Электричество и магнетизм

 В проводниках часть валентных электронов  не связана с определенными атомами и может свободно перемещаться по всему его объему. В отсутствие приложенного к проводнику электрического поля такие свободные электроны — электроны проводимости — движутся хаотично, часто сталкиваясь с ионами и атомами, и изменяя при этом энергию и направление своего движения. Через любое сечение проводника в одну сторону проходит столько же электронов, сколько и в противоположную. Поэтому результирующего переноса электронов через такое сечение нет, и электрический ток равен нулю. Если же к концам проводника приложить разность потенциалов, то под действием сил электрического поля свободные заряды в проводнике начнут двигаться из области большего потенциала в область меньшего — возникнет электрический ток. Исторически сложилось так, что за направление тока принимают направление движение положительных зарядов, которое соответствует их переходу от большего потенциала к меньшему.  

Электрический ток характеризуется силой тока I  (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Сила тока в проводнике 

Согласно (4.1), сила тока в проводнике равна отношению заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время  к этому времени.

Замечание: В общем случае сила тока через некоторую поверхность равна потоку заряда через эту поверхность.

Если сила тока с течением времени не изменяется, то есть за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходят одинаковые заряды, то такой ток называется постоянным, и тогда заряд, протекший за время t, может быть найден как (рис. 4.2)

Рис. 4.2. Постоянный ток, протекающий через разные сечения проводника 

 С учетом определения силы тока плотность тока через данное сечение может быть выражена через силу тока , протекающего через это сечение

При равномерном распределении потока зарядов по всей площади сечения проводника плотность тока равна

Уравнение (4.1) связывает единицы измерения силы тока и заряда

Это очень малая величина, поэтому на практике обычно имеют дело с более крупными единицами, например

Плотность тока можно выразить через объемную плотность зарядов  и скорость их движения v (рис. 4.3).

Рис. 4.3. К связи плотности тока j  с объемной плотностью зарядов    и дрейфовой скоростью v носителей заряда. За время dt  через площадку S  пройдут все заряды из объема dV = vdt S  

Полный заряд, проходящий за время dt через некоторую поверхность S, перпендикулярную вектору скорости v, равен

Так как dq/(Sdt) есть модуль плотности тока j, можно записать

Поскольку скорость v есть векторная величина, то и плотность тока также удобно считать векторной величиной, следовательно

Здесь  плотность заряда, скорость направленного движения носителей заряда.

Замечание: Для общности использован индекс , так как носителями заряда, способными участвовать в создании тока проводимости, могут быть не только электроны, но, например, протоны в пучке, полученном из ускорителя или многозарядные ионы в плазме, или так называемые «дырки» в полупроводниках «р» типа, короче, любые заряженные частицы, способные перемещаться под воздействием внешних силовых полей. 

Кроме того, удобно выразить плотность заряда  через число  носителей заряда в единице объема — (концентрацию носителей заряда) . В итоге получаем:

Следует подчеркнуть, что плотность тока, в отличие от силы тока — дифференциальная векторная величина. Зная плотность тока, мы знаем распределение течения заряда по проводнику. Силу тока всегда можно вычислить по его плотности. Соотношение (4.4) может быть «обращено»: если взять бесконечно малый элемент площади , то сила тока через него определится как . Соответственно, силу тока через любую поверхность S можно найти интегрированием

Что же понимать под скоростью заряда v, если таких зарядов — множество, и они заведомо не движутся все одинаково? В отсутствие внешнего электрического поля, скорости теплового движения носителей тока  распределены хаотично, подчиняясь общим закономерностям статистической физики. Среднее статистическое значение  ввиду изотропии распределения по направлениям теплового движения. При наложении поля возникает некоторая дрейфовая скорость — средняя скорость направленного движения носителей заряда:

которая будет отлична от нуля. Проведем аналогию. Когда вода вырывается из шланга, и мы интересуемся, какое ее количество поступает в единицу времени на клумбу, нам надо знать скорость струи и поперечное сечение шланга. И нас совершенно не волнуют скорости отдельных молекул, хотя они и очень велики, намного больше скорости струи воды, как мы убедились в предыдущей части курса.

