- •Тема 1. Електричне поле 7
- •1.1. Фізика і її зв’язок з іншими науками і технікою.
- •Тема 2. Постійний струм 27
- •Тема 3. Магнітне поле. Електромагнітна індукція 53
- •3.4. Електромагнітна індукція. Закон електромагнітної
- •Тема 4. Електромагнітні коливання і хвилі 72
- •4.4. Коло змінного струму з опором, індуктивністю і
- •4.5. Передача і перетворенняя змінного струму.
- •1.1. Фізика і її зв’язок з іншими
- •Основні поняття теорії фізики
- •1.1.3. Фізичні величини та їх вимірювання
- •1.1.4. Фізичні поняття, закони і теорії
- •1.1.5. Зв'язок фізики з іншими науками і технікою
- •1.2.2. Заряд і поле. Поле як вид матерії
- •1.2.3. Взаємодія заряджених тіл. Закон кулона
- •1.2.4. Напруженість електричного поля
- •1.2.5. Графічне відображення електричного поля
- •1.3.2. Теорема остроградського - гаусса
- •1.3.3. Застосування теореми остроградського - гаусса
- •2. Напруженість електричного поля рівномірно зарядженої сферичної поверхні.
- •1.4.2. Потенціал електричного поля. Різниця потенціалів (напруга). Еквіпотенціальні поверхні
- •1.4.3. Різниця потенціалів (напруга). Еквіпотенціальні поверхні
- •1.5.2. Діелектрики в електричному полі. Поляризація діелектриків
- •1.5.3. Особливості деяких діелектриків
- •1.6. Електроємнсь. Конденсатори. З'єднання конденсаторів
- •1.6.1. Електроємність провідника
- •1.6.2. Конденсатори та їх застосування
- •1.6.3. З’єднання конденсаторів
- •Тема 2. Постійний струм
- •2.1. Постійний струм. Опір. Закон ома
- •2.1.1. Електричний струм. Основні характеристики електричного струму
- •2.1.2. Закон ома для ділянки кола. Опір
- •2.1.3. Сторонні сили. Джерело електричного струму
- •2.1.4. Закон ом а для будь-якої ділянки і для повного кола
- •2.2. Правила кірхгофа
- •2.2.1. Розгалуження струму. Правила кірхгофа
- •2.2.2. Вимірювання сили струму. Розширення меж вимірювання амперметра.
- •2.2.3. Вимірювання напруги. Розширення меж вимірювання вольтметра.
- •2.3. Робота і потужність струму. Закон джоуля-ленца
- •2.3.1. Робота постійного електричного струму
- •2.3.2. Потужність постійного електричного струму
- •2.3.3. Теплова дія електричного струму. Закон джоуля - ленца
- •2.4. Електропровідність твердих тіл
- •2.4.1. Електричний струм в металах
- •2.4.2. Залежність опору металів від температури. Надпровдність
- •2.4.3. Поняття про квантову теорію провідності твердих тіл
- •2.5. Електричний струм в напівпровідниках
- •2.5.1. Будова й електричні властивості напівпровідників
- •2.5.2. Власна й домішкова провідність напівпровідників
- •2.5.3. Електронно-дірковий перехід
- •2.6. Термоелектричні і контактні явища
- •2.6.1. Робота виходу
- •2.6.2. Контактна різниця потенціалів. Закони вольта
- •2.6.3. Термоелектричні явища
- •2.7. Електричний струм в рідинах і газах
- •2.7.1. Електричний струм в рідинах
- •2.7.2. Електричний струм в газах
- •2.7.3. Поняття про плазму
- •2.7.4. Термоелектронна емісія
- •Тема 3. Магнітне поле. Електромагнітна індукція
- •3.1. Магнітне поле і його характеристики. Закон ампера
- •3.1.1. Магнітне поле і його характеристики
- •3.1.2. Дія магнітного поля на електричний струм. Сила ампера
- •3.1.3. Магнітне поле постійного електричного струму. Закон біо - савара - лапласа
- •3.1.4. Взаємодія двох прямих струмів
- •3.2. Дія електричного і магнітного полів на рухомий заряд
- •3.2.1. Дія магнітного поля на рухому заряджену частинку. Сила лоренца
- •3.2.2. Рух електрона в однорідному магнітному полі
- •3.2.3. Еффект холла
- •4.3. Магнітні властивості речовин
- •3.3.1. Магнетики 1 їх намагнічування
- •3.3.2. Магнітне поле в магнетиках. Діамагнетики і парамагнетики
- •3.3.3. Феромагнетики та їх властивості
- •3.3.4. Магнітні матеріали I їх застосування
- •3.4. Електромагнітна індукція. Закон електромагнітної індукції
- •3.4.1. Потік магнітної індукції (магнітний потік)
- •3.4.2. Електромагнітна індукція. Досліди фарадея
- •3.4.3. Закон ленца
- •3.4.4. Основний закон електромагнітної індукції
- •3.5. Самоіндукція. Взаємна індукція. Енергія магнітного поля струму
- •3.5.1. Явище самоіндукції. Індуктивність контуру
- •3.5.2. Явище взаємної індукції
- •3.5.3. Енергія магнітного поля струму.
