Экзаменационные вопросы по естествознанию физика (стр. 9 из 13)
По отношению к внешним цепям колебательный контур может быть последовательным, если он включен последовательно с источником переменного напряжения, или параллельным, если включен параллельно.
Резонансная частота контура определяется выражением:
(53)При совпадении частоты возбуждающего напряжения сопротивление последовательного контура уменьшается до значения его активного сопротивления, а для параллельного — возрастает, при этом в последовательном контуре напряжение на реактивных элементах — конденсаторе и индуктивности резко возрастает в Q раз, где Q — добротность контура, равная отношению реактивного сопротивления к активному в момент резонанса:
(54)Для параллельного контура во столько же рве возрастает его сопротивление для внешнего возбуждающего источника.
Резонансные цепи широко используются в радиотехнике для выделения из общего состава электромагнитных волн нужной частоты. Меняя величины емкости и индуктивности, можно колебательный контур настроить на любую частоту и тем самым выделить именно ее, отсеяв все остальные, поскольку энергия только этой частоты будет накапливаться в колебательном контуре и усиливаться, остальные частоты будут этим контуром подавляться.
18. Электромагнетизм как физическое явление.
Взаимодействие токов, закон Ампера.
Принцип действия электродвигателей
Воздействие электрического тока на магнитную стрелку было открыто X. Эрстедом в 1820 году. Это явление было детально исследовано А. Ампером, который в 1826 г. издал специальный труд “Теория электродинамических явлений, выведенных исключительно из опыта”. В нем Ампер изложил первую теорию магнетизма, основанную на гипотезе молекулярных токов. Ампером было детально исследовано взаимодействие токонесущих проводников и выведен закон, носящий его имя.
При прохождении тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле. Напряженность магнитного паля, возникающего вокруг прямолинейного провела, определяется из Закона полного тока:
(55)откуда
(56)гае Н — напряженность магнитного поля, А/м; I — ток. А; R — расстояние от измеряемой точки до центра проводника, м.
Если проводников несколько, то напряженность магнитного поля увеличивается пропорционально произведению тока на число проводов.
Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, называют силой Ампера. Элементарная сила Ампера dF, действующая на малый элемент dl длины проводника, по которому идет электрический ток I, равна (закон Ампера):
(57)Если по двум параллельным проводникам текут токи I1 и I2, то сила, действующая на элемент длины dl первого проводника со стороны второго проводника, будет равна:
(58)где R — расстояние между проводниками.
В электродвигателях проводники помещаются на якорь (ротор) — вращающуюся часть машины, через коллектор к ним подводится ток, а на статоре устраивается обмотка, создающая магнитное поле. В результате взаимодействия магнитных полей статора и ротора (якоря) силы, действующие на проводники якоря, приводят его во вращение.
19. Взаимодействие электромагнитного поля
и движущегося заряда. Сила Лоренца.
Принцип действия электрогенераторов
На электрический заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила Лоренца, равная
(59)где q - величина заряда, Кл; u — скорость заряда, м/с; В — магнитная индукция поля, Г. Эта сила направлена перпендикулярно векторам u и В.
Если проводящий контур движется а стационарном магнитном поле, то в нем наводится э.д.с. индукции, поскольку на каждый свободный заряд — носитель тока в проводнике, перемещающийся вместе с проводником в магнитном поле, действует сила Лоренца, поэтому на отрезке длиной l, движущемся в поле с магнитной индукцией В со скоростью u возникает э.л.с., равная
E=-B l u, B (60)
На этом основаны электромеханические электрогенераторы, в которых на статоре размещена обмотка, через которую пропускается постоянный ток, в результате чего в зазоре между статором и ротором (якорем) создается сильное магнитное поле. На поверхности ротора уложена вторая обмотка, в которой при вращении ротора и пересечении в результате этого силовых линий магнитной индукции создается электродвижущая сила.
Сила Лоренца используется в кольцевых ускорителях заряженных частиц для многократного прогона их (в процессе разгона) по одному и тому же пути. Оказываемся радиус обращения заряженной частицы в поперечном магнитном поле не зависит от скорости частицы.
20. Магнитное поле как носитель энергии.
Электромагнитная индукция. Закон Фарадея.
Правило Ленца. Примеры технического использования
Магнитное поле, создаваемое природными магнитами или электрическим таком, пропускаемым через проводник, содержит в себе энергию. Плотность энергии магнитного поля определяется выражением:
(61)а вся энергия поля, в пространстве определится выражением:
(62)где В — величина магнитной индукции, Тл; Н — напряженность магнитного поля, А/м; m = 1,25 • 10-6 магнитная проницаемость вакуума.
Явление электромагнитной индукции состоит в том, что в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле, возникает электродвижущаяся сила индукции Еi. Если контур замкнут, то в нем возникает электрический ток, называемый индукционным током.
Закон электромагнитной индукции Фарадея:
э.д.с. электромагнитной индукции Ei, в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока Фм сквозь поверхность, ограниченную этим контуром:
(63)или
(64)где S — площадь контура, м2; В — магнитная индукция, Г.
Правило Ленца:
Индукционный ток в контуре имеет всегда такое направление, что создаваемый им магнитный поток сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшает те изменения магнитного потока, которые вызвали появление постоянного тока.
Магнитный поток, охваченный контуром, может изменяться по ряду причин — благодаря деформации или перемещению контура во внешнем магнитном поле, а также вследствие изменения магнитного поля во времени. Практическое применение первого случая — электромеханические генераторы; второго случая — трансформаторы.
21. Взаимодействие вещества и полей.
Поведение веществ в электрических полях.
Диэлектрики и пьезоэлектрики и их применение
Всякое вещество, помешенной в магнитное и электрическое поле испытывает воздействие со стороны этого поля. Это воздействие для разных веществ различно, соответственно различна и реакция веществ на поле.
Диэлектрики — это вещества, не проводящие электрического тока. Молекулы диэлектрика эквивалентны электрическим диполям.
В отсутствие внешнего электрического поля электрические моменты диполей диэлектрика, не являющегося сегнетоэлектриком, расположены хаотично, и их результирующий момент равен нулю. Во внешнем же электрическом поле диэлектрики поляризуются, т.е. переходят в состояние, когда дипольные моменты молекул отличны от нуля. В таком состоянии диэлектрики называются поляризованными.
Различают:
— ориентационную поляризацию, которая состоит в повороте осей жестких диполей молекул полярного диэлектрика вдоль направления электрического поля;
— электронную поляризацию диэлектрика с неполярными молекулами, состоящую в возникновении у каждой молекулы индуцированного электрического момента и осуществляющуюся в жидкостях и газах;
— ионную поляризацию в кристаллических диэлектриках, например, в Nа-Сl, имеющих ионные кристаллические решетки, состоящую в смешении положительных ионов решетки вдоль поля, а отрицательных — в противоположную сторону.
В результате образуются в противоположных направлениях как бы дополнительные (поляризационные) заряды, создающие внутри диэлектрика дополнительное поле, направленное против внешнего поля. Результирующее поле в диэлектрике будет равно:
, (65)где c0 — диэлектрическая восприимчивость вещества, а с — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
Диэлектрики широко используются в конденсаторах. Поскольку емкость конденсатора равна
(66)