Таким образом, скорость  в выражении (4.7) — это дрейфовая скорость носителей тока в присутствии внешнего электрического поля или любого другого силового поля, обуславливающего направленное (упорядоченное) движение носители заряда. Если в веществе возможно движение зарядов разного знака, то полная плотность тока определяется векторной суммой плотностей потоков заряда каждого знака.

Как уже указывалось, в отсутствие электрического поля движение носителей заряда хаотично и не создает результирующего тока. Если, приложив электрическое поле, сообщить носителям заряда даже малую (по сравнению с их тепловой скоростью) скорость дрейфа, то, из-за наличия в проводниках огромного количества свободных электронов, возникнет значительный ток.

Поскольку дрейфовая скорость носителей тока создается электрическим полем, логично предположить пропорциональность

так что и плотность тока будет пропорциональна вектору напряженности (рис. 4.4)

Более подробно этот вопрос обсуждается в Дополнении

Входящий в соотношение (4.9) 

Проводимость связывает напряженность поля в данной точке с установившейся скоростью «течения» носителей заряда. Поэтому она может зависеть от локальных свойств проводника вблизи этой точки (то есть от строения вещества), но не зависит от формы и размеров проводника в целом. Соотношение (4.9) носит название закона Ома для плотности тока в проводнике (его называют также законом Ома в дифференциальной форме).

Рис. 4.4. Силовые линии электрического поля совпадают с линиями тока 

Чтобы понять порядки величин, оценим дрейфовую скорость носителей заряда в одном из наиболее распространенных материалов — меди. Возьмем для примера силу тока I = 1 А, и пусть площадь поперечного сечения провода составляет

1 мм² = 10^–6 м². Тогда плотность тока равна j = 10⁶ А/м². Теперь воспользуемся соотношением (4.7)

Носителями зарядов в меди являются электроны (е = 1.6·10^-19 Кл), и нам осталось оценить их концентрацию . В таблице Менделеева медь помещается в первой группе элементов, у нее один валентный электрон, который может быть отдан в зону проводимости. Поэтому число свободных электронов примерно совпадает с числом атомов. Берем из справочника плотность меди — r _Cu=8,9·10³ кг/м3. Молярная масса меди указана в таблице Менделеева — M_Cu = 63,5·10^–3 кг/моль. Отношение 

— это число молей в 1 м³. Умножая на число Авогадро Na = 6,02·10²³ моль^–1, получаем число атомов в единице объема, то есть концентрацию электронов

Теперь получаем искомую оценку дрейфовой скорости электронов

Для сравнения: скорости хаотического теплового движения электронов при 20°С в меди по порядку величины составляют 10⁶ м/с, то есть на одиннадцать порядков величины больше. 

Возьмем произвольную воображаемую замкнутую поверхность S, которую в разных направлениях пересекают движущиеся заряды. Мы видели, что полный ток через поверхность равен

где dq — заряд, пересекающий поверхность за время dt. Обозначим через q ‘ заряд, находящийся внутри поверхности. Его можно выразить через плотность заряда , проинтегрированную по всему объему, ограниченному поверхностью

Из фундаментального закона природы — закона сохранения заряда — следует, что заряд dq, вышедший через поверхность за время dt, уменьшит заряд q ‘ внутри поверхности точно на эту же величину, то есть dq ‘ = –dq  или

Подставляя сюда написанные выше выражения для скоростей изменения заряда внутри поверхности , получаем математическое соотношение, выражающее закон сохранения заряда в интегральной форме

Напомним, что интегрирования ведутся по произвольной поверхности S и ограниченному ею объему V.

Сила тока. Единицы силы тока 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Тема 12: Электромагнитные явления. Повторение

• Видео
• Тренажер
• Теория

Заметили ошибку?

Действия электрического тока

Вспомним основные понятия, связанные с электрическим током.

Определение. Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.

За направление тока принято считать направление движения положительно заряженных частиц, т. е. ток течет от положительного полюса источника тока (плюс) к отрицательному (минус).

