 |
Тема 7. Основы электродинамики.
|
|
|
|
Учебные вопросы
1. Электричество. История открытия.
2. Основы электродинамики.
3. Постоянный электрический ток.
Электричество. История открытия.
Электричество. История термина. Электричество – совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин введён английским естествоиспытателем Уильямом Гилбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами.
Античные опыты Фалеса. Одним из первых электричество привлекло внимание греческого философа Фалеса в VII веке до н. э., который обнаружил, что янтарная расческа имеет свойство притягивать легкие предметы: пылинки, ворс, волосы. Термин электричество переводится, как «янтарность».
Лейденская банка – первый конденсатор. В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создает первый электрический конденсатор - Лейденскую банку.
Первая научная теория электричества. Первая научная теория электричества принадлежит американцу Бенджамину Франклину. В своей книге в 1747 г. «Опыты и наблюдения над электричеством», он рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид. Вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний.
Открытия Кулона и Гальвани. Изучение электричества переходит в категорию точной науки после открытия в 1785 году Закона Кулона:
.
В 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных.
|
|
|
Первый источник постоянного тока А. Вольта. Алессандро Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока – гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделенных смоченной в подсоленной воде бумагой. Т.о. А. Вольта изобрел первый химический источник электрического тока.
Вольтова дуга. В 1802 г. Василий Петров обнаружил вольтову дугу: физическое явление, один из видов электрического разряда в газе. Электрическая дуга является частным случаем четвёртой формы состояния вещества - плазмы.
Исследования электромагнетизма физиками 19 в. В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создает на его основе первый в мире генератор электроэнергии.
Опыты Фарадея и их значение. Фарадей открывает электромагнитную индукцию (1831) и законы электролиза (1834), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привел Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы - частицы материи.
Открытие перспектив передачи электроэнергии на расстояние. В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. А. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 г.).
Открытие электрона. В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества - электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.
Исследование электричества современной физикой. Демонстрация видеосъемки опытов в Большом электронном коллайдере.
|
|
|
Основы электродинамики.
Термин электродинамика. Термин электродинамика происходит от греческих слов «электрон» – янтарь и «динамо» – сила.
Электродинамика как наука. Электродинамика – наука, изучающая взаимодействие заряженных тел, а также действие электро-магнитного поля на эти тела (заряды).
Электрон и электрический заряд. Электрон – мельчайшая частица, способная обладать зарядом, или элементарный носитель заряда (отрицательного). Электрический заряд – это не материя, а лишь свойство тел. Электрический заряд не может существовать отдельно от тела и, конечно же, не может «перетекать» от тела к телу. Электрон – наименьшая частица, способная обладать этим свойством.
Электрические заряды и принцип их взаимодействия. Электрические заряды имеют потенциал: положительный или отрицательный. Принцип взаимодействия зарядов: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются.
4 способа электризации. Электризация происходит 4 способами: Соприкосновением; Трением (активное прикосновение); Влиянием (явление электростатической индукции); Освещением (фотоэффект).
Откуда берутся электрические заряды. Химическая формула атома гелия:
.
Индекс 2 говорит нам о том, что в ядре атома гелия находятся две положительно заряженные частицы – протоны (p+). Таким же количеством частиц – электронами (e-), и скомпенсирован положительный заряд ядра. Электроны непрерывно вращаются вокруг ядра на значительно большем расстоянии, нежели размеры самого ядра. Индекс же 4 означает, что всего в ядре находится 4 частицы. Две дополнительные частицы – это нейтроны (n), которые не имеют электрического заряда.
Ионы и ионизация. Ион – атом, потерявший или приобретший один или несколько электронов, вследствие чего получивший положительный или отрицательный заряд соответственно. Ионизация - образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.
Закон сохранения заряда. Во время электризации заряды не могут меняться произвольным образом. Изменение зарядов подчиняется закону сохранения заряда:
|
|
|
Закон Кулона. Сила взаимодействия 2-х электрических зарядов прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Электрическое поле. Электрическое поле – это особая форма материи, которая создается покоящимися зарядами и определяется действием на другие заряды. Электрическое поле существует вокруг тел (частиц), обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде в электромагнитных вол- нах.
Опыты М. Фарадея. Майкл Фарадей (1791 – 1867). Английский физик. Разработал основы учения об электромагнитном поле. Открытия: Электромагнитная индукция - основа современной электропромышленности; Первый электродвигатель; трансформатор; Химическое действие электрического тока; электролиз; Действие магнитного поля на свет; Предсказал электромагнитные волны.
Опыты Джеймса Максвелла. Джеймс Ма́ксвелл (1831 – 1879). Британский физик, математик и механик. Совершил открытия: Основы современной электродинамики; Электромагнитная природа света и давление света; Физические принципы цветной фотографии. Джеймс Максвелл обосновал: наличие токов смещения и электромагнитных полей; Заложил основы кинетической теории газов.
Основные характеристики электрического поля. Напряжённость; Напряжение; Потенциал.
Напряжённость электрического поля (Е). Это векторная величина, определяющая силу (F), действующую на заряженную частицу или тело со стороны электрического поля, и численно равная отношению силы к заряду (Q) частицы: Е = F/Q [Н/Кл]
Электрическое напряжение (U). Это работа (А), совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля: U = A/q [Дж/Кл]
Электрический потенциал (φ). Это энергетическая характеристика поля, численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы (W), помещенной в данной точке поля, к величине её заряда: φ = W/Q [В]
|
|
|
