Модуль 3.
Электродинамика.
ЛЕКЦИЯ 1. Электрическое поле.
Закон Кулона.
В школьном курсе физики рассматриваются неподвижные точечные заряды. В основе их изучения лежит закон Кулона. Он очень похож на Закон гравитационного взаимодействия. Под точечными зарядами понимают заряды, которые имеют размеры, намного меньшие, чем расстояние между ними. Данная модель введена по примеру материальной точки, позволяющая однозначно говорить о расстояниях между рассматриваемыми зарядами.
Закон Кулона утверждает, что сила, с которой взаимодействуют заряды, напрямую зависит от произведения модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: 
. Коэффициент пропорциональности 
численно равен силе взаимодействия двух точечных зарядов по 1Кл, находящихся в вакууме на расстоянии 1м. Данный закон справедлив только для статических зарядов, которые можно принять за точечные в вакууме.
Если же заряженные тела находятся в некоторой среде, то при описании закона Кулона нужно учитывать диэлектрическую проницаемость среды, которая уменьшает взаимодействие в некоторое количество раз: 
. Диэлектрическая проницаемость среды e - безразмерная величина. Определить её можно с помощью специальных таблиц.
Электрическое поле.
Все заряженные тела имеют вокруг себя электрическое поле. Электрическое поле - особый вид материи, способствующий взаимодействию заряженных частиц. Данную материю открыл Майкл Фарадей. Электрическое поле определенных зарядов не изменяется без изменения величины самого заряда. Электрическое поле схематически обозначается линиями со стрелочками. Вокруг положительного заряда стрелочки направлены от него, вокруг отрицательного - к нему. Линий электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Если два одноименных заряда находятся на некотором расстоянии друг от друга, то их линии пересекаются и замыкаются. Если же взаимодействуют два одноименных заряда, то силовые линии отталкиваются.
Интенсивность электрического поля – это физическая величина, которая определяется отношением силы к величине пробного заряда. Данная величина называется напряженностью. Вычисляется по формуле: 
. Напряженность - это векторная физическая величина, она зависит от направления силы и знака пробного заряда. Вектор напряженности всегда направлен от положительного заряда к отрицательному. Измеряется в СИ [Н/Кл] или [В/м]. Если пробный заряд находится не в вакууме, а в некоторой среде, то нужно учитывать диэлектрическую проницаемость среды: 
.
Напряженность поля точечного заряда равна: 
. Вектор электрического поля точечного заряда в любой точке направлен вдоль прямой, соединяющей эту точку и заряд.
Чем дальше пробный заряд находится от рассматриваемого заряженного тела, тем меньшая сила на него действует. Значит, напряженность электрического поля становится меньше по мере отдаления от заряженного тела. Электрическое поле показывают с помощью специальных линий, которые называются линиями напряженности поля.
Сила взаимодействия между зарядами является консервативной, так как не зависит от траектории движения заряда. Эта сила выполняет работу, которая определяется только начальным и конечным положением тела. При этом, как и любая работа консервативных сил, если траектория перемещения - замкнутая линия, то работа равна нулю: 
Потенциальная энергия электрического поля равна: 
, где d – расстояние от заряда до нулевого уровня потенциальной энергии.
Можно заметить, что практически вся теория электродинамики достаточно сильно напоминает механику. Вспомним потенциальную энергию тела: 
. Она зависит от массы, высоты и ускорения свободного падения. Можно провести аналоги. Основным и главным отличием потенциальной энергии материальных точек от энергии зарядов являются граничные значения. Потенциальная энергия заряженных тел увеличивается с уменьшением расстояния между зарядами и стремится к нулю, когда заряды удаляют на бесконечность.
Потенциальная энергия поля пропорциональна величине рассматриваемого заряда. Величина, являющая коэффициентом пропорциональности, называется потенциалом электрического поля: 
, где Wp – энергия заряда в данной точке. Потенциал измеряется в Вольтах (В).
Если напряженность - это силовая характеристика имеющегося поля, то потенциал является его энергетической характеристикой. Если учесть, что разность потенциальных энергий - это работа силы электрического поля, получим: 
, где
- разность потенциалов электрического поля в двух точках,
А – работа электрического поля по перемещению заряда из точки 1в точку 2.
Разность потенциалов называют напряжением электрического поля: 
. Если некоторый заряд удаляют на бесконечное расстояние, то напряжение такого поля равно начальному потенциалу.
Для того, чтобы изменить потенциал поля необходимо совершить работу по перемещению заряда: 
.