Действия электрического тока: тепловое, магнитное, химическое. Для характеристики действий электрического тока необходима величина, которая бы их описывала. На сегодняшнем занятии мы ее введем.

Понятие силы тока

Для улучшения понимания процессов протекания электрического тока часто говорят о том, что это напоминает течение воды в трубе. При этом в роли зарядов выступает вода, а в роли проводника – труба. Для описания движения воды в таком случае используется величина, указывающая количество воды, протекающей через сечение трубы в единицу времени. Аналогичную величину используют и для описания протекания электрического тока, а именно величину, характеризующую протекание заряда в проводнике. Такую величину называют силой тока.

Определение. Сила тока – величина, показывающая электрический заряд, протекающий через поперечное сечение проводника, за единицу времени.

Обозначение силы тока: .

Единица измерения силы тока: А (ампер).

Обозначения:

 заряд, Кл;

 время, с.

Сила тока определяет действие электрического тока, и можно говорить, что чем значение силы тока больше, тем действие электрического тока более существенно. Простейшим примером такой зависимости действия электрического тока от величины силы тока может быть накал электрической лампочки. Если сила тока велика, то лампочка светит ярко, если невелика, то более тускло.

Формула для вычисления силы тока удобна тем, что позволяет выражать и вычислять количество заряда, который протекает за определенное время через сечение проводника при заданной силе тока.

Единица измерения силы тока

Для введения единицы измерения величины силы тока используют магнитное взаимодействие, которое возникает между параллельными проводниками, по которым течет ток. Такой опыт впервые был проведен французским физиком Ампером (рис. 1), который получил название «Взаимодействие параллельных токов» (рис. 2). Согласно эксперименту, при протекании тока одинакового значения по двум параллельным проводам в одну сторону наблюдается их притяжение (рис. 2-а), при противоположном протекании наблюдается отталкивание (рис. 2-б), а при отсутствии тока в проводах никакого взаимодействия не наблюдается (рис. 2-в). Сила взаимодействия токов в проводах зависит в таком случае от многих факторов: длины проводов, расстояния между ними, величины тока и от среды, в которой они находятся.

В 1948 году на IX Генеральной конференции по мерам и весам было принято следующее определение одного ампера.

Определение. Ампер – это сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную .

Если говорить об используемых зачастую значениях силы тока в бытовых условиях, то величина в 1 А является достаточно большой и чаше используются ее уменьшенные значения: мА, мкА и т.п.

Следует отдельно отметить, что электрический ток является опасным для человека, и при работе с ним следует прибегать к мерам особой предосторожности (использование резиновых перчаток, сапог и т.  д.) Сила тока величиной в 100 мА уже является крайне опасной для человека.

На следующем уроке мы поговорим о приборе для измерения силы тока в цепи – амперметре.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Академик (Источник)
2. Классная физика (Источник)
3. YouTube (Источник)

 

Домашнее задание

1. Стр. 87: вопросы № 1–6, упражнение № 14. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Вычислите силу тока в проводнике, по которому прошел заряд 24 Кл за 96 с.
3. При протекании электрического тока через водный раствор кислоты выделяется водород. Какой электрический заряд проходит через раствор кислоты, если при силе тока 2 А процесс получения необходимого количества водорода длится 5 часов?
4. Проведите с учителем опыт по взаимодействию параллельных токов. Составьте доклад на тему «Магнитное поле. Действие магнитного поля на проводник с током».

 

Заметили ошибку?

Расскажите нам об ошибке, и мы ее исправим.

Видеоурок по физике (8 класс): «Сила тока. Электрический ток.»

электрический ток

Направленное движение носителей электрического заряда, т. е. электронов, движущихся в определенном направлении, называется электрическим током. Сами по себе электроны представляют собой очень маленькие элементарные частицы, имеющие одинаковый отрицательный заряд.

Электрический ток течет только в замкнутой цепи. Замкнутая цепь состоит как минимум из источника электроэнергии и электрического устройства или компонента, которые соединены электрическими проводниками (например, электрическими проводами). Эти проводники могут быть металлами, а также жидкостями или газами. Примечание: Важно проверить, где может протекать электрический ток! Иногда предмет или тело включаются случайно, если они соприкасаются (соприкасаются) с электрическими проводниками.