- •Тема 4. Електромагнітні коливання і хвилі
- •4.1. Вільні електромагнітні коливання
- •4.1.1. Коливальний контур. Власні електричні коливання
- •4.1.2. Затухаючі електричні коливання
- •4.2. Вимушені електромагніні коливання.
- •4.2.1. Вимушені електромагніні коливання
- •4.2.2. Автоколивання
- •4.2.3. Енератор незатухаючих коливань
- •4.3. Змінний струм, його характеристики і добування
- •4.3.1. Змінний електричний струм. Добування змінного струму
- •4.3.2. Діючі значення сили змінного струму і напруги
- •4.3.3. Зсув фаз між струмом 1 напругою
- •4.4. Коло змінного струму з опором, індуктивністю і ємністю. Резонанс
- •4.4.1. Коло змінного струму з опором, індуктивністю і ємністю. Резонанс
- •4.4.2. Електричний резонанс
- •4.4.3. Робота і потужність змінного струму
- •4.5. Передача і перетворенняя змінного струму. Трансформатор. Електричні станції
- •4.5.1. Передача змінного струму
- •4.5.2. Перетворення змінного струму. Трансформатор
- •4.5.3. Електричні станції
- •4.6. Електромагнітні хвилі (частина 1)
- •4.6.1. Досліди г. Герца
- •4.6.2. Винайдення радіо
- •4.6.3. Принципи радіозвязку
- •4.7. Електромагнітні хвилі (частина 2)
- •4.7.1. Інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання
- •4.7.2. Рентгенівське випромінювання
- •4.7.3. Шкала електромагнітних хвиль
- •Про автора
- •18000, М. Черкаси, вул. Смілянська, 2
4.3.2. Діючі значення сили змінного струму і напруги
Зануримо в калориметр з водою спіраль і деякий час пропускатимемо по ній змінний струм. Повторимо цей дослід з постійним струмом, причому підберемо його так, щоб у калориметрі за той самий час виділилась така сама кількість теплоти. Ми звели дію змінного струму за енергетичним ефектом до дії постійного струму.
Діюче, або ефективне, значення сили змінного струму Іеф дорівнює силі такого постійного струму, який за той самий проміжок часу виділяє в деякому опорі таку саму кількість тепла, як і даний змінний струм.
Співвідношення між ефективними і амплітудними значеннями сили і напруги змінного струму:
, . (4.17)
Амперметр і вольтметр у колі змінного струму показують не миттєві й не максимальні значення струму і напруги, а ефективні. Якщо вольтметр у колі змінного струму показує 220 В ( = 220 В), то . Отже, напруга змінного струму набуває значень у межах від +311 В до 0 і від 0 до -311 В.
4.3.3. Зсув фаз між струмом 1 напругою
У колі змінного струму внаслідок дії ємності й індуктивності може виникнути різниця фаз (зсув фаз) між напругою і струмом - напруга і сила струму неодночасно досягають нульових та амплітудних значень. Напруга може випереджати струм і навпаки. Нехай, наприклад, напруга випереджає струм за фазою на = 45° .
, (4.18)
Рис. 4.7. Зсув фаз між силою струму і напругою
Графіки цих рівнянь зображено на рис. 4.7 (по осі абсцис відкладено час t або відповідну фазу . Синусоїди u та і зміщені між собою на 45°.
4.4. Коло змінного струму з опором, індуктивністю і ємністю. Резонанс
План лекції
4.4.1. Коло змінного струму з опором, індуктивністю і ємністю
4.4.2. Електричний резонанс
4.4.3. Робота і потужність змінного струму
4.4.1. Коло змінного струму з опором, індуктивністю і ємністю. Резонанс
Розглянемо загальний випадок кола змінного струму з послідовно увімкненими резистором, котушкою індуктивності і конденсатором (рис. 4.8). Вважатимемо, що на цих складових кола зосереджені відповідно весь активний опір R, вся індуктивність L, і ємність С.
Рис. 4.8. Коло змінного струму з послідовно увімкненими резистором, котушкою індуктивності і конденсатором
Закон Ома для кола змінного струму виглядає так:
. (4.19)
Величина в знаменнику:
, (4.20)
відповідно до закону Ома для повного кола визначає повний опір кола.
Величини:
та (4.21)
відповідно називають індуктивним та ємнісними опорами.
Зсув фаз між силою струму і напругою визначають із формули:
. (4.22)
Розглянемо окремі випадки.
1. На ділянці, яка має тільки резистор,
,
сила струму за фазою збігається з напругою.
2. На ділянці, яка має лише індуктивність,
,
сила струму за фазою відстає на від напруги.
На ділянці, яка має лише ємність,
,
сила струму за фазою випереджає на напругу.
4.4.2. Електричний резонанс
Вивчимо залежність вимушених електричних коливань (змінного електричного струму в колі) від частоти зміни ЕРС генератора. Складемо електричне коло з послідовно увімкнутих активного опору R, котушки індуктивності L, конденсатора С і амперметра змінного струму А. Приєднаємо це коло до звукового генератора ЗГ (рис. 4.9).
Рис. 4.9. Електричне коло для спостереження резонансу
З'ясуємо, як залежить сила струму в колі від зміни його частоти. Замкнемо вимикач К і, підтримуючи постійною напругу, яку виробляє генератор, простежимо за силою струму в колі під час зміни частоти коливань у широких межах. За найнижчої частоти, яку виробляє ЗГ (близько 20 Гц), сила струму в колі незначна. 3 підвищенням частоти вона спочатку дуже повільно, потім швидше зростає. За певної частоти сила струму досягає максимуму. Позначимо цю частоту . Далі сила струму починає спочатку швидко, а потім повільніше зменшуватися і за досить великої частоти майже дорівнює нулю. Якщо цю залежність зобразити графічно, відкладаючи вздовж осі ординат силу струму І, а вздовж осі абсцис - частоту , то дістанемо криву (рис. 4.10). Як і для механічних вимушених коливань у даному випадку за деякої частоти ЕРС сила струму в колі має найбільше значення. Явище різкого зростання сили струму за певної частоти називається електричним резонансом. Частота називається резонансною частотою.
З'ясуємо, як впливають на електричний резонанс активний опір R, індуктивність L і ємність С. Збільшимо опір R, залишаючи незмінними L і С. Змінюючи частоту, спостерігатимемо за силою струму. Виявимо, що і в цьому випадку має місце резонанс за тієї самої частоти , але виражений він менш чітко, ніж у попередньому випадку, і максимальна сила струму менша. Графічно залежність сили струму від циклічної частоти у цьому випадку зображена кривою б (рис. 4.10).
Цей дослід переконує у тому, що резонансні явища в електричних колах виражені тим чіткіше і сильніше, чим менший активний опір кола.
Рис. 4.10. Залежність сили струму від циклічної частоти
Замінимо котушку індуктивності, залишаючи незмінними R і С. Візьмемо, наприклад, котушку більшої індуктивності L. Резонансна частота в цьому випадку стане меншою. Так само можна показати, що і ємність конденсатора впливає на резонансну частоту: Із збільшенням ємності в колі резонансна частота зменшується. Отже, резонансна частота електричного кола залежить від індуктивності котушки L, ємності конденсатора С і не залежить від значення активного опору R.
Електричний резонанс виникає, коли індуктивний опір кола дорівнює ємнісному опору:
. (4.23)
Тоді спад напруги на кінцях котушок індуктивності дорівнює спаду напруги на обкладках конденсатора. Ці напруги перебувають у протифазах і взаємно зрівноважуються.
З формули (4.23) видно, що резонанс напруг можна здійснювати, змінюючи L або С при або змінюючи , якщо L і С сталі. Циклічна частота, при якій настає резонанс, називається резонансною.
З формули (4.23):
. (4.24)
Це формула Томсона, її широко використовують у радіотехніці. Характерні особливості резонансу такі:
а) повний опір кола мінімальний і дорівнює активному опору;
б) амплітуда струму має найбільше значення;
в) амплітуда напруги на активному опорі дорівнює амплітуді прикладеної напруги;
г) напруга і струм перебувають в однакових фазах;
д) потужність джерела струму передається тільки активному опору, корисна потужність змінного струму максимальна.