Для наглядного понимания того, что такое потенциалы и их изменения, используют эквипотенциальные поверхности. Это поверхности, которые расположены перпендикулярно к силовым линиям. На всей такой поверхности значение потенциала одинаково. Чем дальше эквипотенциальная поверхность находится от заряда, тем меньше там потенциал.
Для того, чтобы определить общую напряженность, которую создают несколько зарядов, необходимо воспользоваться принципом суперпозиций, который был получен благодаря знаниям из динамики. Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел: 
.
Для определения напряженности, создаваемой некоторым количеством зарядов в данной точке, необходимо найти векторную сумму напряженностей каждого заряда: 
.
Общий потенциал в точке равен алгебраической сумме всех потенциалов поля, которое создает в отдельности каждый заряд. 
.
Проводники. Диэлектрики.
Металлическая проволока имеет в своей структуре свободные электроны, которые могут перемещаться под действием внешней силы, поэтому все тела из металла называют проводниками. Стекло не имеет свободных зарядов, поэтому его называют диэлектриком.
Вся суть проводимости состоит в том, что у всех металлических атомов на внешнем энергетическом уровне находятся свободные электроны, которые меньше всего притягиваются к ядру. И если сила, которая действует на атом больше той силы, с которой внешние электроны притягиваются к ядру, то электроны начинают двигаться, создавая ток.
Кроме металлов, проводниками могут быть электролиты, которые разделяются на положительные и отрицательные ионы. Если же на такие структурные частицы подействовать током, то они начнут двигаться направленно и в некотором порядке. Стоит отметить, несмотря на то, что дистиллированная вода является диэлектриком, природную воду, имеющую растворы некоторых соединений и солей, можно считать проводником. Более того, из-за того, что в нашем организме растворены разнообразные микроэлементы, человеческое тело также является отличным проводником электричества.
Характеристики проводника:
ü значение поля в проводнике всегда равно нулю;
ü весь не скомпенсированный заряд проводника находится на поверхности;
ü силовые линии поля всегда направлены перпендикулярно к проводнику;
ü равность потенциалов в различных точках проводника равна нулю.
Диэлектрики - это материалы, не имеющие свободных носителей заряда. Они слабо проводят ток или совсем его не проводят. В таких элементах все структурные единицы атома крепко связаны друг с другом, поэтому ядерные силы удерживают свои электроны и ионы неподвижными, или позволяют колебаться вблизи ядра или решетки. Если на такие элементы начать действовать электрическим полем, то движения происходить не будет.
Характеристики диэлектриков:
ü напряженность внутри диэлектриков не обязательно должна быть нулевой;
ü заряд в некотором объеме диэлектрика может отличаться от нуля;
ü напряженность поля направлена под любым углом к диэлектрику;
ü каждая точка диэлектрика имеет различный потенциал.
Диэлектрическая проницаемость ( e ) - это основная характеристика, являющаяся общей для всех диэлектриков. Каждый диэлектрик имеет свою диэлектрическую проницаемость. Данная величина характеризуется способностью диэлектриков уменьшать напряженность поля. Внутри диэлектриков происходит возбуждение собственного электрического поля, которое направлено против действия внешнего поля. Таким образом, происходит своеобразное гашение поля. Определить диэлектрическую проницаемость можно воспользоваться специальной таблицей диэлектриков. А также диэлектрическую проницаемость среды можно определить по формуле: 
, где Е – модуль напряженности электрического поля.
Конденсатор.
Для определения понятия конденсатора, необходимо воспользоваться всеми знаниями по поводу проводников и диэлектриков, поскольку и те, и другие одновременно используются для изготовления конденсаторов.
Рассмотрим проводник, у которого имеется какой-то определенный потенциал j. Данный потенциал является пропорциональным к величине заряда проводника. Введем понятие электрической ёмкости проводника. Емкость - это физическая величина, позволяющая определить величину заряда, необходимую для изменения потенциала проводника на 1 В. Ёмкость измеряется в фарадах (Ф).
, где
С – электроемкость уединенного проводника,
q – модуль заряда проводника,
j - потенциал проводника.
Если рассматривать некоторый объемный шар в виде проводника, то его электроёмкость можно определить по следующей формуле: 
, где e0 – 8,854×10-12 Кл2/(Н×м2) – электрическая постоянная. Емкость сферического проводника зависит исключительно от внешнего диэлектрика, а также от радиуса сферы, то есть её размера. Чем больше сфера, тем больше её емкость. Самым главным для нас сферическим проводником является Земля.