Чем выше напряжение на источнике питания, тем больше сила тока (необходимое условие: все компоненты остаются неизменными, а температура остается неизменной). Кроме того: чем выше сопротивление электрического проводника, тем меньше сила тока, если напряжение остается прежним.

Если вы знаете напряжение и электрическое сопротивление электрической цепи, то можете рассчитать силу тока по этой формуле:





Сила тока — это физическая величина, обозначающая количество электронов, которые проходят через определенную площадь поперечного сечения электрического проводника в течение одной секунды. (Вы можете представить это как ворота, которые подсчитывают электроны, проходящие определенное место в проводнике). Сила тока сокращенно обозначается символом формулы I . Символ формулы I происходит от слова интенсивность . Цель состоит в том, чтобы описать, насколько сильным является электрический ток. Интенсивность помогает понять, что сила тока велика, если через площадь поперечного сечения за определенный промежуток времени проходит особенно большое количество электронов.

Сила тока указывается в амперах. Своим названием он обязан французскому физику Андре-Мари Амперу, который жил с 1775 по 1836 год во Франции. Сила тока в один Ампер будет достигнута, если за одну секунду через поперечное сечение проводника пройдет 6,24 квинтиллиона (6 240 000 000 000 000 000) электронов.

Сила электрического тока является мерой количества заряда ( Q ), прошедшего площадь поперечного сечения за определенный период времени ( t ). Он описывается следующей формулой:


(Небольшое напоминание: Q — это символ заряда, а t — символ времени. )

Эти модели проводника помогут вам понять, что означает высокая или низкая сила тока. Чем выше сила тока, тем больше электронов проходит через
дирижер в течение определенного периода времени:



Высокая сила тока; много электронов за период времени:        

Малая сила тока; несколько электронов за период времени:


Примечание. В реальном проводнике электроны движутся не так прямолинейно; они скорее движутся зигзагообразным курсом.

Вот несколько примеров сильных сторон тока из вашей повседневной жизни:

от

от

от

лампочка	о	0,4 Ампера
фонарик	до	0,6 Ампер
тостер	о	5,2 Ампера
печь для выпечки	до	12 ампер
электровоз	примерно	150 ампер
молния	до	1 000 000 ампер

Учебник по физике: электрические поля и проводники

Ранее в уроке 4 мы показали, что любой заряженный объект — положительный или отрицательный, проводник или изолятор — создает электрическое поле, которое пронизывает окружающее его пространство. В случае с проводниками существует множество необычных характеристик, о которых мы могли бы рассказать. Напомним из Урока 1, что проводник — это материал, который позволяет электронам относительно свободно перемещаться от атома к атому. Было подчеркнуто, что когда проводник приобретает избыточный заряд, избыточный заряд перемещается и распределяется по проводнику таким образом, чтобы уменьшить общее количество сил отталкивания внутри проводника. Мы рассмотрим это более подробно в этом разделе урока 4, когда будем вводить идею электростатического равновесия. Электростатическое равновесие – это состояние, устанавливаемое заряженными проводниками, в котором избыточный заряд оптимально дистанцируется, чтобы уменьшить общую величину сил отталкивания. Как только заряженный проводник достигает состояния электростатического равновесия, дальнейшее движение заряда по поверхности прекращается.

 

 

Электрические поля внутри заряженных проводников

Заряженные проводники, достигшие электростатического равновесия, обладают рядом необычных характеристик. Одной из характеристик проводника, находящегося в состоянии электростатического равновесия, является то, что электрическое поле в любом месте под поверхностью заряженного проводника равно нулю. Если бы электрическое поле действительно существовало под поверхностью проводника (и внутри него), то электрическое поле оказывало бы силу на все находящиеся там электроны. Эта результирующая сила начнет ускорять и перемещать эти электроны. Но объекты в электростатическом равновесии не имеют дальнейшего движения заряда по поверхности. Так что, если бы это произошло, то первоначальное утверждение о том, что объект находится в электростатическом равновесии, было бы ложным. Если электроны внутри проводника находятся в состоянии равновесия, то результирующая сила, действующая на эти электроны, равна нулю. Линии электрического поля либо начинаются, либо заканчиваются на заряде, а в случае проводника заряд существует только на его внешней поверхности. Линии проходят от этой поверхности наружу, а не внутрь. Это, конечно, предполагает, что наш проводник не окружает область пространства, где был другой заряд.

