Другий закон Ньютона: базовий закон динаміки[ред. • ред. Код]

Формулювання:

• Прискорення матеріальної точки прямо пропорційне силі, що на неї діє, та направлене в бік дії цієї сили

Математично це формулювання може бути записано так:

або

 , якщо m — константа.

де

• F — сила, яка діє на тіло

• m — маса тіла

• a — прискорення

• v — швидкість

• mv — імпульс, який також позначається як 

Це рівняння фактично означає, що чим більша за абсолютним значенням сила буде прикладена до тіла, тим більшим буде його прискорення. Параметр mабо маса в цьому рівнянні — це насправді коефіцієнт пропорційності, який характеризує інерційні властивості об'єкта.

У рівнянні F=ma прискорення може бути безпосередньо виміряне, на відміну від сили. Тому цей закон має сенс, якщо ми можемо визначити силу Fбезпосередньо. Одним з таких законів, який визначає правило обчислення гравітаційної сили, є закон всесвітнього тяжіння.

У загальному випадку, коли маса та швидкість об'єкта змінюються з часом, отримаємо:

Рівняння із змінною масою описує реактивний рух. Важливе фізичне значення цього закону полягає в тому, що тіла взаємодіють, обмінюючись імпульсами й роблять це за допомогою сил.

5. Третій закон Ньютона

Якщо одне тіло діє на інше, то друге тіло діє на перше (тіла взаємодіють). Отже, за третім законом Ньютона: будь-які два тіла діють одне на одне з силами, однаковими за модулем і протилежними за напрямком.  

Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу

 

Імпульсом (кількістю руху) тіла називається векторна величина, що вимірюється добутком маси тіла на його швидкість.

Одиниця імпульсу в СІ – Ньютон – секунда  .

Величина   має назву імпульс сили.

Систему тіл називають замкненою (ізольованою), якщо на неї не діють зовнішні сили. Для замкненої системи геометрична сума імпульсів тіл є величиною сталою під час будь-яких рухів і взаємодії тіл системи.

 швидкість відповідних тіл до взаємодії,

- швидкості цих тіл після взаємодії.

Рівняння (2.32) виражає закон збереження імпульсу.

Пружною взаємодією тіл (пружним ударом) називається взаємодія, під час якої зберігається геометрична сума імпульсів та сума кінетичних енергій взаємодіючих тіл.

Непружною взаємодією (непружним ударом) називається взаємодія, після якої форма тіл не відновлюється і обидва тіла рухаються як одне. Застосувавши закон збереження імпульсу  , отримаємо:

При непружному ударі тіла нагріваються за рахунок зменшення кінетичної енергії:

Закони збереження імпульсу можна продемонструвати на прикладі реактивного руху. Реактивний рух – це рух, який виникає, коли від тіла відокремлюється і рухається з деякою відносною швидкістю якась його частинка. Наприклад, коли із сопла ракети витікають продукти згорання палива. Під час цього ракета дістає такий самий за модулем імпульс як імпульс продуктів згорання, але напрямок буде протилежний (Рис. 11).

Виходячи із закону збереження імпульсу  , швидкість ракети визначимо за формулою:

Реактивна сила тяги буде обраховуватися за формулою:

 – швидкість витікання палива відносно ракети,   витрата палива (зменшення маси) за одиницю часу.

6. Самоіндукція — явище виникнення електрорушійної сили в провіднику при зміні електричного струму в ньому. Знак електрорушійної сили завжди такий, що вона протидіє зміні сили струму. Самоіндукція призводить до скінченного часу наростання сили струму при вмиканні джерела живлення і спадання струму при розмиканні електричного кола.

Величина електрорушійної сили самоіндукції визначається за формулою

,

де   — е.р.с.,   — сила струму, L — індуктивність.

САМОІНДУКЦІЯ. ІНДУКТИВНІСТЬ. ЕНЕРГІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ СТРУМУ

САМОІНДУКЦІЯ

Кожен провідник, у якому існує електричний струм, має «власне» магнітне поле. Це поле виявляється в момент, коли замикається електричне коло і в провіднику з'являється електричний струм. Якщо індукція магнітного поля перед замиканням кола дорівнювала нулю (В₀ = 0), то через деякий час після замикання вона матиме певне значення В, відмінне від нуля. Отже, момент замикання електричного кола можна вважати моментом зміни магнітного потоку. А будь-яка зміна магнітного потоку, за законом електромагнітної індукції, зумовлює появу вихрового електричного поля, яке спричинює появу ЕРС в усіх замкнутих провідниках, які знаходяться в цьому полі. Не може бути винятком і провідник, який є «джерелом» цього поля. Вихрове електричне поле і в ньому індукує ЕРС індукції.