Самым простым примером для исследования конденсаторов являются плоские конденсаторы. Структура плоского конденсатора достаточно проста. Он состоит из двух металлических плоскостей (обкладок), которые параллельно расположены друг к другу, и располагаются на некотором расстоянии. Между данными пластинами имеется диэлектрик.
Самым простым примером плоского конденсатора является тот, у которого в виде диэлектрика воздух, то есть диэлектрическая проницаемость ɛ = 1. Обе обкладки имеют противоположный заряд -q, +q. Следует отметить, что поле в конденсаторе показывается линиями, выходящими из положительно заряженной пластины, и входящими в отрицательно заряженную пластину. Для определения его ёмкости следует воспользоваться следующей формулой: 
. Емкость зависит исключительно от геометрических размеров конденсатора, а также от диэлектрика между пластинами. Схематически конденсатор изображают следующим образом:
Конденсатор характеризуется способностью накапливать некоторое количество энергии, которую со временем может повторно использовать. Для определения энергии, которую может накапливать конденсатор, следует воспользоваться формулой: 
. Энергетическая характеристика конденсатора является составляющей энергии поля зарядов, находящихся внутри него. Энергия напрямую зависит от характеристики конденсатора и его заряда.
В цепи может использоваться несколько конденсаторов, которые соединены параллельно или последовательно. Напомним, что при последовательном соединении концы одного проводника подключаются к началу другого, а при параллельном соединении начало всех проводников соединяется в одном узле, а конец - в другом. Любую сложную схему можно свести к нескольким простым.
При параллельном соединении конденсаторов для нахождения общей ёмкости цепи из конденсаторов, емкость каждого из них складывается с остальными. То есть при параллельном подключении проводников общая ёмкость увеличивается: 
. Напряжение на каждой ветке будет одинаково: U=U1=U2=U3. Для нахождения общего заряда заряды каждого конденсатора складываются: q=q1+q2+q3.
При последовательном соединении общая ёмкость конденсаторов уменьшается: 
. При этом напряжение цепи равно сумме напряжений на конденсаторах, а величина заряда на всех обкладках одинакова: U=U1+U2+U3 , q=q1=q2=q3.
ЛЕКЦИЯ 2. Постоянный ток.
Электрическим током называют упорядоченное движение зарядов, благодаря чему происходит их перенос из одной области пространства в другую. Такое упорядоченное движение может происходить во многих веществах: твердые тела, жидкости, газы или даже вакуум. Например, если мы возьмем аккумулятор, полюса соединим проводниками, то начнется движение зарядов от плюса к минусу. Это является примером тока в металлических телах. А теперь давайте представим соль, растворенную в воде. В эту воду опускаем два электрода, подключенных к электричеству. В результате прохождения тока к одному электроду будут стремиться положительные ионы раствора, а к другому - отрицательные ионы. Это является примером тока в электролитах. Примером тока в газовой среде является молния. В результате создания двух мощных полей происходит пробой диэлектрической среды. Это, в свою очередь, влечет за собой появление искры. Возьмем большое заряженное тело и начнем передвигать его в пространстве. Исходя из определения электрического тока, имеется и заряд, и его направленное движение. Это значит, что намеренное перемещение объемного заряда также является током. Он называется конвекционным током.
А теперь давайте рассмотрим проводник, который нагревают. Что с ним происходит? Электроны начинают двигаться. И чем выше температура проводника, тем быстрее они двигаются. Но давайте ответим, какое это движение? Хаотическое! Основной отличительной чертой тока от любого другого движения является то, что все заряды должны двигаться направленно. Поэтому движение заряженных частиц, вызванное увеличением температуры, нельзя назвать током. Также стоит отметить, что при любом перемещении нейтрально заряженного тела, такое движение также нельзя назвать током, поскольку не происходит перемещение заряда в пространстве.
Следует отметить, что протекании тока, при упорядоченном движении все положительные частицы двигаются от положительного полюса к отрицательному. Отрицательные же частицы наоборот. Однако, во всем мире, за направление тока принимают то направление, в котором двигаются положительные частицы. То есть принято считать, что ток двигается от положительного полюса к отрицательному. Данное правило противоречит движение тока в металлах, поскольку в этих веществах заряд несут именно электроны, а двигаться они должны от плюса к минусу. Данное направление исторически выбрано А. Ампером в начале 19 века.
Рассмотрим основные виды действия электрического тока.
1. Тепловое. Как нам известно, все тела, которые двигаются, обладают кинетической энергией. А чем больше данная энергия, тем больше температура тела. В данном случае движение заряженных частиц приводит к нагреванию проводника. Именно благодаря такому свойству тока мы используем утюг, фен, нагревательные печи и многие другие приборы.
