Закон Кулона icon

Закон Кулона


2 чел. помогло.
Смотрите также:
Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей...
Вопросы по физике для бакалавров сб-21...
Календарно-тематическое планирование по физике...
1. Закон Кулона...
«Уровневая дифференциация на уроках физики»...
2. Закон Кулона...
Закон сохранения электрического заряда...
Программа курса лекций...
Тематический план изучения логики № п/п Наименование тем Количество часов лекция...
Закон соизмеримости или закон Гармонии...
Законодательных (представительных) и исполнительных...
Тепловое излучение. Интегральные и спектральные характеристики излучения. Закон Кирхгофа...



Загрузка...
страницы:   1   2   3   4   5
скачать
Часть 2. «Электричество и магнетизм»


Количество аудиторных часов всего –68 часов. Из них лекционных – 28 часов, практических – 26 часов, лабораторных – 14 часов.

В течение семестра курсанты пишут реферат « по разделам «Электричество» и «Магнетизм, электромагнитная индукция»», выполняют 5 лабораторных работ с оформлением отчета и сдачей зачета по теоретической части, на практических занятиях выполняют 12 самостоятельных работ. Завершает семестр – зачет. Где учитываются результаты работы студента в течение семестра.


Вопросы к зачёту


  1. Электрический заряд. Дискретность заряда. Идея близкодействия.

  2. Закон Кулона.

  3. Электрический заряд и напряжённость электрического поля.

  4. Принцип суперпозиции. Расчет электрических полей на основе принципа суперпозиции.

  5. Линии вектора напряженности.

  6. Поток вектора напряженности.

  7. Теорема Гаусса.

  8. Применение теоремы Гаусса.

  9. Работа сил электрического поля. Циркуляция электростатического поля.

  10. Потенциал электростатического поля.

  11. Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля.

  12. Расчет потенциала и разности потенциалов в электростатическом поле.

  13. Проводники, диэлектрики и полупроводники. Полярные и неполярные молекулы.

  14. Поляризация диэлектриков.

  15. Электрическое поле в диэлектриках.

  16. Индукция электрического поля.

  17. Поляризация деформационная и ориентационная.

  18. Сегнетоэлектрики, их свойства. Домены.

  19. Пьезоэлектрический эффект. Электрострикция.

  20. Распределение зарядов в проводнике.

  21. Явление электростатической индукции.

  22. Электроемкость проводников.

  23. Взаимная электропроводность. Конденсатор.

  24. Соединение конденсаторов.

  25. Собственная энергия проводника и конденсатора.

  26. Энергия электрического поля.

  27. Понятие об электрическом поле.

  28. Закон Ома для однородного участка цепи.

  29. Закон Джоуля-Ленца.

  30. Последовательное и параллельное соединение проводников.

  31. Электродвижущая сила источника тока, разность потенциалов, напряжение . Закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной и дифференциальной форме.

  32. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа.

  33. Явление сверхпроводимости.

  34. Природа носителей зарядов металлов.

  35. Классическая теория электропроводимости металлов.

  36. Вывод закона Ома из классических электронных представлений.

  37. Вывод закона Джоуля-Ленца из классических электронных представлений.

  38. Закон Видема-Франца и его объяснение электронной теории.

  39. Затруднения классической электронной теории металлов.

  40. Основные положения квантовой теории металлов.

  41. Квантование энергии свободных электронов в металлах.

  42. Работы выхода.

  43. Термоэлектронная эмиссия

  44. Контактная разность потенциалов.

  45. Термоэлектрические явления (явление Зеебека, явление Пельтье).

  46. Электромагнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов.

  47. Закон магнитного взаимодействия элементов тока.

  48. Индукция магнитного тока.

  49. Закон Био-Савара-Лапласа.

  50. Применение закона Био-Савара-Лапласа к расчету магнитных полей.

  51. Циркуляция вектора магнитной индукции. Вихревой характер магнитного поля.

  52. Применение теоремы о циркуляции к расчёту магнитных полей.

  53. Магнитное поле в веществе.

  54. Напряженность магнитного поля.

  55. Закон Ампера. Применение закона Ампера к некоторым задачам.

  56. Поток вектора магнитной индукции.