Явище самоіндукції виявив Д. Генрі у 1832 р.

При замиканні електричного кола спостерігається електромагнітна індукція

Складемо електричне коло з джерела струму GB, вимикача S та електричної лампочки HL(мал. 1.21).

Якщо замкнути коло, уважно спостерігаючи за лампочкою, то побачимо, що лампочка засвітиться практично миттєво. Якщо ж у коло послідовно з лампочкою ввімкнути котушку із залізним осердям (мал. 1.22),

то процес встановлення струму в колі проходитиме інакше. Після замикання кола яскравість свічення нитки розжарення лампочки збільшуватиметься поступово. Це засвідчує, що і струм у колі зростає поступово впродовж певного часу. Хід цього процесу ілюструє графік, наведений на мал. 1.23.

Зрозуміти результати досліду можна, пригадавши правило Ленца, згідно з яким ЕРС, індукована у провіднику вихровим електричним полем, має знак, протилежний знаку ЕРС джерела струму. І лише робота сторонніх сил у джерелі струму поступово зменшує швидкість наростання напруженості індукованого електричного поля і виникнення ЕРС індукції."Оскільки зміна магнітного потоку і явище електромагнітної індукції відбуваються одночасно в одному колі, то на відміну від попередніх випадків це явище називають самоіндукцією. Розрахувати значення ЕРС самоіндукції можна, застосувавши закон електромагнітної індукції:

Дослідження явища самоіндукції показали, що значення ЕРС самоіндукції залежить від параметрів електричного кола. На мал. 1.24—1.26 наведено графіки, які ілюструють процес встановлення струму в колах із різними котушками.

Неважко помітити, що струм у колі, в якому є котушка, що має 100 витків (мал. 1.24), наростає швидше, ніж у колі, в яке ввімкнено котушку із 4000 витків, і має такий самий опірR (мал. 1.25). На процес встановлення струму в колі істотно впливає феромагнітне осердя (мал. 1.26).

Оскільки ЕРС самоіндукції протидіє ЕРС джерела струму, то за результатами дослідів, які ілюструють мал. 1.24—1.26, можна дійти висновку, що ЕРС самоіндукції залежить від характеристик котушки, ввімкненої в електричне коло. Однією з таких характеристик є індуктивність.

Фізичну величину, яка характеризує електромагнітні властивості котушки і є визначальною в процесі самоіндукції, називають індуктивністю.

Індуктивність є індивідуальною характеристикою не лише котушки, а й будь-якого провідника. Тому загалом говорять про індуктивність провідника.

Спосіб розрахунку значення індуктивності грунтується на тому, що магнітний потік у котушці зі струмом пропорційний силі струму в ній. У математичній формі це записують формулою

де Ф — магнітний потік у котушці; / — сила струму в ній; L — стала для даної котушки величина.

Звідси зміна магнітного потоку дорівнюватиме:

Магнітний  потік котушки пропорційний силі струму в ній

З урахуванням отриманої залежності, закон електромагнітної індукції для випадку самоіндукції можна записати так:

звідси

Залежність між величинами, які описують процес електромагнітної індукції, дає змогу встановити одиницю вимірювання індуктивності.

Якщо внаслідок зміни сили струму в провіднику на 1 А за 1 c ньому індукується ЕРС самоіндукції 1 В, то цей провідник має індуктивність 1 генрі (1 Гн).

Одиниця індуктивності названа на честь американського фізика Д. Генрі, який зробив вагомий внесок у розвиток науки про електромагнітні явища.

Одиниця 1 генрі досить велика, тому застосовують її частинки:

1 Гн = 1000 мГн = 1 000 000 мкГн,  або    1 мкГн =10^-3 мГн = 10^-6 Гн.

Індуктивність котушки визначається її фізичними характеристиками

Оскільки індуктивність описує електромагнітні властивості провідника, то вона залежить від його форми, розмірів та магнітної проникності середовища, в якому знаходиться провідник.