2. Магнитное. Во время прохождения электрического тока вокруг тела начинает появляться магнитное поле. Это заметил Ампер, проводивший опыты с током рядом с компасом. Во время прохождения тока стрелка компаса начинала двигаться. Именно на основе данного свойства изготавливают электромагниты.
3. Химическое. В то время, когда ток проходит через произвольный электролит, происходит разделение его на положительные и отрицательные ионы. Этот принцип лежит в основе покрытия некоторых деталей или украшений медью, серебром или другими элементами.
Закон Джоуля-Ленца.
Счетчики электроэнергии в домах измеряют величину работы тока. Рассмотрим некоторый участок цепи, через который проходит ток. Он имеет некоторое падение напряжений, сопротивление и величину силы тока. Из основной формулы нахождения напряжения можно получить величину работы тока, которая будет равна произведению заряда на падение напряжения. Совместим формулы работы с формулой для нахождения заряда, получим: 
. В тот момент, когда ток протекает по цепи, происходит выделение тепла, совершается работа, а также протекают некоторые химические реакции. Используя закон Ома, можно получить несколько формул для нахождения работы: 
или 
.
Во время протекания тока, выделяется некоторое количество тепла. То есть можно предположить, что вся работа тока идет на выделение энергии. Следовательно А = Q. Таким образом, для определения количества теплоты, которое выделяется при прохождении тока можно воспользоваться следующими формулами, которые описывают закон Джоуля-Ленца:
Так как мощность и работа - это две величины, тесно связанные друг с другом, то из, полученных в предыдущем параграфе, формул можно вывести мощность. Мощность характеризует скорость выполнения работы. 
. Также можно воспользоваться и другими формулами для определения мощности: 
ЛЕКЦИЯ 3. Магнитное поле.
Достаточно давно людьми был открыт элемент, который имел магнитные свойства. Он был назван в честь города Магнесия, неподалеку от которого имели залежи железной руды. Этот элемент мог взаимодействовать с другими телами по средствам магнитной силы.
Тела, которые обладают магнитными свойствами, называются магнитами. Свойства магнитов таковы:
1. Любой магнит имеет два полюса (N, S).
2. Если два магнита расположить так, что два одноименных полюса будут направлены друг к другу, то такие магниты будут отталкиваться. Если же разноименные, то - притягиваться.
3. Нельзя создать магнит с одним полюсом. Даже, если разрезать его по линии разделения полюсов (средней линии), в итоге получатся два магнита с двумя полюсами, но меньшего размера.
4. Сила действия магнита становится слабее или полностью ослабевает в результате его нагревания.
5. Если приложить большую направленную силу, свойства магнита ослабевают.
Магнитное поле
Вокруг магнитов имеется поле, называемое магнитным. Примером действия магнитного поля является компас. Его стрелка изменяет свое положение в результате наличия и направления магнитного поля в той или иной местности. Земля так же является большим магнитом. Однако её полюса противоположны географическим. Наличие магнитного поля Земли объясняется тем, что Земля имеет металлическое расплавленное ядро, которое имеет магнитные свойства.
Существует ряд аналогий, которые можно проложить между электрическим и магнитным полем. Как одно, так и второе характеризуется благодаря силовым линиям.
1. Магнитные линии - это линии в пространстве. Если поместить среди данных линий компас, то он сместит свое направление по касательной к линиям.
2. Линии магнитного поля всегда выходят из северного полюса и заходят в южный.
3. В отличие от линий электрического поля, которые заканчиваются на бесконечности, линии магнитного поля всегда замкнуты, поэтому проходят, как вне магнита, так и в его середине.
Опилки железной стружки, то если их слегка потрусить, то они лягут вдоль силовых линий магнитного поля.
Опыт Эрстеда
Магнитные свойства некоторых веществ известны людям достаточно давно. Однако не столь давним открытием стало то, что магнитные и электрические природы веществ связанны между собой. Эту связь показал Эрстед, проводивши опыты с электрическим током. Совершенно случайно рядом с проводником, по которому бежал ток, находится магнит. Он достаточно резко менял свое направление в то время, когда ток бежал по проводам, и становился в исходное положение, когда ключ схемы был разомкнут. С данного опыта был сделан вывод, что вокруг проводника, по которому бежит ток, образуется магнитное поле. То есть можно сделать вывод: электрическое поле вызывается всеми зарядами, а магнитное - только вокруг зарядов, которые имеют направленное движение.
Магнитное поле проводника.