  57. Работа сил магнитного поля.

  58. Закон Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле.

  59. Эффект Холла. Устройство, принцип действия МГД генератора.

  60. Движения частиц в электростатическом поле. Отклоняющее и фокусирующее действие электрических полей.

  61. Методы определения удельного заряда электрона.

  62. Явление электромагнитной индукции. Расчёт электродвижущей силы индукции.

  63. Взаимная индукция.

  64. Самоиндукция.

  65. Установление и исчезновение тока в цепи с индуктивностью.

  66. Энергия магнитного поля.

  67. Магнитные моменты атомов и молекул.

  68. Диамагнетики.

  69. Парамагнетики.

  70. Ферромагнетики и их свойства. Природа ферромагнетизма.

  71. Колебательный контур. Связь величин характеризующих механические и электрические колебания.

  72. Собственные незатухающие электромагнитные колебания.

  73. Собственные затухающие колебания.

  74. Вынужденные колебания. Резонанс.

  75. Система уравнений Максвелла. Координатная форма записи уравнений.

  76. Система уравнений Максвелла для диэлектрика и ее решение.

  77. Волновое уравнение и его решение. Свойства электромагнитных волн.



Кафедра «Естественные науки»


^ Ю.П. БАЖКОВ, А.И. КРАВЧЕНКО, С.А. ЧУДИЛОВСКАЯ


ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ФИЗИКА»


Раздел «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»


Гомель

2012
^

Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ



Цель работы:


  1. Изучить основные характеристики электростатического поля;

  2. Построить качественную картину плоского электростатического поля для различной формы электродов;

  3. Определить напряженность поля в заданных точках.


Приборы и принадлежности: источник постоянного тока, реостат, вольтметр, ванна с водой, гальванометр, металлический зонд, электроды различной формы.


Теоретические сведения.


Всякое заряженное тело или электрический заряд создают вокруг себя силовое поле, которое называется электростатическим полем.

Количественной характеристикой силового действия поля является напряженность электростатического поля .

Напряженностью электрического поля, создаваемого зарядом q в какой-то точке, называется векторная величина, численно равная силе, действующей со стороны поля на неподвижный пробный единичный положительный заряд, помещенный в рассматриваемую точку поля. Направление вектора совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.

, (1)

где q0 – пробный электрический заряд, который должен быть столь малым, чтобы его внесение в поле не вызывало перераспределения в пространстве электрических зарядов, напряженность поля которых измеряется с его помощью.

Зная модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов (закон Кулона)

, (2)

можно найти модуль напряженности электростатического поля точечного заряда q на расстоянии r от него:



Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности (силовых линий), которые проводят так, чтобы касательные к ним в каждой точке пространства совпадали по направлению с вектором напряженности в данной точке поля.

Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности – радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен, и входящие в него, если заряд отрицательный. Примеры графического изображения электростатических полей различных заряженных тел приведены на рисунке 1.

а) поле точечных зарядов (положительного и отрицательного);

б) поле равномерно заряженной сферы;

в) поле равномерно заряженной плоскости;

г) поле системы 2-х одинаковых по модулю разноименных зарядов.




а) б)




в) г)


Рис.1 Графическое изображение электростатических полей


Чтобы с помощью силовых линий можно было характеризовать не только направление, но и численное значение напряженности электростатического поля, их проводят с такой густотой, чтобы число линий напряженности, пронизывающих единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, было равно модулю вектора .

Если электростатическое поле создано не одним, а несколькими зарядами, q1, q2, …, qn, то результирующая сила , действующая на пробный единичный положительный заряд q0 в любой точке поля, равна геометрической сумме сил, приложенных к заряду q0 со стороны каждого из зарядов.



Т.к. и ,

где – результирующая напряженность поля системы зарядов, а

– напряженность поля заряда qi.

Тогда или - выражает принцип суперпозиции электростатических полей. (5)

Электростатическое поле является потенциальным, т.к. работа силы по любому замкнутому контуру равна нулю

. (6)

Работа, совершаемая силами электростатического поля при малом перемещении точечного заряда q0 в этом поле, равна убыли потенциальной энергии

или

, откуда следует, что потенциальная энергия точечного заряда в поле заряда q, равна , (7)

где С – произвольная постоянная интегрирования.