Явище самоіндукції спостерігається і при розмиканні електричного кола.

Складемо електричне коло з джерела струму, вимикача, котушки і лампи розжарення. Лампу розжарення, опір якої значно менший за опір котушки, увімкнемо паралельно котушці, (мал.1.27).

Якщо замкнути коло, то нитка розжарення буде розжарюватись і випромінювати світло. Струм проходитиме і в котушці, створюючи магнітний потік, який дорівнює 

Якщо тепер розімкнути коло, то лампочка гаснутиме поступово. Це явище також є наслідком самоіндукції. У результаті зміни магнітного потоку при розмиканні кола з'являється ЕРС самоіндукції, яка підтримує в котушці струм попереднього напрямку, оскільки зі зменшенням магнітного потоку, за правилом Ленца, ЕРС самоіндукції матиме такий самий знак, як і ЕРС джерела струму.

Графік зміни сили струму в колі в момент розмикання наведено на мал. 1.28.

Струм поступово зменшується від значення I₀, яке було перед розмиканням, до нуля, нагріваючи при цьому провідники. Якби обмотка котушки була виготовлена з надпровідного матеріалу і закорочена таким самим провідником, то струм у колі існував би нескінченно довго.

Повторимо попередній дослід за умови, що котушка має малий опір, а лампочка — великий. Джерело струму підберемо так, що в разі замикання кола струм у ньому проходитиме, але лампочка не світитиметься. Якщо ж розімкнути коло, то лампочка яскраво спалахне і поступово погасне. Це означає, що в колі з'явилася ЕРС набагато більша, ніж ЕРС джерела струму. Струм у колі вимикається майже миттєво, тому швидкість зміни магнітного потоку матиме велике значення, а ЕРС самоіндукції значно переважатиме значення ЕРС джерела струму в колі. Залежність ЕРС при розмиканні кола від часу наведено на мал. 1.29.

До моменту t_о в колі існувала лише ЕРС джерела струму  . Після розмикання кола ця ЕРС зникла, але з'явилася значно більша ЕРС самоіндукції  _si.

Появу великої ЕРС можна спостерігати в повсякденному житті. Наприклад, коли штанга тролейбуса з якихось причин від'єднується від контактної мережі і коло живлення електродвигуна, який має значну індуктивність, розривається, з'являється велика іскра. З цієї ж причини вимикачі, які працюють у колах з великими індуктивностями, виготовляють із розрахунком на значно більші напруги, ніж робочі напруги цих кіл.

Поява іскри між контактами вимикача при розмиканні кола обумовлена явищем електромагнітної індукції в даному колі

У потужних роз'єднувачах, які працюють на великих електророзподільних підстанціях, контакти занурюють у масляні ванни, які гасять електричну дугу, що виникає внаслідок самоіндукції при розмиканні кола.

Для вимкнення потужних електродвигунів використовують спеціальні реостати, які поступово зменшують силу струму в колі і тим самим запобігають шкідливим проявам явища самоіндукції, які здатні вивести з ладу ізоляцію обмоток.

ЕНЕРГІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ ПРОВІДНИКА ЗІ СТРУМОМ

Явище самоіндукції підтверджує дію закону збереження і перетворення енергії в електромагнітних явищах. Унаслідок явища самоіндукції при замиканні електричного кола з'являється ЕРС самоіндукції  _sі, яка за правилом Ленца мала б компенсувати ЕРС джерела струму і, тим самим, унеможливити встановлення струму певного значення в електричному колі. Насправді такого не спостерігається. Хоча й протягом певного часу, але в колі врешті-решт встановлюється струм, значення якого визначається лише законом Ома для повного кола:     

де /—сила струму;   — ЕРС джерела струму; (R + г) — повний опір електричного кола.

За умови, що сила струму в колі не змінюється, ЕРС самоіндукції дорівнює нулю. Такий стан в електричному колі встановлюється тому, що за рахунок енергії джерела струму виконується робота з коменсації ЕРС самоіндукції. Це аналогічно випадку, коли для надання нерухомому тілу масоют певної швидкості v потрібно виконати певну роботу з подолання інерції:

Явище самоіндукції підпорядко ване закону збереження енергії

ЕРС самоіндукції компенсується за рахунок ЕРС джерела струму

ЕРС самоіндукції залежить від індуктивності провідника і швидкості зміни сили струму в ньому 

Робота джерела струму, за законом збереження і перетворення енергії, виконується не безслідно. У котушці зі струмом чи навколо будь-якого провідника виявимо магнітне поле. Будь-які зміни сили струму в котушці викличуть появу ЕРС індукції і приведуть до виконання роботи джерелом струму. Ця робота змінить енергію магнітного поля котушки чи провідника довільної форми.

Отже, магнітне поле провідника зі струмом має енергію, яка дорівнює роботі джерела струму впродовж встановлення стабільного значення сили струму в колі.

Нехай котушка індуктивності L увімкнена в електричне коло із джерела струму GB і вимикача S (мал.1.30).

Довжина з'єднувальних провідників невелика, тому їх індуктивністю можна знехтувати.

У момент замикання електричного кола з'являється ЕРС самоіндукції, яка дорівнює

Для компенсації цієї ЕРС джерело струму виконує роботу з переміщення заряджених частинок, загальний заряд яких дорівнює q. За визначенням, ця робота дорівнює

або

 При цьому сила струму в колі змінюється від нуля до І_mах.

За означенням

Однак при замиканні кола струм не має сталого значення. Для спрощення вважатимемо, що сила струму для розрахунку значення заряду лінійно змінюється з плином часу. Тоді візьмемо значення сили струму

Отже,

Зміна сили струму ΔI за інтервал часу Δt дорівнюватимеI_mах:

Робота, виконана джерелом струму, дорівнюватиме енергії магнітного поля котушки зі струмом. Отже,

Врахувавши, що /_max = Io, одержимо

Робота   в   електричному   колі при електромагнітній індукції

Енергія магнітного поля залежить від індуктивності провідника і сили струму в ньому

Енергія магнітного поля котушки зі струмом пропорційна індуктивності котушки і квадрату сили струму в ній.

7. Потенціальна енергія У повсякденному житті  можна знайти багато різних тіл, при переміщенні яких може виконуватися робота. Так, випущена з рук кулька почне падати під дією сили тяжіння, яка виконуватиме роботу з переміщення кульки. Стиснута пружина може підняти на певну висоту тягарець. Тут сила пружності виконає роботу з переміщення тягарця.   Що таке енергія Енергія — це фізична величина, що пока-зує, яка робота може бути виконана при переміщенні тіла. Можна навести ще багато різних прикладів із природи, з повсякденного життя, з техніки, в яких ідеться про тіла, які знаходяться в такому стані, що за певних умов може виконатися робота при їх переміщенні. Про такі тіла кажуть, що вони мають енергію. За різних умов результат виконання роботи може бути різним. Тому й енергія може мати різні значення та бути розрахована.

Одиниці енергії Оскільки йдеться про можливість виконання роботи, то енергію доцільно вимірювати тими самими одиницями, що й роботу. Тому одиницею енергії є 1 Дж.   Види механічної енергії У фізиці розрізняють два види механічної енергії: потенціальну і кінетичну. Якщо тіло нерухоме, але на нього діє певна сила, то кажуть, що воно має потенціальну енергію. Потенціальну енергію має тіло, підняте над поверхнею Землі, стиснута пружина, стиснутий газ, річкова вода у водоймищі тощо.

Як розраховують потенціальну енергію Розраховують потенціальну енергію з урахуванням природи сил, які діють на ці тіла. Найпростіше розрахувати потенціальну енергію тіла, піднятого над поверхнею Землі, оскільки сила, яка діє на нього, залишається практично сталою протягом усього часу його руху під дією цієї сили. Нехай тіло масою т знаходиться на висоті h над землею. Якщо воно впаде на поверхню, то буде виконана робота А = Fs = mgh. Отже, про таке тіло можна сказати, що воно має потенціальну енергію Е_п = mgh.

Кінетична енергія Спостереження за явищами природи показують, що робота може виконуватися при русі тіл. Так, тепловоз, рухаючись колією, стикається з вагоном і зміщує його на деяку відстань. Виконується робота і в тому випадку, коли кинутий камінь пробиває кригу. Вистрілена з рушниці куля пробиває дошку тощо. Якщо потенціальну енергію мають тіла, на які діє сила, то в перелічених вище прикладах робота виконується тому, що вони здійснювали переміщення, рухалися.

Яку енергію мають рухомі тіла Кінетична енергія є фізичною величиною, і її значення можна розраховувати. Для цього треба знати, від яких фізичних величин вона залежить.  Енергію рухомого тіла називають кінетичною енергією.   Як розраховують кінетичну енергію Поставимо жолоб під деяким кутом до поверхні стола. На деякій відстані від його нижнього кінця покладемо брусок. На середній частині жолоба розмістимо маленьку стальну кульку і відпустимо її. Скотившись із жолоба, кулька вдариться об брусок і перемістить його на деяку відстань. Відмітимо відстань, на яку зміститься брусок. Розмістимо кульку у верхній частині жолоба і відпустимо її. У цьому випадку, скотившись жолобом до основи, кулька набуває більшої швидкості, ніж раніше. Ударившись об брусок, вона перемістить його на більшу відстань, ніж у попередньому досліді, виконавши відповідно більшу роботу. Отже, кінетична енергія тіла залежить від його швидкості. Ця залежність нелінійна, що помітно на графіку залежності кінетичної енергії тіла від його швидкості, який має вигляд кривої лінії.

Кінетична енергія тіла  Як відомо, швидкість тіла є відносною величиною, що залежить від вибору тіла відліку. Тому й кінетична енергія є величиною відносною. Якщо артилерійський снаряд, поціливши  в  стіну,   наносить  їй значних руйнувань, то снаряд, посланий услід надзвуковому літаку, не завдасть йому суттєвих ушкоджень, оскільки швидкість снаряда відносно літака буде невеликою. Наслідки зіткнення  автомобілів цу випадку, коли вони рухаються назустріч один одному, будуть завжди більш відчутними, ніж тоді, коли один автомобіль наздоганяє другий. Кінетична енергія залежить і від маси тіла. Якщо повторимо попередні досліди з кулькою більшої маси, то побачимо, що переміщення бруска в цьому випадку буде більшим. Ця залежність лінійна, тому можна сказати, що кінетична енергія тіла пропорційна його масі.

Як розрахувати кінетичну енергію Кінетичну енергію різних тіл використовують для виконання механічної роботи. Так, досвідчені водії автомобілів час від часу від'єднують двигун від коліс, вимикаючи зчеплення, і цим економлять паливо. Робота з подолання сил тертя виконується за рахунок кінетичної енергії автомобіля, який рухається з деякою швидкістю. Конструктори працюють над розробкою моделі міського автобуса, який рушає з місця за рахунок енергії розкрученого під час зупинки важкого маховика. Це дає можливість суттєво зменшити викиди шкідливих речовин в атмосферу та економити паливо. У південних областях України, зокрема на Кримському півострові, використовують вітрові електростанції, які працюють за рахунок кінетичної енергії рухомого повітря — вітру.

Використання закону збереження і перетворення енергії Закон збереження і перетворення енергії знайшов застосування в різних галузях техніки і виробництва. Так, біля багатьох гідроелектростанцій побудовані так звані гідроакумулюючі станції. У період, коли споживання електроенергії мале, вода з основної водойми не зливається через греблю, а продовжує обертати лопаті турбін, з'єднаних з генераторами. Вироблений електричний струм приводить в дію електричні двигуни насосів, які закачують воду у водойми, розміщені вище від рівня основної. У період збільшеного споживання струму вода з цієї водойми обертає турбіни і виробляє додаткову енергію. Таким чином кінетична енергія падаючої води перетворюється в потенціальну енергію води в акумулюючій водоймі, яка потім знову перетворюється в кінетичну енергію падаючої води.

Відкриття закону збереження і перетворення енергії спричинило закриття цілого напрямку в науці, коли вчені намагалися створити пристрій, який виконував би роботу без споживання енергії ззовні. Такий двигун дістав назву вічного двигуна (perpetuum mobile). Закон збереження і перетворення енергії виявився настільки незаперечним, що Паризька академія наук, один із найавторитетніших наукових закладів світу, ще в 1755 р. постановила залишати без розгляду всі заяви і пропозиції, що стосуються вічного двигуна.

8. Генератор змінного струму — система з нерухомого статора (складається із сталевого осердя та обмотки) і ротора (електромагніт із сталевим осердям), який обертається всередині нього.

Через два контактних кільця, до яких притиснуті ковзні контакти щітки, проводиться електричний струм. Електромагніт створює магнітне поле, яке обертається з кутовою швидкістю обертання ротора та збуджує в обмотці статора ЕРС індукції.

Щоб ротор обертався і створював магнітне поле, яке викликає у статорі ЕРС індукції, йому необхідно надавати енергію. Ротор обертається уелектростанціях за допомогою пари (ТЕС та АЕС) або гідротурбін (ГЕС).

Трансформа́тор (от лат. transformo — преобразовывать) — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивносвязанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты^[1][2].

Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкогоматериала.

ТРАНСФОРМАТОР. РОЗВ’ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ. ПЕРЕДАЧА ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ НА ВІДСТАНЬ ТА ЇЇ ВИКОРИСТАННЯ

ТРАНСФОРМАТОР

Однією з важливих переваг змінного струму над постійним є те, що силу струму і напругу змінного струму можна в найширших межах перетворювати (трансформувати) без істотних втрат потужності. Для зменшення витрат електричної енергії в лініях електропередач силу струму в них зменшують, а напругу збільшують до сотень тисяч і більше вольт, а в місцях споживання електроенергії напругу знижують до необхідних значень (сила струму при цьому відповідно зростає).

Трансформатор (мал.З. 21) в основному складається з двох (або більшої кількості) котушок, намотаних на феромагнітне (наприклад, сталеве) осердя. Одну з цих котушок (обмоток), яка приєднується до лінії від генератора, називають первинною.

Споживачі (електродвигуни, лампи, нагрівники тощо) приєднуються до вторинної обмотки трансформатора. Осердя багатьох трансформаторів виготовляють із трансформатичної сталі і роблять замкненим, щоб зменшити втрати енергії в ньому. Сталь беруть у вигляді пластин, ізольованих одна від одної, що зменшує втрати енергії в разі виникнення вихрових струмів.

Змінний струм, що проходить у колі первинної обмотки l з кількістю витків N₁, створює в осерді змінне магнітне поле. Це поле є спільним для обох обмоток трансформатора. У вторинній обмотці трансформатора 2 з кількістю витків N₂ індукується електрорушійна сила.

Оскільки обмотки трансформатора мають спільне змінне магнітне поле, то в кожному їх витку виникає однакова електрорушійна За допомогою трансформаторів можна в широких межах змінювати сили струму і напруги змінних струмів без істотних втрат потужності сила. Електрорушійна сила в обмотках пропорційна кількості витків у них:

Якщо коло вторинної обмотки розімкнене, то таке явище називають холостим ходом трансформатора. У цьому разі напруга U₂ дорівнює електрорушійній силі  . У первинній обмотці при цьому проходить струм невеликої сили — струм холостого ходу. 

Отже, під час холостого ходу напруги на обмотках трансформатора можна вважати пропорційними кількостям витків у них:

де k — коефіцієнт трансформації.

Якщо k < 1, то U₂ > U₁ і трансформатор є підвищувальним; якщо k > 1, напруга U₂ менша від U₁ і трансформатор є знижувальним.

Коли до вторинної обмотки приєднують споживачі, вторинне коло замикається — це так званий робочий хід трансформатора. Струм І₂ вторинної обмотки є індукційним, тому його магнітне поле відповідно до закону Ленца послаблює магнітне поле, яке його викликало. Отже, магнітний потік в осерді зменшується, а відповідно зменшується і  . Сила струму I₁ зростає до значення, коли магнітний потік в осерді стане таким, як і був раніше.

Коли активні опори обмоток трансформатора незначні, можна вважати, що   і  .

Сучасні трансформатори мають коефіцієнти корисної дії від 90 до 99,5%, тобто втрати енергії в них незначні. Тому наближено

При розімкненому колі вторинної обмотки трансформатора явище називають його холостим ходом

Коефіцієнт трансформації при холостому ході визначається відношенням кількостей витків в обмотках трансформатора

звідки

Коли активні опори обмоток трансформатора незначні, то можна вважати, що

Один і той самий трансформатор, якщо в ньому є кілька обмоток, може бути як підвищувальним, так і знижувальним, або якщо за наявності лише двох обмоток поміняти їх місцями.

 ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ 13  1. На фото подано осцилограму вільних коливань у коливальному контурі (С = 0,25 мкФ).

