Раздел 2 Электрическое и магнитное поля

Студент должен:

иметь представление: об электрических и магнитных полях; о принципах действия электроустановок и аппаратов (трансформатора, генератора, двигателя);

знать: основные характеристики электрических и магнитных полей; основные законы (Кулона, Ампера, Фарадея, Ленца, Ома, Кирхгофа) и их практическое применение;

уметь: выполнять расчеты электростатических и магнитных цепей; производить обработку экспериментальных данных, выполнять построение графических зависимостей.

Тема 2.1 Электрическое поле

Электрическое поле и его характеристики. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Закон Кулона и его применение для расчета электрических полей.

Электрическое поле в однородном диэлектрике, поляризация диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость. Электрический пробой и электрическая прочность диэлектрика. Потери энергии в диэлектриках. Применение многослойной изоляции.

Электрическая емкость. Конденсатор, его заряд, электрическая емкость. Промышленные конденсаторы и их технические характеристики. Способы соединения конденсаторов. Электростатические цепи и их расчет. Энергия заряженного конденсатора. Механические силы в электрическом поле.

Лабораторно-практическое занятие № 4

Вопросы и задачи для самопроверки:

1. Запишите формулы:

• закон Кулона;

• абсолютная диэлектрическая проницаемость;

• напряженность электрического поля;

• напряженность поля точечного заряда;

• работа по перемещению заряда в равномерном поле

• электрический потенциал;

• потенциал в любой точке поля;

• электрическое напряжение;

• электрическая прочность диэлектрика;

• емкость конденсатора;

• емкость плоского конденсатора;

• напряженность поля плоского конденсатора;

• энергия электрического поля заряженного конденсатора;

• законы последовательного соединения конденсаторов;

• законы параллельного соединения конденсаторов.

2. Изобразите картину электрического поля положительного точечного заряда. В каком направлении станет перемещаться пробный заряд, помещенный в такое поле?

3. Какое поле называют электростатическим?

4. Определить силу взаимодействия двух зарядов q₁ = 3.5*10^-7Кл и q₂ = 6*10^-7Кл, находящихся на расстоянии 5см друг от друга и помещенных в воду. Как изменится сила взаимодействия между ними, если воду вылить? (9,3*10^-3 Н)

5. Как определить направление вектора напряженности электрического поля?

6. Два положительных заряда q₁ и q₂=4q₁ находятся на расстоянии 12 см. Определите, на каком расстоянии от q₂ находится точка, где напряженность поля отсутствует.

7. Приведите связь между напряженностью и напряжением между двумя точками поля.

8. Напряженность электрического поля у поверхности Земли Е = 130 В/м. Чему равно напряжение между головой человека, имеющего рост 1,7 м, и его ногами? (221 В)

9. Вычислите потенциалы анод и сетки электронной лампы относительно катода. Известно, что для переноса электрона с зарядом (-1,6*10 ^-19) Кл с катода на анод требуется совершить работу 4*10^-17 Дж, а с катода на сетку 1,6*10^-18 Дж. (250 В; 10 В)

10. Изобразите эквипотенциальные поверхности: точечного заряда, двух параллельных пластин.

11. Поясните явление поляризации диэлектрика. Почему поляризованные атомы ослабляют внешнее поле?

12. Перечислите основные виды диэлектриков: газообразных, жидких и твердых. Какие из них используются в электрических аппаратах и машинах?

13. Расстояние между пластинами воздушного конденсатора 3мм. Определите напряжение, при котором может быть пробит этот воздушный промежуток. (9 кВ)

14. Образец резины толщиной 5 мм пробивается при напряжении 8,5 кВ. Определите электрическую прочность этого материала. (1700 кВ/м)

15. Определите емкость плоского воздушного конденсатора, имеющего обкладки площадью 20 см² каждая, расстояние между которыми 0,8 см. (2,2 пФ)

16. Плоский воздушный конденсатор емкостью 1мкФ заряжен от источника постоянного тока напряжением 27 В. Определите заряд, напряженность и энергию электрического поля заряженного конденсатора, если расстояние между его пластинами 1,5 мм. (27*10^-6 Кл; 18 кВ/м; 3,65*10^-4 Дж)

17. Как изменится емкость и заряд на пластинах конденсатора, если напряжение на его пластинах увеличится?

18. Сколько пластин площадью 0,01 м² надо собрать, чтобы получить конденсатор емкостью 1 мкФ, если в качестве диэлектрика использовать лакоткань толщиной 0,05 мм с относительной диэлектрической проницаемостью  = 50? (11)

19. Два конденсатора ёмкостями С₁ = 3 мкФ и С₂ = 2 мкФ зарядили до напряжений U₁ = 100 В, U₂ = 40 B, а затем их соединили параллельно одноименными полюсами. Определите напряжение на зажимах конденсаторов для такого соединения. Чему равно это напряжение, если конденсаторы соединить параллельно, но разноименными полюсами? (76 В, 45 В)

20. К цепи (см. рисунок) приложено напряжение U = 100 В. Параметры конденсаторов: C₁ = 10⁴ пФ, С₂ = 10⁴ пФ, С₃ = 2*10⁴ пФ, С₄ = 5*10⁴ пФ. Определите эквивалентную емкость всей цепи, энергию электрического поля каждого конденсатора и всего соединения. (6*10⁴ пФ, 3*10^-4 Дж)