Энергия взаимодействия системы точечных зарядов. Энергия заряженного проводника.

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 9Следующая ⇒

1) Электростатические силы взаимодействия консервативны, следовательно, система зарядов обладает потенциальной энергией.

Найдем потенциальную энергию системы двух неподвижных точечных зарядов Q₁и Q₂, находящихся на расстоянии r друг от друга. Каждый из этих зарядов в поле другого обладает потенциальной энергией:

(32)

где j₁₂ и j₂₁ — соответственно потенциалы, создаваемые зарядом Q₂ в точке нахождения заряда Q₁ и зарядом Q₁ в точке нахождения заряда Q₂.

(33)

поэтому W₁ = W₂= W и

(34)

Добавляя к системе из двух зарядов последовательно зарядыQ₃, Q₄, ..., можно убедиться в том, что в случае n неподвижных зарядов энергия взаимодействия системы точечных зарядов равна

(35)

где j_i — потенциал, создаваемый в той точке, где находится заряд Q_i, всеми зарядами, кроме i-го.

2) Пусть имеется уединенный проводник, заряд, емкость и потенциал которого соответственно равны: Q, С, j. Увеличим заряд этого проводника на dQ. Для этого необходимо перенести заряд dQ из бесконечности на уединенный проводник, затратив на это работу, равную

(36)

Чтобы зарядить тело от нулевого потенциала до j, необходимо совершить работу

(37)

Энергия заряженного проводника равна той работе, которую необходимо совершить, чтобы зарядить этот проводник:

(38)

Потенциал проводника во всех его точках одинаков, так как поверхность проводника является эквипотенциальной. Полагая потенциал проводника равным j, найдем:

(39)

где - заряд проводника.

26. Энергия заряженного конденсатора. Как всякий заряженный проводник, конденсатор обладает энергией, которая в соответствии с формулой (95.3) равна

(40)

где Q — заряд конденсатора, С — его емкость, Dj — разность потенциалов между обкладками конденсатора.

27. Объемная плотность энергии электростатического поля. Преобразуем формулу (40), выражающую энергию плоского конденсатора посредством зарядов и потенциалов и воспользовавшись выражением для емкости плоского конденсатора (C=e₀eS/d) и разности потенциалов между его обкладками (Dj=Ed), получим:

(41)

где V= Sd — объем конденсатора. Формула (41) показывает, что энергия конденсатора выражается через величину, характеризующую электростатическое поле, — напряженность Е.

Объемная плотность энергии электростатического поля (энергия единицы объема)

(42)

Формулы (40) и (42) соответственно связывают энергию конденсатора с зарядом на его обкладках и с напряженностью поля.

28.

29.

· сила тока I (служит количественной мерой электрического тока)- скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени:

· плотность тока — физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока

— вектор, ориентированный по направлению тока (т.е. направление вектора j совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов.

Единица плотности тока — ампер на метр в квадрате (А/м²).

Сила тока сквозь произвольную поверхность S определяется как поток вектора j, т. е.

· Выражение для плотности тока через среднюю скорость носителей тока и их концентрацию

За время dt через площадку dS пройдут заряды, отстоящие от нее не дальше чем на vdt (выражение для расстояния между зарядами и площадкой через скорость)

Заряд dq, прошедший за dt через dS

где q₀ - заряд одного носителя; n - число зарядов в единице объема (т.е их

концентрация): dS·v·dt - объем.

отсюда, выражение для плотности тока через среднюю скорость носителей тока и их концентрациюимеет следующий вид:

30.

· постоянный ток – ток, сила и направление которого не изменяются со времени.

где q — электрический заряд, проходящий за время t через поперечное сечение проводника. Единила силы тока — ампер (А).

· сторонние силы и ЭДС источника тока

сторонние силы - силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов.

Эти силы имеют электромагнитную природу:

и их работа по переносу пробного заряда q пропорциональна q:

· Физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (э.д.с.), действующей в цепи:

где е называют электродвижущей силой источника тока. Знак «+» соответствует случаю, когда при движении источник проходит в направлении действия сторонних сил (от отрицательной обкладки к положительной), «-» - противоположному случаю

31.

· Закон Ома для участка цепи

· Электрическое сопротивление

R – сопротивление проводника.

Единица сопротивления – Ом.