Чтобы проиллюстрировать эту характеристику, давайте рассмотрим пространство между и внутри двух концентрических проводящих цилиндров разного радиуса, как показано на диаграмме справа. Внешний цилиндр заряжен положительно. Внутренний цилиндр заряжен отрицательно. Электрическое поле вокруг внутреннего цилиндра направлено к отрицательно заряженному цилиндру. Поскольку этот цилиндр не окружает область пространства, где есть другой заряд, можно сделать вывод, что избыточный заряд находится исключительно на внешней поверхности этого внутреннего цилиндра. Электрическое поле внутри внутреннего цилиндра было бы равно нулю. При рисовании линий электрического поля линии будут проведены от внутренней поверхности внешнего цилиндра к внешней поверхности внутреннего цилиндра. Что касается избыточного заряда на внешнем цилиндре, необходимо учитывать не только силы отталкивания между зарядами на его поверхности. В то время как избыточный заряд на внешнем цилиндре стремится уменьшить силы отталкивания между его избыточным зарядом, он должен уравновесить это с тенденцией притягиваться к отрицательным зарядам на внутреннем цилиндре. Поскольку внешний цилиндр окружает заряженную область, характеристика заряда, находящегося на внешней поверхности проводника, неприменима.

Концепция нулевого электрического поля внутри замкнутой проводящей поверхности была впервые продемонстрирована Майклом Фарадеем, физиком 19-го века, который продвигал полевую теорию электричества. Фарадей построил комнату в комнате, накрыв внутреннюю комнату металлической фольгой. Он сидел во внутренней комнате с электроскопом и заряжал поверхности внешней и внутренней комнаты с помощью электростатического генератора. В то время как искры летели между стенами двух комнат, не было обнаружено электрического поля во внутренней комнате. Избыточный заряд на стенах внутренней комнаты полностью приходился на внешнюю поверхность комнаты. Сегодня эта демонстрация часто повторяется на демонстрациях физики в музеях и университетах.

Внутреннее помещение с проводящим каркасом, защищавшим Фарадея от статического заряда, теперь называется клеткой Фарадея . Клетка служит для защиты всех и каждого, кто находится внутри, от влияния электрических полей. Любая закрытая проводящая поверхность может служить клеткой Фарадея, защищая все, что ее окружает, от потенциально разрушительного воздействия электрических полей. Этот принцип экранирования широко используется сегодня, поскольку мы защищаем хрупкое электрическое оборудование, заключая его в металлические корпуса. Даже хрупкие компьютерные чипы и другие компоненты поставляются в проводящей пластиковой упаковке, которая защищает чипы от потенциально опасного воздействия электрических полей. Это еще один пример «Физики для лучшей жизни».

 

Электрические поля перпендикулярны заряженным поверхностям

Второй характеристикой проводников, находящихся в состоянии электростатического равновесия, является то, что электрическое поле на поверхности проводника направлено полностью перпендикулярно поверхности. Не может быть компонента электрического поля (или электрической силы), параллельной поверхности. Если проводящий объект сферический, то это означает, что перпендикулярные векторы электрического поля совмещены с центром сферы. Если объект имеет неправильную форму, то вектор электрического поля в любом месте перпендикулярен касательной, проведенной к поверхности в этом месте.