1) Дослідіть, чи залежить період вільних коливань від їх амплітуди. 2) Визначте період, частоту і циклічну частоту коливань, якщо вони відбуваються протягом 0,01 с. 3) Визначте індуктивність котушки контура. 2. Коливальний контур складається з конденсатора ємністю 10 пФ і котушки індуктивністю 3 мГн. Знайдіть частоту електромагнітних коливань у контурі. 3. В коливальному контурі максимальний електричний заряд конденсатора 10~6 Кл, а максимальна сила струму — 0,03 А. Який період електромагнітних коливань у контурі? 4. Конденсатор ємністю 50 пФ спочатку з'єднали з джерелом постійного струму з електрорушійною силою З В, а потім з котушкою індуктивністю 5 мкГн. Яка частота коливань, що відбуваються в контурі? Яка максимальна сила струму в контурі?                   5. Електричний заряд на пластинах конденсатора коливального контура змінюється з часом згідно з рівнянням q = 10^-6cos10⁵пt. Запишіть рівняння залежності сили струму від часу. Знайдіть  період і частоту коливань у контурі, амплітуду коливань заряду і сили струму. 6. Конденсатор ємністю 20 мкФ зарядили до напруги 400 В і приєднали до котушки з певною індуктивністю. В контурі виникли затухаючі коливання. Яка кількість теплоти виділиться в контурі за час, коли амплітуда коливань напруги зменшиться у 4 рази? 7. Маємо послідовно з'єднані резистор з опором 3,9 кОм і конденсатор ємністю 0,25 мкФ. До такої ділянки кола прикладено напругу промислової частоти (50 Гц). Визначте: 1) ємнісний опір ділянки кола; 2) повний опір ділянки кола; 3) коефіцієнт потужності; 4) зсув фаз сили струму і напруги на ділянці кола; 5) котушку якої індуктивності треба з'єднати послідовно з резистором і конденсатором, щоб спостерігався резонанс? 8. У коло змінного струму увімкнемо конденсатор ємністю 1 мкФ і — дросель (котушку) індуктивністю 0,1 Гн.  Знайдіть відношення індуктивного опору до ємнісного за частоти 50 Гц і 5 кГц. За якої частоти струму ці опори будуть однаковими? Яке явище при цьому спостерігається? 9. Первинна обмотка силового трансформатора радіоприймача має 2200 витків. Скільки витків повинна мати вторинна обмотка, що використовується для живлення споживача за напруги 5 В і сили струму 2 А? Опір вторинної обмотки 0,1 Ом. Напруга в мережі 220 В. Яка сила струму у первинній обмотці трансформатора? 10. На замкнуте залізне осердя надіто дві обмотки. Як визначити число витків у кожній з обмоток, якщо в розпорядженні є джерело змінного струму, провідники довільної довжини і вольтметри на будь-які значення напруг?

ЯК ДОЦІЛЬНО ПЕРЕДАВАТИ ЕЛЕКТРИЧНУ ЕНЕРГІЮ НА ВІДСТАНЬ?

У багатьох випадках розв'язування фізичних задач може бути джерелом нових теоретичних чи практичних висновків. Іноді навіть кажуть що розвиток фізичної науки є послідовним розв'язуванням задач, що постають. Розглянемо одну з таких задач, яка є у будь-якому серйозному збірнику задач з фізики.

Задача. Електроенергію від електростанції потужністю 62 кВт передають за допомогою лінії з опором 5 Ом. Визначити втрату напруги і потужності в лінійних проводах та коефіцієнт корисної дії передачі енергії у разі, коли передача здійснюється за напруги на електростанції: 1)  620 В; 2)  6200 В.

Порівняння одержаних результатів дає змогу дійти таких висновків: 1) підвищення напруги в лінії у 10 разів у стільки ж разів зменшує втрати напруги; 2) підвищення напруги в лінії у 10 разів зменшує втрати потужності (й енергії) у 100 разів. Напрошуються два висновки чи два завдання: 1) передавати електричну енергію за якомога вищих напруг; 2) створити пристрої, які б давали змогу за потреби підвищувати напругу (у разі подачі енергії від генераторів до лінії передачі) і знижувати її (у разі подачі від лінії передачі до споживачів). Такі пристрої були створені, їх назвали трансформаторами.