Если рассматривать поперечное сечение проводника с током, то его магнитные линии будут иметь окружности различного диаметра вокруг проводника. Чтобы определить направление тока или линий магнитного поля вокруг проводника, следует воспользоваться правилом правого винта: если правой рукой обхватить проводник и направить большой палец вдоль него по направлению тока, то согнутые пальцы покажут направление линий магнитного поля.
Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Иногда линии магнитного поля называют линиями индукции. Индукция обозначается и измеряется следующим образом: [В] = 1Тл (Тесла)
Для силовой характеристики электрического поля был справедлив принцип суперпозиций, то же самое можно сказать и для магнитного поля. То есть результирующая индукция поля равна сумме векторов индукции в каждой точке: 
.
Виток с током. Как известно, проводники могут иметь различную форму, в том числе состоять из нескольких витков. Вокруг такого проводника также образуется магнитное поле. Для его определения следует воспользоваться правилом: если рукой обхватить витки так, чтобы четыре согнутых пальца их обхватывали, то большой палец покажет направление магнитного поля.
Сила Ампера.
Существенным отличием от электрического поля, где сила взаимодействия зависит только от величины заряда и расстоянием между ними, в магнитном поле существует ряд факторов, а также несколько сих, которые действуют на проводник с током и частицы в магнитном поле. Одной из таких сил является сила Ампера. Данная сила действует на любой проводник, по которому бежит ток. Вокруг всех частиц, которые имеют направленное движение, действуют силы, в результате чего на весь проводник действует некоторая сила. Для определения направления данной силы используют следующее правило левой руки: положите проводник мысленно на левую руку так, чтобы направление тока, который по нему бежит, совпадал с направлением четырех пальцем; линии магнитного поля должны мысленно входить вовнутрь ладони; в таком случае направление силы Ампера совпадет с большим пальцем.
Для определения величины силы Ампера следует воспользоваться следующей формулой:
, где
FA – модуль силы Ампера,
В – магнитная индукция поля,
I – сила тока в проводнике,
- длина прямолинейного отрезка проводника,
α – угол между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.
Можно сделать вывод, что сила зависит не только от величины магнитной индукции и тока, но и от размеров и расположения проводника относительно линий магнитного поля.
Следует отметить, что проводники, по которым бежит ток, выполняют роль магнитов. Поэтому логично будет предположить, что два таких проводника будут некоторым образом взаимодействовать. Если ток по проводникам бежит в одном направлении, то проводники притягиваются, если в разных, то отталкиваются. Стоит отметить, что если взять проводник в форме рамки, то силы, которые будут направлены противоположно друг к другу, заставят рамку вращаться.
Сила Лоренца.
На любую частицу, которая имеет заряд, в магнитном поле действует некоторая сила, которая называется силой Лоренца. Данная величина зависит от того, насколько быстро передвигается частица в поле, от величины поля, от заряда частицы, а также от угла между скоростью и полем:
, где
FL – модуль силы Лоренца,
|q| - модуль заряда частицы,
v – скорость частицы,
В – магнитная индукция поля,
α – угол между вектором магнитной индукции и вектором скорости заряженной частицы.
Если рассматривать индукцию и скорость, то можно отметить, что величины лежат в одной плоскости. Сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно к плоскости магнитного поля.
Определить направление силы Лоренца можно с помощью следующего правила, аналогичного правилу для нахождения силы Ампера: четыре пальца левой руки должны быть направлены в ту же сторону, куда двигается частица; линии магнитного поля проникают в ладонь; отогнутый на 900 большой палец укажет на направление силы Лоренца, действующую на положительно заряженную частицу. Скорость отрицательной частицы направлена в противоположную сторону.
Электромагнитная индукция.
М.Фарадей доказал, что магнитное поле способное породить электрическое поле. Ученый провел достаточно интересный эксперимент. Он взял деревянную основу, на которую намотал одну катушку, а между её витками - вторую. При этом обе катушки не соприкасались друг с другом. Первая была подключена к источнику тока, а вторая к гальванометру. Когда первая замыкалась, на второй наблюдались небольшие изменения, то есть по ней начинал двигаться ток. Однако стоит отметить, что данное наблюдение имело место только в случае с переменным током в первой катушке, если по ней бежал постоянный ток, никаких изменений во второй катушке не наблюдалось. Так же стоит обратить внимание на то, что кратковременные импульсы во второй катушке также наблюдались в момент подключения и отключения первой катушки к источнику тока. Причем направление тока второй катушки менялось. После проведенного эксперимента ученый сделал вывод, что в случае изменения магнитного поля на проводнике, который подключен к источнику тока, возникает индукционный ток. В случае, если ток на первой катушке возрастал, то индукционный ток второго проводника бежал в одном направлении, а в случае уменьшения первого, второй начинал бежать в противоположном направлении. Это явление называется электромагнитной индукцией.
