 10⁶ м / с до 3 * 10⁶ м / с. Какова разность потенциалов между начальной и конечной точками пути электрона?

Вариант № 3 ( «5» )

Два неподвижных точечных заряда 6 * 10^-8 Кл и 2 * 10^-7 Кл находятся в трансформаторном масле на расстоянии 16 см друг от друга. Где между ними следует поместить третий заряд, чтобы он под действием сил оставался в равновесии?

Между двумя наэлектризованными пластинами однородное электрическое поле имеет напряженность 2,5 * 10 В / м. Какое напряжение приложено к пластинам, если расстояние между ними 0,04 м? С какой силой электрическое поле действует на помещенный в него заряд 6 * 10^-6 Кл?

Напряжение между обкладками плоского воздушного конденсатора 150 В. Площадь каждой обкладки 1,2 * 10^-2 м² , а заряд 5 * 10^-9 Кл. На каком расстоянии находятся обкладки плоского конденсатора?

4.2 Тест

4.3 Электрический ток в различных средах

Задача: « В мастерской установлено 7 моторов, включенных в сеть параллельно под напряжением 120 В. Каждый мотор потребляет мощность 1,2 * 10³ Вт. Найти силу тока через каждый мотор и через все моторы».

Чтобы решить эту задачу и другие, нужно овладеть следующими знаниями:
Электрический ток – это направленное движение свободных заряженных частиц под действием электрического поля.
Постоянный ток – это ток, величина и направление которого со временем не изменяется. За его направление приняли направленное движение положительно заряженных частиц. В металле электрический ток – это направленное движение свободных электронов под действием электрического поля. О величине электрического тока судят по силе тока I – быстрое протекание электрического заряда через поперечное сечение проводника I = g / t .

В системе СИ : | I | = 1 Кл / с = 1 А (ампер) на практике измеряется амперметром. Для того чтобы был ток, нужно, чтобы были:
1) проводник - материал, имеющий свободные заряды;
2) электрическое поле с некоторой разностью потенциалов или напряжением.
3) замкнутость электрической цепи.

Металлический проводник, по которому течет электрический ток, обладает электрическим сопротивлением R , зависящим от рода вещества проводника, его длины и площади сечения, т.е. R = ? * L / S ,где ? – удельное сопротивление проводника с длиной L = 1 и площадью сечения S = 1. В системе СИ : | R | = 1 Ом = 1В / А. | ? | = 1 Ом * м . Главный закон тока – Закон Ома : Закон Ома для участка цеп, где нет источника тока : I = U / R « Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению электрического поля на каждом участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка цепи» .Источник тока в электрической цепи служит для создания электрического поля с некоторой разностью потенциалов или напряжением имеет различное строение, а отсюда имеет различную энергетическую характеристику ЭДС источника тока Е

Е = А_стор / g определяется отношением работы сторонних (неэлектрических) сил, действующую внутри источника тока к величине заряда g, перемещаемого внутри источника тока. В системе СИ : | E | = 1 В ( вольт ) измеряется вольтметром, так же, как и напряжение .

Закон Ома для полной (замкнутой ) электрической цепи:
I = E / R + r «Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока, включенного в эту цепь и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, сумме внешнего R и внутреннего r сопротивлений электрической цепи».

Полная электрическая цепь состоит из двух участков внутреннего – источника тока и внешнего – всего того, что присоединяется к источнику тока – это потребители электрической энергии: электроизмерительные приборы и соединительные провода. Проводники можно в электрической цепи соединять последовательно, т.е. один за другим , при этом сила тока через все проводники равна силе тока через один проводник , т.е. I = I₁ = I₂ = . . . = I_n , а напряжение на всех проводниках равно сумме напряжений на отдельных проводниках U = U₁ + U₂ + . . . + U_n , сопротивление всех проводников соединенных последовательно, равно сумме сопротивлений отдельных проводников R = R₁ + R₂ + . . . + R_n .

Проводники чаще всего соединяют параллельно , в этом случае сила тока через все проводнике равна сумме сил токов через отдельные проводники I = I₁ + I₂ + . . . + I_n, а вот напряжение на всех параллельно соединенных проводниках равно напряжению на одном проводнике U = U₁ = U₂ = . . . Un , при параллельном соединении проводников величина, обратная сопротивлению всех проводников, равна сумме величин обратных сопротивлению отдельного проводника , т.е. 1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂ + . . . 1 / R_n. При прохождении тока через проводник имеет место превращения электрической энергии в другие виды энергии: механическую , внутреннюю , магнитную , химическую , оптическую. Количество израсходованной или превращенной электроэнергии определяется работой тока A = I * U * t, а мощность электрического тока P = I * U – это работа тока за единицу времени, а значит и количество израсходованной или превращенной электроэнергии за единицу времени. В системе СИ : |A | = 1А * 1В * 1с = 1Дж; | P | = 1А * 1В = 1 Вт( ватт).

Кроме металла проводниками являются :

жидкие проводники – это растворы и расплавы солей , щелочей и кислот и в них благодаря электролитической диссоциации образуются свободные положительные и отрицательные ионы, при создании в жидком проводнике - электролитический ток – это направленное движение свободных положительных и отрицательных ионов под действием электрического поля;

ионизованный газ, в нем электрический ток называется газовым разрядом – направленным движением свободных положительных и отрицательных ионов и электронов ;

вакуум станет проводником, при внесении в него электронов, помещенных путем термоэлектронной эмиссии – вылете электронов из нагретого металла, таким образом, ток в вакууме направленное движение электронов под действием электрического поля ;

полупроводники, в них при нагревании и освещении появляются свободные положительные заряды «дырки» - пустые места от пришедших из атомов электронов и отрицательные заряды – электронные, таким образом, в полупроводнике без примесей образуется собственная проводимость полупроводников – направленное движение свободных электронов и дырок, под действием электрического поля.

После изучения основных законов постоянного тока можно приступать к решению задач.
Решим задачу, предложенную перед изложением темы «Электрический ток в различных средах».

n – количество одинаковых моторов, Рn – мощность одного мотора, U – напряжение на всех моторах. Поскольку соединение моторов параллельное , то U = Un ; Un – напряжение на одном моторе . Тогда согласно формуле мощности тока :
Pn = In * Un > In = Pn / Un или In = Pn / U – ток через один мотор

При параллельном соединении ток через все моторы равен сумме токов через один мотор, но, поскольку моторы одинаковые, то и токи через один тоже одинаковые , поэтому чтобы найти ток через все моторы , нужно их количество умножить на ток через один , т.е. I = n * In ,тогда подставив In = Pn / U имеем I = n * Pn / U – ток через все моторы .

СИ | In | = Вт * А * В = А ; | I | = Вт * А * В / В = А

4.4. Практическое задание

Необходимо изготовить реостат, рассчитанный на 6 Ом из никелированного провода, диаметром 0,8 мм. Какой длины проводник необходимо взять? И каким будет падение напряжения на этом реостате при токе через него 1,5 А?

Ответьте на вопросы ТЕСТА

СОДЕРЖАНИЕ