Если считать, что при удалении заряда в бесконечность (r→∞) потенциальная энергия обращается в нуль, то С = 0 и потенциальная энергия пробного заряда находящегося на расстоянии r от заряда q, равна . (8)

Физическая величина, равная отношению потенциальной энергии пробного электрического заряда, помещенного в рассматриваемую точку поля, к величине этого заряда называется потенциалом электростатического поля . (9)

Потенциал – энергетическая характеристика поля.

Потенциал поля, создаваемого точечным зарядом, равен



Если электростатическое поле создано системой из n точечных зарядов, то , т.е. при наложении электрических полей, их потенциалы складываются алгебраически. (11)

Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении пробного заряда из точки 1 в точку 2, равна

если , то .

Следовательно, потенциал в какой-либо точке поля численно равен работе электростатических сил по перемещению пробного единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность, где потенциал равен нулю.

Т.к. элементарная работа сил электростатического поля на малом перемещении dr равна .

С другой стороны, , тогда , или, в векторной форме,

(13)

т.е. проекция вектора напряженности электростатического поля на произвольное направление численно равна быстроте убывания потенциала поля на единицу длины в этом направлении.

Геометрическое место точек электростатического поля, в которых значения потенциала одинаковы, называется эквипотенциальной поверхностью. Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении электрического заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.

, т.к. (14)

Для расчета электростатических полей используем принцип суперпозиции полей и теорему Гаусса.

Принцип суперпозиции полей – универсальный метод расчета любой системы неподвижных зарядов. Если заряд не является точечным, его всегда можно представить в виде совокупности точечных зарядов, но в этом случае вычисления будут связаны с более трудоемкими математическими операциями.

Метод, основанный на использовании теоремы Гаусса, удобен для расчета электростатических полей симметричных систем зарядов. Теорема Гаусса позволяет определить поток вектора напряженности электростатического поля через произвольную замкнутую поверхность.

Потоком вектора напряженности электростатического поля сквозь произвольную замкнутую поверхность, называется величина

, (15)

где - - вектор, модуль которого равен , а направление совпадает с направлением вектора внешней (направленной наружу области, охватываемой поверхностью) нормали . Найдем поток вектора напряженности сквозь сферическую поверхность радиуса r, охватывающую точечный заряд q, находящийся в ее центре

. (16)

Если поверхность произвольной формы охватывает n зарядов, то поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на электрическую постоянную ε0.

– теорема Гаусса. (17)

Применим теорему Гаусса к расчету поля заряда q, равномерно распределенного по поверхности сферы радиуса R с поверхностной плотностью σ.

В качестве гауссовой поверхности ^ S возьмем сферу радиуса r с центром в точке O. (рис. 2)



а) б)

Рис. 2. График зависимости напряженности (а) и потенциала (б) поля равномерно заряженной сферы от расстояния до ее центра.


Тогда . (18)

Если то , т.к. . (19)

Если r<R, qвн=0, E=0 , т.е. внутри заряженной сферы поле отсутствует.

Потенциал поля найдем из формулы связи между потенциалом и напряженностью поля . Поскольку , потенциал поля вне сферы равен . (20)

Внутри заряженной сферы поле отсутствует, так что потенциал всюду одинаков и равен потенциалу на ее поверхности . (21)


^ Метод электролитического моделирования


Точное измерение потенциала точек электростатического поля представляет собой трудную экспериментальную задачу. Поэтому свойства электростатического поля между заряженными проводниками определяют, изучая другое поле – поле тока в проводящей среде с теми же проводниками. Электрический ток характеризуется вектором плотности тока , который численно равен заряду, перенесенному в единицу времени через единичную площадку, расположенную нормально к направлению движения зарядов. Направлен вектор плотности тока в сторону движения положительных зарядов. Т.е. направление вектора плотности тока и вектора напряженности электрического поля совпадают. Связь между этими векторами: - это закон Ома в дифференциальной форме, где - вектор плотности тока, а - удельная электропроводность.