Понимание того, почему эта характеристика верна, требует понимания векторов, силы и движения. Движение электронов, как и любого физического объекта, управляется законами Ньютона. Одним из следствий законов Ньютона было то, что неуравновешенные силы заставляют объекты ускоряться в направлении неуравновешенной силы, а баланс сил заставляет объекты оставаться в равновесии. Эта истина обеспечивает основу для обоснования того, почему электрические поля должны быть направлены перпендикулярно поверхности проводящих объектов. Если бы существовала составляющая электрического поля, направленная параллельно поверхности, то избыточный заряд на поверхности приводился бы в ускоренное движение этой составляющей. Если заряд приведен в движение, то объект, на который он направлен, не находится в состоянии электростатического равновесия. Следовательно, электрическое поле должно быть полностью перпендикулярно проводящей поверхности для объектов, находящихся в электростатическом равновесии. Конечно, проводящий объект, который недавно приобрел избыточный заряд, имеет составляющую электрического поля (и электрической силы), параллельную поверхности; именно этот компонент воздействует на вновь приобретенный избыточный заряд, распределяя избыточный заряд по поверхности и устанавливая электростатическое равновесие. Но когда оно достигнуто, больше нет ни параллельной составляющей электрического поля, ни движения избыточного заряда.

 

Электрические поля и кривизна поверхности

Третьей характеристикой проводящих объектов, находящихся в состоянии электростатического равновесия, является то, что электрические поля наиболее сильны в местах на поверхности, где объект наиболее искривлен. Кривизна поверхности может варьироваться от абсолютно плоской на одном полюсе до кривизны тупой точки на другом полюсе.

 

Плоское место не имеет кривизны и характеризуется относительно слабыми электрическими полями. С другой стороны, тупая точка имеет высокую степень кривизны и характеризуется относительно сильными электрическими полями. Сфера имеет однородную форму с одинаковой кривизной в любом месте на ее поверхности. Таким образом, напряженность электрического поля на поверхности сферы везде одинакова.

Чтобы понять причину этой третьей характеристики, мы рассмотрим объект неправильной формы, который заряжен отрицательно. Такой объект имеет избыток электронов. Эти электроны распределялись бы таким образом, чтобы уменьшить действие их сил отталкивания. Поскольку электростатические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния, эти электроны будут иметь тенденцию располагаться таким образом, чтобы увеличивать свое расстояние друг от друга. На сфере правильной формы предельное расстояние между каждым соседним электроном было бы одинаковым. Но на объекте неправильной формы избыточные электроны имеют тенденцию накапливаться с большей плотностью в местах наибольшей кривизны. Рассмотрим схему справа. Электроны А и В расположены вдоль более плоского участка поверхности. Как и все хорошо ведущие себя электроны, они отталкивают друг друга. Силы отталкивания направлены вдоль линии, соединяющей заряд с зарядом, поэтому сила отталкивания в основном параллельна поверхности. С другой стороны, электроны C и D располагаются вдоль участка поверхности с более резкой кривизной. Эти избыточные электроны также отталкиваются друг от друга с силой, направленной вдоль линии, соединяющей заряд с зарядом. Но теперь сила направлена ​​под более острым углом к ​​поверхности. Составляющие этих сил, параллельные поверхности, значительно меньше. Большая часть силы отталкивания между электронами C и D направлена ​​перпендикулярно поверхности.

Параллельные составляющие этих сил отталкивания заставляют избыточные электроны двигаться вдоль поверхности проводника. Электроны будут двигаться и распределяться, пока не будет достигнуто электростатическое равновесие. После достижения равнодействующая всех параллельных компонентов на любом заданном избыточном электроне (и на всех избыточных электронах) будет равна нулю. Все параллельные компоненты силы, действующей на каждый из электронов, должны быть равны нулю, поскольку результирующая сила, параллельная поверхности проводника, всегда равна нулю (вторая характеристика, обсуждавшаяся выше). При одном и том же расстоянии параллельная составляющая силы максимальна в случае электронов A и B. Таким образом, чтобы достичь такого баланса параллельных сил, электроны A и B должны отдаляться друг от друга дальше, чем электроны C и D. Электроны C и D, с другой стороны, могут сгущаться ближе друг к другу в месте их расположения, так как параллельная составляющая сил отталкивания меньше. В конце концов в местах наибольшей кривизны скапливается относительно большое количество заряда. Это большее количество заряда в сочетании с тем фактом, что их силы отталкивания в основном направлены перпендикулярно поверхности, приводит к значительно более сильному электрическому полю в таких местах повышенной кривизны.