Описываемое явление так же можно наблюдать и при использовании магнита. Если изменять положение магнита относительно катушки, подключенной к гальванометру, то его показания будут меняться. И чем быстрее происходит перемещение, тем больше они изменяются.
Магнитный поток характеризует плотность линий магнитного поля. Данная величина определяется магнитной индукцией, а также площадью, ограниченной контуром. Обозначается и измеряется магнитный поток следующим образом:
, где
S= площадь контура,
α – угол между плоскостью контура и линиями магнитной индукции.
Единицей измерения магнитного потока является Вебер (ВБ).
Самопроизвольно заряды не могут получить направленного движения, поэтому существуют некоторые сторонние силы, влияющие на изменение потенциал проводник. Поэтому во время возникновения тока в проводнике в случае изменения магнитного поля можно говорить, что в проводнике возникает ЭДС. С данном случае эта сила называется ЭДС индукции. Данная величина характеризует необходимую работу, которая была выполнена измененным магнитным полем, для перемещения заряда: 
.
Опыты Фарадея доказали, что величина индукционного тока выше в том случае, когда происходит большее изменение магнитного потока в контуре. То есть чем большее изменение магнитного потока за минимальный интервал времени, тем больше становится ток. При этом мы знаем, что ток вызван ЭДС индукции, поэтому по данному утверждению можно сделать вывод: ЭДС вызывает скорость изменения потока. ЭДС индукции есть производная функции изменения магнитного потока по времени.
Данная формула и есть закон электромагнитной индукции Фарадея. Если происходит изменение магнитного потока, то это вызывает ЭДС индукции, равной скорости изменения этого потока.
Самоиндукция.
Считается, что индуктивный ток действует сам на себя некоторым образом. Так как индуктивный ток достаточно нестабилен, то он вызывает собственное изменение магнитного потока, а это значит, что в таком проводнике должен бежать ток, в результате изменения потока. Такое явление называется самоиндукцией.
Итак, давайте представим некоторый проводник в виде кольца. Если ток индукции в нем течет против часовой стрелки (он увеличивается), то магнитное поле будет направлено вертикально вверх (оно увеличивается). Это значит, что появляется некоторое вихревое поле, направленное в противоположном направлении относительно направления движения тока. Таким образом, оно пытается тормозить ток. Однако моментально ток затормозить не может, поэтому магнитное поле изменяется на протяжении некоторого времени. Если же ток в проводнике будет уменьшаться, что также приводит к уменьшению магнитного поля, то вихревое электрическое поле наоборот начнет ускорять ток в проводнике. Таким образом, можно сделать вывод, что любое изменение тока и поля будет приводить к появлению внутреннего ЭДС, которое будет либо тормозить, либо ускорять индукционный ток.
Итак, поток описывает магнитное поле, значит, величина потока пропорциональна индукции. Коэффициент, связывающий индукцию и поток, называется индуктивностью L : 
.
Определяется индуктивность с помощью геометрических размеров проводника, а также материалом, из которого он создан. Единицами измерения индуктивности являются Генри (Гн).
Если использовать данную формулу для ЭДС индукции, можно получить: 
. То есть ЭДС пропорциональна производной силы тока.
Гармонические колебания.
Колебания в идеальном контуре можно описать с помощью законов синуса и косинуса. При этом ток - производная заряда.
, 
, где
q и qm – мгновенное и максимальное значения заряда конденсатора,
I и Im – мгновенное и максимальное значения силы тока,
циклическая частота колебаний.
При рассмотрении колебаний в механике мы рассматривали, что на период колебаний математического маятника влияет длина нити и ускорение свободного падения, в пружинном маятнике - масса груза и жесткость пружины. В данном случае основными величинами, которые влияют на период, являются емкость конденсатора и индуктивность. Формула для нахождения периода называется формулой Томсона:
, 
.
Во время колебаний в колебательном контуре происходит переход заряда из конденсатора в катушку и обратно. В каждой из частей такого контура электромагнитное поле совершает определенную работу. Поэтому для такого перемещения заряда и тока необходима энергия. Так же, как и в случае с описанием каждой части периода, так и с энергией имеется такая же зависимость. В момент, когда максимальный заряд находится на конденсаторе, он имеет максимальное значение энергии, а энергия на катушке равна нулю. После того, как весь ток перешел на катушку - энергия катушки максимальна, а на конденсаторе равна нулю. Но все мы знаем, что в природе существует закон сохранения заряда. Поэтому максимальное значение энергии на конденсаторе равно максимальной энергии на катушке. Максимальная энергия конденсатора: 
.
Максимальная энергия катушки: 
.
Энергия контура в произвольный момент времени: 
.
Но все выражения, представленные выше, равны между собой:
.
До сих пор речь шла о свободных колебаниях, которые происходят в результате собственных сил рассматриваемой цепи. Сейчас же речь пойдет о контуре, на который действует внешняя сила. Такие колебания называются вынужденными. Чтобы получить вынужденные колебания, цепь должна быть подключена к источнику току, в который происходят гармонические колебания напряжения. При этом частота источника тока должна совпадать с частотой контура. Это означает, что, если источник тока вырабатывает напряжение: 
.
Контур имеет частоту, равную ω. Отсюда следует, что период будет находиться следующим образом: 
, а частота: 
.
При этом стоит обратить внимание, что значение амплитуды тока в контуре зависит от величины частоты самого контура и от частоты источника тока. Если эти частоты стремятся друг к другу, то в контуре наблюдается резонанс - резкий скачек амплитуды. Это происходит в том случае, когда выполняется следующее равенство: 
. Во время резонанса амплитуды на конденсаторе и на катушке равны между собой. При такой ситуации не существует сдвига фаз для тока и напряжения. На графике резонанс колебательного контура показывается следующим образом:
Переменный ток - это колебания, которые могут происходить в цепи в результате подключения её к источнику переменного напряжения. Переменный ток - он имеется во всех цепях в квартирах, происходит передача по проводам именно тока переменного напряжения. Однако, практически все электроприборы работают от постоянно электричества, так как на выходе из розетки ток выпрямляется и в виде постоянного переходит к бытовой технике. Именно переменный ток проще всего получить и передать на любое расстояние.
Соберем цепь, в которую будем подключать резистор, катушку и конденсатор. В данной цепи напряжение определяется по закону:
Синус может принимать отрицательные и положительные значения, следовательно, заметим, что напряжение может принимать различное направление. Рассмотрим случай, когда в цепь с переменным током подключен только резистор. Сопротивление резистора называется активным. Будем рассматривать ток, который течет по цепи против часовой стрелки. В таком случае и ток, и напряжение будут иметь положительное значение. Для определения силы тока в цепи используют следующую формулу из закона Ома: 
, 
.
В этих формулах I0 и U0 - максимальные значения тока и напряжения. Отсюда можно сделать вывод, что максимальное значение тока равно отношению максимального напряжения к активному сопротивлению: 
Эти две величины, сила тока и напряжение цепи, изменяются в одинаковой фазе, поэтому графики величин имеют одинаковый вид, но разные амплитуды.
Конденсатор в цепи.
Запомните! Невозможно получить постоянный ток в той цепи, где есть конденсатор. Он является местом для разрыва протекания тока и изменение его амплитуды. При этом переменный ток отлично течет по такой цепи, изменяя полярность конденсатора. Рассмотрим цепь, в которой имеется исключительно конденсатор. Ток течет против часовой стрелки, то есть является положительным. Напряжение на конденсаторе связано с его возможностью накопления заряда, то есть его величиной ёмкости:
, 
Так как ток является первой производной от заряда, то можно определить, по какой формуле его можно вычислить, найдя производную с последней формулы: 
.
В данном случае сила тока описывается законом косинуса в то время, как значение напряжения и заряда можно описать законом синуса. Это значит, что функции находятся в противоположной фазе и имеют аналогичный вид на графике.
Максимальное значение силы тока будет: 
.
Емкостное сопротивление на конденсаторе равно 
.
При увеличении емкостного сопротивления, амплитудное значение тока падает. Обратите внимание, в данной цепи использование закона Ома уместно только в том случае, когда необходимо определить максимальное значение тока, определить ток в любой момент времени по данному закону нельзя из-за разности фаз напряжения и силы тока.
Катушка в цепи.
Рассмотрим цепь, в которой имеется катушка. Представим, что она не имеет активного сопротивления. В таком случае, казалось бы, ничего не должно препятствовать движению тока. Однако это не так. Все дело в том, что при прохождении тока через катушку начинает возникать вихревое поле, которое препятствует прохождению тока в результате образования тока самоиндукции. Сила тока принимает следующее значение: 
.
Снова можно заметить, что ток изменяется по закону косинуса, поэтому для данной цепи справедлив сдвиг фаз, который можно заметить и на графике:
Отсюда максимальное значение тока: 
.
Индуктивное сопротивление цепи равно 
.
Чем больше индуктивное сопротивление, тем меньшее значение имеет амплитуда тока.
Электроэнергия.
Получение энергии из электрического тока имеет огромный ряд преимуществ:
1. Электрический ток достаточно просто производится, поскольку во всем мире существуют миллиарды электростанций, генераторов и прочих приспособлений для образования электроэнергии.
2. Передать электроэнергию можно на огромные расстояния за короткие сроки и без значительных потерь.
3. Имеется возможность преобразовывать электрическую энергию в механическую, световую, внутреннюю и другие виды.
Опыты Максвелла доказали, что электрический ток в вакууме распространяется со скоростью, с которой движется свет, то есть 3 × 108 м/с. При движении зарядов, которые создают ток, образуется две составляющих поля - электрическое и магнитное поле.
Чем быстрее будет происходить перемещение заряда, тем выразительнее будут электромагнитные волны. То есть, чем больше частота, тем большая интенсивность электромагнитных волн. На частоту колебательного контура влияет индуктивность и ёмкость составляющих элементов цепи. Определить её можно по следующей формуле: 
.
Электромагнитные волны являются поперечными. Это значит, что колебания магнитного и электрического поля происходят в плоскостях, которые являются параллельными к распространению волны. Стоит отметить, что силовые характеристики магнитного и электрического поля находятся под углом 900 друг к другу. На графике можно рассмотреть электрическую и магнитную составляющую электромагнитной волны.
Для определения длины волны λ необходимо воспользоваться формулой: 
.
Электромагнитным волнам присущи все правила, справедливые для механических волн:
1.Электромагнитная волна способна отразиться от плотного металла.
2. Через диэлектрик электромагнитная волна проходит достаточно проблематично, поскольку она им поглощается.
3. Если электромагнитная волна переходит из одной среды в другую, которая отличается плотностью, то она способна преломиться.
4. Волны способны интерферировать.
5.Наблюдается явление дифракции.
Существует огромное разнообразие электромагнитных волн, отличающихся длиной.
1. Если длина волны более 1 мм, то такие волны называются радиоволнами. Такого вида волны наблюдаются при радиовещании, телевидении, а также во время грозы. Наиболее длинные волны, имеющие длину волны более 10 км, называются сверхдлинными. Они используются для радиовещания под водой. К длинным волнам относятся те, которые имеют длину от 1 км до 10 км. При проведении локальных радиовещаний, охватываемый диапазон которых не более полутора тысяч километров, используют средние волны, размером до 1 км.
2. Инфракрасные волны. Имеют достаточно небольшой размер - 780 нм..1мм. Такой вид излучения имеет Солнце, его также используют для обогрева помещений и прочих функций.
3. Если длина электромагнитной волны от 380 нм до 780 нм, то такие волны можно отнести к видимому свету, состоящему из 7 основных цветов.
4. Ультрафиолетовое излучение имеют волны от 10 нм до 380 нм. Получить излучение можно от Солнца. Оно полезно для организма человека в качестве улучшения иммунитета, а также общего состояния. Однако принимать ультрафиолетовые ванны нужно аккуратно. Так же ультрафиолетовое излучение используется для кварцевания в больнице.
5. Излучения, которые производит рентген-аппарат, имеют длины волн от 5 пм до 10 нм. Используют его в медицинских целях.
6. Гамма-излучение имеет самую минимальную величину. Происходит оно при ядерных реакциях и процессах.
Литература
| 1. | Фоксфорд. Учебник. [электронный ресурс] www.foxford/wiki.ru |
| 2. | Г. Я. Мякишев, Физика. 10 класс. М. - Издательство: «Дрофа» , 2013. |
| 3. | Л. Ландау, Физика для всех. Книга 1. Физические тела / Л. Ландау, А.Китайгородский, - Издательство: «Главная редакция физико-математической литературы издательства "Наука"» , 1987. |
| 4. | Образовательный портал «Решу ЕГЭ» [электронный ресурс] https://phys-ege.sdamgia.ru/ |
Литература.
| 1. | ЕГЭ и ОГЭ – подготовка к экзаменам [электронный ресурс] www.ctege.info |
| 2. | ЕГЭ, ОГЭ, ВПР. [электронный ресурс] https://neznaika.pro/ |
| 3. | Федеральный институт педагогических измерений.[электронный ресурс] http://www.fipi.ru/ |
| 4. | Образовательный портал «Решу ЕГЭ» [электронный ресурс] https://phys-ege.sdamgia.ru/ |
Модуль 3.
Электродинамика.
ЛЕКЦИЯ 1. Электрическое поле.
Дата: 2019-07-31, просмотров: 273.