Метод изучения электростатического поля созданием эквивалентного ему поля тока называется моделированием электростатического поля

Так как в качестве проводящей среды для создания поля токов обычно используется электролит, то этот метод носит название электролитического моделирования.

В данной работе можно изучать поле между электродами различной конфигурации. Электроды погружаются в стеклянную ванну, наполненную раствором соли в воде, который является слабым электролитом. Слабая проводимость среды, в которой создается поле, необходима для того, чтобы избежать искажения поля вследствие разогрева, неизбежного при больших значениях токов. Электроды подключают к крайним точкам потенциометра, который питается от источника питания (Рис. 3). Разность потенциалов измеряется вольтметром V, внутреннее сопротивление которого должно быть больше сопротивления потенциометра и участка электролита между электродами. Ток в цепи “зонд-движок” регистрируется чувствительным гальванометром (микроамперметром). Координаты точек эквипотенциальных поверхностей определяют по координатной сетке, нанесенной на дно ванны. На характер поля в ванной существенно влияет неоднородность среды в ней. Чтобы уменьшить искажение поля, нужно брать ванну больших размеров.




Рис.3. Схема экспериментальной установки


Для любого положения скользящего контакта потенциометра можно найти такую точку в электролите, которая будет иметь потенциал, равный потенциалу, установленному на потенциометре. При выполнении этого условия отсутствует ток в гальванометре. Перемещая зонд вверх – вниз и влево – вправо по дну ванны, можно найти множество точек с одинаковым потенциалом, совокупность которых образует эквипотенциальную поверхность.


Порядок выполнения работы.


1. Собрать электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 3.

2. Включить источник питания.

3. Поставить ползун реостата в положение, соответствующее первому значению потенциала (значения потенциалов , и задаются преподавателем).

4. Перемещая зонд в ванне, определить координаты точек равного потенциала, в которых ток через гальванометр отсутствует (не менее 30 точек). Значения занести в таблицу 1.

5. Повторить пункты 3 и 4 для двух других значений потенциала и .


Таблица 1. Координаты точек равного потенциала.


Номер точки

1

2

3

4

5



30

Координаты точки


x1


y1


x2


y2


x3


y3


x4


y4


x5


y5


xi


yi


x30


y30







































































































































6. По данным таблицы 1 на миллиметровой бумаге в масштабе 1:1 или 1:2 построить эквипотенциальные поверхности (линии равного потенциала) для трех значений потенциала, обозначить положения электродов и их знаки.

7. Построить силовые линии (линии напряженности) электростатического поля. (Учитывая, что линии напряженности начинаются на положительных электродах (+) и заканчиваются на отрицательных (-), и в каждой точке поля они перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям).

8. Для трех произвольно выбранных силовых линий определить значения напряженности Е. Расчет значения напряженности, соответствующего силовой линии производится следующим образом:

а) на данной силовой линии выбирают две точки, принадлежащие разным эквипотенциальным поверхностям;

б) при помощи линейки определяют - расстояние в метрах (с учетом масштаба) между выбранными точками;

в) напряженность рассчитывают по формуле , где - разность потенциалов между эквипотенциальными поверхностями, которым принадлежат выбранные точки, а - измеренное в пункте (б) расстояние.

Аналогично вычисляют значения напряженности для двух других силовых линий.

Пример. Рассчитаем напряженность для поля, изображенного на рис. 4. Для пары точек 1 и 2:


,

Для пары точек 3 и 4:

.





Рис. 4. Схематическое изображение электростатического поля

в ванне с электролитом.


9. Сделать вывод.


Контрольные вопросы.


  1. Теорема Гаусса.

  2. Напряженность электростатического поля точечного заряда.

  3. Потенциал электростатического поля. Связь напряженности и потенциала.

  4. В чем сущность метода моделирования электростатического поля?

  5. Закон Ома в интегральной и дифференциальной форме.

  6. Как вычислить напряженность в данной точке поля по известной картине эквипотенциальных поверхностей?

  7. Графическое изображение электростатических полей. Эквипотенциальные поверхности и силовые линии электростатического поля.




оставить комментарий
страница1/5
Дата06.05.2012
Размер0,76 Mb.
ТипЗакон, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5
средне
  1
хорошо
  1
отлично
  3
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх