Закон электромагнитной индукции

Эл. ток в цепи возможен, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называется ЭДС. При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС индукции. Учитывая направление индукционного тока, согласно правилу Ленца:

- для одного витка; ω =1

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком. ( закон индукции Фарадея)

Правило Ленца – индуцированный ток направлен всегда так, что своим магнитным полем он препятствует изменению магнитного потока, вызывающему явление электромагнитной индукции.

Билет 16

Самоиндукция. Индуктивность ЭДС самоиндукции. Энергия магнитного поля.

Явление возникновения э.д.с. индукции в контуре в результате изменения в нем силы тока называют самоиндукцией. Индуцируемую при этом в контуре электродвижущую силу называют э.д.с. самоиндукции.

Обычно э.д.с. самоиндукции получают в соленоиде с изменяющимся в нем током, магнитный поток которого пронизывает соленоид и индуцирует в нем э.д.с. самоиндукции.

Магнитный поток прямо пропорционален силе тока: Ψ = L I, I – сила тока

В СИ единицей индуктивности является генри (Гн).

Э.д.с. самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в контуре.

2

Энергия магнитного поля при любой силе тока I W =

Билет 17

Свободные электромагнитные колебания в контуре. Превращения энергии в колебательном контуре. Собственная частота колебаний в контуре. Формула Томсона. Затухающие эл. магнитные волны.

Свободными или собственными колебаниями движения осциллятора, предоставленного самому себе, при отсутствии внешнего воздействия.

Колебательный контур, состоящий из катушки, замкнутой на конденсатор, является источником электромагнитных колебаний, при которых электрическая энергия заряженного конденсатора периодически превращается в энергию магнитного поля катушки.

Частота является постоянной для каждой данной колебательной системы, например для колеблющейся тени шарика и других осцилляторов. Она зависит только от собственных свойств осцилляторов и поэтому ее называют собственной частотой.

Формула Томсона:

.

Собственная частота и период контура определяются только собственными эл. характеристиками колебательной системы.

Свободные колебания осцилляторов, в которых действуют только внутренние силы, затухают, т. е. амплитуда движений уменьшается.

В зависимости от силы трения у одних осцилляторов затухание происходит быстро, у других медленно. Меняя сопротивление резистора колебательного контура, можно убедиться, что с ростом сопротивления затухание усиливается, т.е. амплитуда колебаний заряда (или силы тока) убывает быстрее.

Билет 18

Вынужденные электромагнитные колебания. Переменный ток и его получение. Действующие значения э.д.с. напряжения и силы переменного тока.

Если к колебательному контуру подключить источник тока, который в нужные моменты времени будет его подпитывать энергией, компенсируя потери, то вся установка превращается в автоколебательную систему. В ней поддерживаются эл. магнитные колебания, а саму установку называют генератором незатухающих электромагнитных колебаний. Электромагнитные колебания при этом будут вынужденными.

Электрический ток, возникающий под действием э.д.с., которая изменяется по синусоидальному закону, называют переменным. Переменный ток – это вынужденные колебания тока в электрических цепях, точнее, синусоидальные колебания силы тока, напряжения, электродвижущей силы (э.д.с.).

Магнитное поле можно получить, используя вращающиеся магниты с полюсными наконечниками специальной формы.

Если ротор вращать относительно статора с постоянной угловой скоростью ω, то

α = ω t и магнитный поток, пересекающий обмотку статора, Ф = Ф_м cosω t. при этом в обмотке статора, как показывает опыт, индуцируется переменная э.д.с. индукции:

Ԑ= Ԑ_м sinω t,

А фаза α = ωt определяет долю, которую Ԑ составляет от Ԑ_м в данный момент времени.

Действующим значением силы переменного тока называют некоторое значение постоянного тока, действие которого произведёт такую же работу (тепловой или электродинамический эффект), что и рассматриваемый переменный ток за время одного периода. Соответственно величины 6) Ԑ = , U = называют действующими значениями э.д.с. и напряжения.

Билет 19

Активное сопротивление. Катушка индуктивности и конденсатор в цепи переменного тока.

Замкнув концы обмотки резистором сопротивления R, увидим что по замкнутой цепи потечет такой же частоты изменяющийся по синусоидальному закону электрический ток: 7) I = = sinω t = I_м sinω t,

где I_м = -амплитуда силы тока; R – полное сопротивление замкнутой цепи, включая сопротивление обмотки и подводящих проводов. Такое сопротивление называют активным. Подключив осциллограф к концам резистора, можно наблюдать синусоидальные колебания э.д.с. и силы тока. При активном сопротивлении колебания э.д.с. и силы тока совпадают по фазе.

Соединим последовательно резистор – лампу накаливания сопротивлением R , конденсатор емкостью С и катушку большой индуктивности L. Если данную цепь присоединить к зажимам генератора переменного тока, то лампа загорится, что свидетельствует о наличии эл. тока в цепи, несмотря на разрыв, существующий между изолированными друг от друга обкладками конденсатора. Для переменного тока это объясняется следующим образом.

