Интерференция световых волн Строение ядра. Радиоактивность

Линии напряженности всегда нормальны к эквипотенциальным поверхностям. Действительно, все точки эквипотенциальной поверхности имеют одинаковый потенциал, поэтому работа по перемещению заряда вдоль этой поверхности равна нулю, т. е. электростатические силы, действующие на заряд, всегда направлены по нормалям к эквипотенциальным поверхностям. Следовательно, вектор Е всегда нормален к эквипотенциальным поверхностям, а поэтому линии вектора Е ортогональны этим поверхностям.

Законы постоянного тока

Отношение работы, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного заряда по всей замкнутой цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой источника (сокращенно ЭДС):

Законы Постоянного Тока

Законы Постоянного Тока

Участок электрической цепи, не содержащей источников ЭДС, называется однородным. Участок электрической цепи, который содержит источники ЭДС, называется неоднородным.

В однородном участке цепи движение электрических зарядов обусловлено действием на них электрической силы. Электрическое поле, обусловливающее движение электрических зарядов в цепи, называется стационарным. Стационарное электрическое поле создается во внешней цепи зарядами полюсов источника тока и обусловливает движение зарядов в электрической цепи. Отличается от электростатического поля неподвижных зарядов тем, что оно существует внутри проводников. Три отрицательных точечных заряда по 2,7789 10-7 Кл каждый расположены в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника. Определите напряженность поля в точке посередине гипотенузы длиной 10 см. Принять 1/4pe0 = 9×109 Н×м2/Кл2. Ответ представьте в мегавольтах на метр и округлите до целого числа.

Примером неоднородного участка цепи является схема зарядки аккумулятора, представленная на рис. 47.

В этой цепи "+" и "-" - полюса источника тока, реостат, регулирующий ток и аккумулятор (be). Участок цепи abc - неоднородный, так как содержит источник сторонних сил - аккумулятор. Уточним понятие "напряжение".

За напряжение принимается физическая величина, равная отношению работы всех сил, действующих на данном участке, к значению переносимого заряда:

Законы Постоянного Тока

Законы Постоянного Тока

где А - работа всех сил, действующих на данном участке цепи (электростатических и сторонних).

Законы Постоянного Тока

Если на участке действуют только электростатические силы, то е = 0, при этом понятие напряжения и разность потенциалов совпадают.

Закон Ома (3.11) можно для неоднородного участка цепи записать в виде:

Законы Постоянного Тока

Составим электрическую цепь по схеме (рис. 48). Для внешней части цепи АВ:

Законы Постоянного Тока

Внутренний участок цепи ВСА является неоднородным, следовательно, согласно (3.12):

Законы Постоянного Тока

Законы Постоянного Тока

где r - внутреннее сопротивление источника тока. Сложив оба равенства (3.13) и (3.14), получим

Законы Постоянного Тока

Формула (3.15) выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

Из формулы (3.15) следует, что если R = 0, то напряжение между полюсами уменьшается до нуля, а сила тока достигает максимального значения (короткое замыкание).

Если R ~ r, то измеряя напряжение на полюсах источника, получим приближенное значение ЭДС источника.

При последовательном соединении проводников общее сопротивление равно сумме сопротивлений всех отдельных проводников: R = R1 + R2 + R3 (рис. 49).

Законы Постоянного Тока

При параллельном соединении проводников величина, обратная сопротивлению всего разветвленного участка цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлению каждого из параллельно соединенных проводников (рис. 50):

Законы Постоянного Тока

Законы Постоянного Тока

Измерение силы тока производится амперметрами. Для расширения пределов измерения силы тока параллельно амперметру присоединяют шунт. Если амперметр рассчитан на измерения тока I0, а необходимо измерить ток, равный пI0, то параллельно амперметру присоединяют сопротивление в (п - 1) меньше сопротивления амперметра:

Законы Постоянного Тока

Для увеличения пределов измерения напряжения вольтметром последовательно с вольтметром включают дополнительное сопротивление. Если вольтметр рассчитан для измерения напряжения U0, а необходимо измерить nU0, то дополнительное сопротивление в (п - 1) больше сопротивления вольтметра:

Законы Постоянного Тока

Для расчета электрических величин (I, U, R, r) в разветвленных электрических цепях, содержащих источники ЭДС, справедливы правила Кирхгофа.

Первое правило Кирхгофа относится к узлам: алгебраическая сумма всех токов, приходящих в точку разветвления (узел) и выходящих их нее, равна нулю.