 

Тот факт, что поверхности, сильно изогнутые до тупого края, создают сильные электрические поля, является основным принципом использования молниеотводов. В следующем разделе урока 4 мы рассмотрим явление разряда молнии и использование громоотводов для предотвращения ударов молнии.

 

 

Мы хотели бы предложить …

Иногда недостаточно просто прочитать об этом. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения «Поместите заряд в цель» и/или интерактивного интерактивного материала «Электростатические ландшафты». Оба интерактива можно найти в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Оба интерактива обеспечивают привлекательную среду для изучения электрических полей и действий на расстоянии.

Посетите:  Зарядите цель  | Электростатика Пейзажи

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Предположим, что сфера генератора Ван де Граафа собирает заряд. Затем двигатель выключается, и сфере позволяют достичь электростатического равновесия. Заряд ___.

а. находится как на его поверхности, так и во всем его объеме

б. находится в основном внутри сферы и появляется снаружи только при прикосновении

в. находится только на поверхности сферы

 

 

2. Опишите напряженность электрического поля в шести отмеченных местах заряженного объекта неправильной формы справа. Используйте в качестве описания фразы «нулевой», «относительно слабый», «умеренный» и «относительно сильный». 0007

 

 

 

 

3. Схема заряженного проводника неправильной формы показана справа. Четыре точки на поверхности обозначены буквами A, B, C и D. Расположите эти точки в порядке возрастания напряженности их электрического поля, начиная с наименьшего электрического поля.

 

4. Рассмотрите схему кнопки, показанную справа. Предположим, что кнопка становится положительно заряженной. Нарисуйте линии электрического поля, окружающие кнопку.

См. схему линий электрического поля.

 

 

5. Нарисуйте линии электрического поля для следующей конфигурации двух объектов. Поместите стрелки на линии поля.

См. схему линий электрического поля.

 

   

 

6. Любимая физическая демонстрация, используемая с генератором Ван де Граафа, заключается в медленном приближении к куполу с протянутой к устройству скрепкой. Почему демонстратор не становится тостом при приближении к машине с торчащим вперед тупым краем скрепки?

 

 

 

 

7. ПРАВДА или ЛОЖЬ :

Молниеотводы размещаются на домах для защиты от молнии. Они работают, потому что электрическое поле вокруг молниеотводов слабое; таким образом, между молниеотводами/домом и заряженными облаками имеется небольшой поток заряда.

 

 

 

Схема линий электрического поля для вопроса № 4:

Приведенная выше диаграмма не была создана с помощью программного обеспечения для построения полевых графиков; это, безусловно, выглядело бы лучше, если бы это было так. Ваш ответ может выглядеть иначе (особенно при сравнении деталей), но он должен иметь следующие общие характеристики с приведенной здесь диаграммой:

• Линии электрического поля должны быть направлены от положительно заряженной кнопки к краям страницы. Каждая линия поля ДОЛЖНА иметь стрелку, указывающую такое направление.
• Все линии электрического поля должны быть перпендикулярны поверхности кнопки в местах, где линии пересекаются с кнопкой.
• На заостренном конце кнопки и на двух резко изогнутых участках должно быть больше линий, а на более плоских участках кнопки должно быть меньше линий.

 

Вернуться к вопросу № 4

 

 

 

Диаграмма линий электрического поля для вопроса № 5:

Еще раз повторю, что вышеприведенная диаграмма не была создана с помощью программного обеспечения для построения полевых графиков; это, вероятно, выглядело бы лучше, если бы это было так. Ваш ответ может выглядеть иначе (особенно при сравнении деталей), но он должен иметь следующие общие характеристики с приведенной здесь диаграммой:

• Линии поля должны быть направлены от + к — или от края страницы к — или от + до края страницы. Каждая линия поля ДОЛЖНА иметь стрелку, указывающую такое направление.