Для однородного проводника длиной l и сечением S:

ρ - удельное сопротивление

· Закон Ома для замкнутой цепи

Если электрическая цепь замкнута, то выбранные точки 1 и 2 совпадают, j₁=j₂; тогда получаем закон Ома для замкнутой цепи:

32.

· Закон Ома в локальной форме

Закон Ома для элементарного объема проводника.

Обозначим величину, обратную плотности, где - удельная проводимость.

Получим закон Ома в дифференциальной форме

· Удельное сопротивление (см. пункт 31)

Закон Джоуля - Ленца в дифференциальной форме

Рисунок 6

Количество тепла, выделяемое в элементарном объеме с сопротивлением R при прохождении тока I в течение времени dt:

- закон Джоуля - Ленца.

Найдем плотность мощности:

Количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема, называется удельной тепловой мощностью тока.

Она равна

Закон Джоуля - Ленца в дифференциальной форме.

Сила, действующая на электрический заряд, движущийся в магнитном поле со скоростью, называется силой Лоренца и выражается формулой

Вращающий момент сил, можно определить с.о.:

Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств рамки и определяется формулой

где — вектор магнитного момента рамки с током ( — вектор магнитной индукции, количественная характеристика магнитного поля). Для плоского контура с током I

где S — площадь поверхности контура (рамки) ,

n — единичный вектор нормали к поверхности рамки.

Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным моментом, равным единице, когда нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля.

[B] – Тл (Тесла).

Магнитное поле является силовым, следовательно, его можно изображать, с помощью линий магнитной индукции — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В.

Свойства линий магнитной индукции:

 замкнуты, т.к. в природе нет магнитных зарядов;

 вектор В направлен по касательной к линии магнитной индукции;

 густота линий магнитной индукции пропорциональна модулю вектора В.

Движение заряженных частиц в магнитном поле

Выражение для силы Лоренца позволяет найти ряд закономерностей движения заряженных частиц в магнитном поле. Направление силы Лоренца и направление вызываемого ею отклонения заряженной частицы в магнитном поле зависят от знака заряда частицы. На этом основано определение знака заряда частиц, движущихся в магнитных полях.

Для вывода общих закономерностей будем считать, что магнитное поле однородно и на частицы электрические поля не действуют. Если заряженная частица движется в магнитном поле со скоростью v вдоль линий магнитной индукции, то угол a между векторами v и В равен 0 или p. Тогда по формуле (32) сила Лоренца равна нулю, т. е. магнитное поле на частицу не действует и она движется равномерно и прямолинейно.

Вектор скорости параллелен вектору магнитной индукции (рис.9)

Рисунок 9

Частица движется равномерно и прямолинейно, вдоль магнитного поля.

Если заряженная частица движется в магнитном поле со скоростью v, перпендикулярной вектору В, то сила Лоренца постоянна по модулю и нормальна к траектории частицы. Согласно второму закону Ньютона, эта сила создает центростремительное ускорение. Отсюда следует, что частица будет двигаться по окружности (рис.2).

Рисунок 2

Линии индукции направлены за чертеж, В = const. Ускорение

нормальное ускорение.

Частица движется по окружности такого радиуса:

Время одного полного оборота:

т. е. период вращения частицы в однородном магнитном поле определяется только величиной, обратной удельному заряду (q/m) частицы, и магнитной индукцией поля, но не зависит от ее скорости (при v< < c). На этом основано действие циклических ускорителей заряженных частиц.

Если скорость v заряженной частицы направлена под углом a к вектору В (рис. 1), то ее движение можно представить в виде суперпозиции: 1) равномерного прямолинейного движения вдоль поля со скоростью v_||=vcosa ; 2) равномерного движения со скоростью v_^=vsina по окружности в плоскости, перпендикулярной полю.

плоскости, перпендикулярной полю.

Рис. 1

Радиус окружности определяется формулой (34) (в данном случае надо заменить v на v_^=vsina). В результате сложения обоих движений возникает движение по спирали, ось которой параллельна магнитному полю (рис. 1). Шаг винтовой линии

Подставив в последнее выражение (35), получим

Направление, в котором закручивается спираль, зависит от знака заряда частицы.

Если скорость заряженной частицы составляет угол a с направлением вектора В неоднородного магнитного поля, индукция которого возрастает в направлении движения частицы, то r и h уменьшаются с ростом В. На этом основана фокусировка заряженных частиц в магнитном поле.

37.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 Следующая ⇒