Законы Постоянного Тока

Принято считать токи, подходящие к узлу, положительными, выходящие - отрицательными. I1 и I2 - величины положительные, I3 и I4 - величины отрицательные (рис. 51).

Второе правило относится к отдельным замкнутым контурам цепи: при обходе любого замкнутого контура в сложной электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжения на элементах цепи (включая и внутреннее сопротивление источника тока) равна алгебраической сумме ЭДС источников тока, имеющихся в этом контуре.

Направление обхода каждого контура (по часовой стрелке или против нее) произвольное. Падение напряжения считается положительным, если выбранное заранее направление тока на этом участке между двумя узлами совпадает с направлением обхода контура, и отрицательным, если направление тока противоположно направлению обхода.

ЭДС считается положительной, если при обходе по контуру источник тока проходится от отрицательного полюса к положительному, и отрицательной - в противоположном направлении.

Законы Постоянного Тока

Законы Постоянного Тока

Если в результате решения задачи получают отрицательное значение для силы тока на каком-то участке, то это означает, что ток на этом участке идет в направлении, противоположном выбранному обходу контура.

Мостик Уитстона - одна из распространенных схем, предназначенная для точного измерения сопротивлений. Электрическая схема представлена на рис. 52.

Законы Постоянного Тока

Четыре резистора с сопротивлениями R1, R2, R3, R4 составляют "плечи" схемы. Участок цепи, содержащий гальванометр, сопротивление которого rг, представляет собой некий мостик, соединяющий точки D и С цепи.

Из первого закона Кирхгофа для узлов A, D, С следует:

Законы Постоянного Тока

Уравнение для узла В не даст ничего нового; в него войдут те же величины.

Из второго правила для контуров ADBMNA, ADCA, DBCD, приняв направление их обхода по часовой стрелке за положительное, получим

Законы Постоянного Тока

Правые части двух последних уравнений равны нулю, так как последние два контура не содержат источников тока. Если известны ЭДС источника и все шесть сопротивлений участков цепи, то составленная система из шести уравнений позволяет вычислить все шесть значений сил токов в цепи.

Система этих уравнений существенно упростится, если, изменяя сопротивление резисторов, добиться, чтобы ток в мостике отсутствовал (IГ = 0). Это можно сделать, изменяя, например, сопротивление R3 так, чтобы разность потенциалов на участках цепи BD и ВС была одинаковой. Тогда разность потенциалов между точками D и С будет равна нулю, а значит, будет равна нулю сила тока в мостике IГ. а В этом случае

Законы Постоянного Тока

Разделив последние два уравнения друг на друга и учитывая написанные выше равенства для сил токов, получим

Законы Постоянного Тока

Такую мостиковую схему применяют для измерения одного из неизвестных сопротивлений, входящих в "плечи" мостика, например R4. Тогда

Законы Постоянного Тока

Видим, что для измерения неизвестного сопротивления R4 достаточно знать лишь сопротивление R3 и отношение R1/R2.

Обычно отношение R1/R2 остается постоянным, а изменяем эталонное сопротивление R3. Точность измерения неизвестного сопротивления с помощью мостика определяется точностью эталонного сопротивления R3 и точностью отношения R1/R2 . Этот способ определения сопротивления дает меньшую погрешность, чем определение сопротивления резистора путем измерения силы тока и напряжения.

Работа сил электрического поля (или работа электрического тока) при протекании через проводник с электрическим сопротивлением R в течение времени t постоянного электрического тока I будет равна:

Законы Постоянного Тока

Мощность Р электрического тока равна:

Законы Постоянного Тока

Единицей работы электрического тока в СИ является джоуль (1 Дж), единицей мощности - ватт (Вт):

Законы Постоянного Тока

Для расчета работы и мощности тока пригодны любые выражения из соотношений (3.16) и (3.17).

Если электрический ток протекает в цепи, где энергия электрического поля превращается только во внутреннюю энергию проводника (и его температура возрастает), то на основании закона сохранения энергии:

Законы Постоянного Тока

Этот закон независимо друг от друга установили опытным путем Дж. Джоуль и X. X. Ленц. Он называется законом Джоуля-Ленца.

Свойство зарядов располагаться на внешней поверхности проводника используется для устройства электростатических генераторов, предназначенных для накопления больших зарядов и достижения разности потенциалов в несколько миллионов вольт. Электростатический генератор, изобретенный американским физиком Р. Ван-де-Граафом (1901—1967), состоит из шарообразного полого проводника 1 (рис. 143), укрепленного на изоляторах 2.
Основы электронной теории магнетизма