9. Коливальний рух. Амплітуда, період і частота коливань  Коливання — найпоширеніша форма руху в навколишньому світі та техніці. Коливаються дерева під дією вітру, поршні у двигуні автомобіля тощо. Ми можемо розмовляти й чути звуки завдяки коливанням голосових зв'язок, повітря і барабанних перетинок. Коливається серце. Усе це приклади 30 механічних коливань. Світло - це також коливання, але електромагнітні. За допомогою електромагнітних коливань, які поширюються у просторі, відбувається радіозв'язок, радіолокація, телебачення, а також лікуються різні хвороби. На перший погляд, наведені приклади коливань мають мало спільного. Проте під час їхнього дослідження виявилося, що різні за природою коливання описуються однаковими математичними рівняннями,  що значно полегшує їх вивчення. Як же виникають механічні коливання? Розглянемо рух кулі з отвором, прикріпленої до одного кінця зафіксованої пружини на горизонтально розташованому стержні. Другий кінець пружини закріплений у стіні. Нехай у початковий момент куля перебуває у положенні рівноваги. Розглядатимемо ідеальний випадок, коли в розглянутій системі відсутнє тертя, тобто механічна енергія не зменшується.

Якщо кулю відвести праворуч від положення рівноваги, то пружина розтягнеться. При відпусканні кулі пружина змусить її рухатись до положення рівноваги. Оскільки тертя у системі відсутнє, то куля пройде положення рівноваги і, рухаючись ліворуч, стисне пружину.

Дійшовши до крайнього лівого положення, куля буде рухатись праворуч і повернеться у крайнє праве положення, коли пружина знову стане максимально розтягнутою. У такому випадку куля здійснить одне повне коливання. У подальшому в ідеальній системі (без тертя) такі коливання будуть відбуватись як завгодно довго.

Бачимо, що основною рисою коливань є їх періодичність. Але періодичними є й обертові рухи. На відміну від обертових рухів, які мають для кожної точки колові траєкторії, під час коливальних рухів точка чи тіло рухаються в протилежних напрямах по одній і тій самій траєкторії.

У коливальному русі точка (тіло) проходить всі точки траєкторії руху (окрім двох крайніх) двічі — один раз в одному напрямі, другий - у зворотному.   Максимальне відхилення тіла, що коливається, від положення рівноваги називається амплітудою коливання тіла. Час, протягом якого здійснюється одне повне коливання тіла, називається періодом коливання тіла Т. Основною одиницею періоду коливань є секунда.   Частота коливань f показує, яку кількість коливань тіло здійснює за одиницю часу. Частота коливань вимірюється в одиницях за секунду. Ця одиниця називається герц (Гц) на честь німецького фізика Генріха Герца, який у 1884 р. експериментально довів існування електромагнітних хвиль.

Гармонічними коливаннями називаються періодичні коливання фізичної величини (або будь-якої іншої) залежно від часу, які відбуваються згідно із законами синуса або косинуса

,

або

,

де   — це фізична величина, що коливається,   — час,   — це найбільше значення, яке приймає величина   під час коливань, яке називають амплітудою коливань,   — циклічна частота коливань,   — фаза коливань.

Періодом коливань називається величина

.

Лінійна частота коливань визначається, як

.

10. Електриза́ція (рос. электризация, фр. électrisation, electrification, нім. Elektrisierung f) — процес надання тілу електричного заряду за рахунок інших тіл. Процес, що приводить до появи на тілах або різних частинах одного тіла надлишку електричного заряду.

Електризація може відбуватися під дією світла, тертя й інших взаємодій. При електризації завжди виконується закон збереження електричного заряду.

Найпоширенішим прикладом електризації є трибоелектричний ефект, тобто процес електризації від тертя. Наприклад, бурштинова паличка може набувати електричного заряду при натиранні вовною. Такий процес електризації був вперше зафіксований Фалесом Мілетським біля 600 року до н. е. Іншими прикладоми матеріалів, які набувають електричного заряду при терті, є скло, при натиранні шовком, та ебоніт, при натиранні хутром.

Електри́чний заря́д — скалярна фізична величина, квантована та інваріантна, яка є кількісною мірою властивості фізичних тіл або частинок речовинивступати в електромагнітну взаємодію. Електричний заряд звичайно позначають латинськими літерами q або великою буквою Q. Одиницею вимірювання електричного заряду в системі одиниць СІ є кулон.