В данной цепи действует переменная, созданная внешним источником – генератором, э.д.с. Ԑ= Ԑ_м sinω t. Далее действует э.д.с. самоиндукции Ԑ_L = - . Наконец, действует переменная разность потенциалов ϕ₁ – ϕ₂ = , возникающая за счет зарядов, скапливающихся на пластинах конденсатора.

На основе закона Ома для неоднородного участка цепи имеем

IR = Ԑ + Ԑ_L – ( ϕ₁ – ϕ₂ ). ,

Данное выражение можно преобразовать к виду

Ԑ = IR + ( ϕ₁ – ϕ₂ ) - Ԑ_L = U_R + U_C + U_L ;

Здесь разность потенциалов на резисторе с активным сопротивлением

U_R = IR ,

На конденсаторе

U_C = ;

на катушке индуктивности

U_L = - Ԑ_L = L .

Мгновенное значение внешней э.д.с. равно мгновенному значению результирующей разности потенциалов, колеблющейся с частотой внешней э.д.с.:

Ԑ = U_R + U_C + U_L.

Билет 20

Трансформатор. Передача и распределение электроэнергии.

Нередко один и тот же источник переменного тока должен питать приборы, рассчитанные на рзные напряжения. Для этого устанавливают один или несколько трансформаторов – приборов для изменения напряжения переменного тока.

Сердечник трансформатора собран из листов специальной трансформаторной стали с с малой коэрцитивной силой. На сердечник надевают первичную обмотку с числом витков ω₁ и вторичную обмотку с числом витков ω₂ . Когда по первой обмотке течет переменный эл. ток, у которого периодически меняются и силы тока, и направление, то вместе с этим изменяется магнитное поле. В этом поле находятся витки провода второй обмотки. По закону Фарадея во второй обмотке возникает э.д.с. индукции. Если концы второй обмотки замкнуть между собой, то в замкнутой цепи потечет электрический ток. Таков принцип работы трансформатора.

Билет 21

Электромагнитная природа света.

Для становления электромагнитной теории света важную роль сыграло измерение его скорости. Свойства электромагнитных волн меняются в зависимости от их частоты v или длины в вакууме 10) = .

Электромагнитные волны охватывают огромный диапазон частот – от нескольких колебаний в секунду до 1 х 10²² Гц.

Радиоволны бывают длинные более 1 км, средние от 1 км до 100 м, короткие от 100 м до 10 м, ультракороткие – менее 10 м.

Область ультракоротких радиоволн смыкается с участком инфракрасного излучения. Граница между ними чисто условная и определяется способом их получения: ультракороткие радиоволны получают с помощью особых генераторов, а инфракрасные – при излучении нагретых тел.

Видимый свет - это электромагнитные волны.

За видимым участком спектра – область ультрафиолетового излучения. Его получают с помощью тлеющего разряда, обычно в парах ртути.

С коротковолновой границей ультрафиолетовой области смыкается участок, соответствующий рентгеновскому излучению. Дальше идет область гамма-излучения .

Билет 22

Квантовая природа света. Фотоэффект. Законы фотоэффекта.

Все тела, нагретые до высокой температуры, начинают светиться. Излучение, испускаемое нагретыми телами, называют тепловым. Всякое нагретое тело является источником теплового излучения. Тепловое излучение возникает не только при высоких температурах, но и при комнатной температуре. Разница лишь в том, что по мере понижения температуры уменьшается интенсивность излучения и изменяется его спектральный состав.

Каждое тело не только испускает, но и поглощает излучение. В том случае, если температура тела остается постоянной, чем лучше тело излучает при данной температуре, тем лучше оно и поглощает, причем это справедливо для электромагнитных волн любой частоты. Это результат соответствует закону сохранения энергии.

Явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под действием света называют внешним фотоэлектрическим эффектом.(внешним фотоэффектом или просто фотоэффектом), а вырванные таким образом электроны называют фотоэлектронами.

3 закона внешнего фотоэффекта:

1. максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

2. для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. такая наименьшая частота света, при которой еще возможен внешний фотоэффект;

3. число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1 с (фототок насыщения), прямо пропорционально интенсивности света.

Билет 23

Модель атома Резерфорда – Бора. Поглощение и испускание света атома. Квантовая энергия.

Для создания теории строения атома Бор, сохраняя классический подход к описанию поведения электрона в атоме, выдвинул 3 постулата, которые называют постулатами Бора.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют некоторые стационарные состояния, не изменяющиеся во времени без внешних воздействий. В этих состояниях атом не излучает и не поглощает электромагнитные волны.

Второй постулат Бора называют правилом квантования орбит: в стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные, квантованные значения момента импульса:

L = m_evr = ,

Где n =1,2,3,… - номер орбиты; h – постоянная Планка; m – масса электрона; v – скорость электрона; r – радиус орбиты.

Третий постулат Бора, или правило частот: при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии.

17