ЛЕКЦИЯ 10 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

5. Магнитное поле, магнитная индукция. Силовые линии. Действие магнитного поля на проводники и заряды. Действие магнитного поля на контур с током. Магнитная проницаемость.

6. Электромагнитная индукция. Токи Фуко. Самоиндукция.

7. Конденсатор и катушка индуктивности. Энергии электрического и магнитного полей.

8. Основные понятия и формулы.

9. Задачи.

Характеристики электрического и магнитного полей, которые создаются биологическими системами или действуют на них, являются источником информации о состоянии организма.

10.1. Электрический заряд. Закон Кулона

Заряд тела складывается из зарядов его электронов и протонов, собственные заряды которых одинаковы по величине и противоположны по знаку (е = 1,67х10^-19 Кл).

Тела, в которых количество электронов и протонов одинаково, называются незаряженными.

Если по какой-то причине равенство между числом электронов и протонов нарушено, тело называется заряженным и его электрический заряд определяется формулой

Закон Кулона

Взаимодействие неподвижных точечных зарядов подчиняется закону Кулона и называется кулоновским или электростатическим.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов прямо пропорциональна произведению их величин и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

10.2. Электрическое поле. Напряженность, потенциал, разность потенциалов. Графическое изображение электрических полей

Электрическое поле есть форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами.

Электрическое поле создается заряженными телами. Силовой характеристикой электрического поля является векторная величина, называемая напряженностью поля.

Напряженность электрического поля (Е) в некоторой точке пространства равна силе, действующей на единичный точечный заряд, помещенный в эту точку:

Потенциал, разность потенциалов

При перемещении заряда из одной точки поля в другую силы поля совершают работу, которая не зависит от формы пути. Для вычисления этой работы используют специальную физическую величину, называемую потенциалом.

Графическое изображение электрических полей

Для графического изображения электрического поля используют силовые линии или эквипотенциальные поверхности (обычно что-то одно). Силовая линия - линия, касательные к которой совпадают с направлением вектора напряженности в соответствующих точках.

Густота силовых линий пропорциональна напряженности поля. Эквипотенциальная поверхность - поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал.

Эти поверхности проводят так, чтобы разность потенциалов между соседними поверхностями была постоянна.

Рис. 10.1. Силовые линии и эквипотенциальные поверхности заряженных сфер

Силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

На рисунке 10.1 изображены силовые линии и эквипотенциальные поверхности для полей заряженных сфер.

На рисунке 10.2, а изображены силовые линии и эквипотенциальные поверхности для поля, созданного двумя пластинами, заряды которых одинаковы по величине и противоположны по знаку. На рисунке 10.2, б изображены силовые линии и эквипотенциальные поверхности для электрического поля Земли вблизи стоящего человека.

Рис. 10.2. Электрическое поле двух пластин (а); электрическое поле Земли вблизи стоящего человека (б).

10.3. Проводники и диэлектрики, относительная диэлектрическая проницаемость

Вещества, в которых имеются свободные заряды, называются проводниками.

Основными типами проводников являются металлы, растворы электролитов и плазма. В металлах свободными зарядами являются отделившиеся от атома электроны внешней оболочки. В электролитах свободными зарядами являются ионы растворенного вещества. В плазме свободными зарядами являются электроны, которые отделяются от атомов при высоких температурах, и положительные ионы.

Вещества, в которых нет свободных зарядов, называются диэлектриками.

Диэлектриками являются все газы при низких температурах, смолы, резина, пластмасса и многие другие неметаллы. Молекулы диэлектрика нейтральны, но центры положительного и отрицательного зарядов не совпадают. Такие молекулы называются полярными и изображаются в виде диполей. На рисунке 10.3 показана структура молекулы воды (Н₂О) и соответствующий ей диполь.

Рис. 10.3. Молекула воды и ее изображение в виде диполя

Если в электростатическом поле находится проводник (заряженный или незаряженный - безразлично), то свободные заряды перераспределяются таким образом, что созданное ими электрическое поле компенсирует внешнее поле. Поэтому напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю.

Если в электростатическом поле находится диэлектрик, то его полярные молекулы «стремятся» расположиться вдоль поля. Это приводит к уменьшению поля внутри диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость (ε) - безразмерная скалярная величина, показывающая, во сколько раз напряженность электрического поля в диэлектрике уменьшается по сравнению с полем в вакууме:

10.4. Ток, сила тока, плотность тока. Тепловое действие тока

Электрическим током называется упорядоченное движение свободных зарядов в веществе. За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.

Электрический ток возникает в проводнике, между концами которого поддерживается электрическое напряжение (U).

Количественно электрический ток характеризуют с помощью специальной величины - силы тока.

Силой тока в проводнике называется скалярная величина, показывающая, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за 1 с.

Для того чтобы показать распределение тока в проводниках сложной формы, используют плотность тока (j).

Плотность тока в проводнике равна отношению силы тока к площади сечения проводника:

Здесь R - характеристика проводника, называемая сопротивлением. Единица измерения - Ом.

Величина сопротивления проводника зависит от его материала, формы и размеров. Для цилиндрического проводника сопротивление прямо пропорционально его длине (l) и обратно пропорционально площади поперечного сечения (S):

Коэффициент пропорциональности ρ называется удельным электрическим сопротивлением материала проводника; его размерность Омм.

Протекание тока по проводнику сопровождается выделением теплоты Q. Количество теплоты, выделившейся в проводнике за время t, вычисляют по формулам

Тепловое действие тока в некоторой точке проводника характеризуется удельной тепловой мощностью q.

Удельная тепловая мощность - количество теплоты, выделяющейся в единице объема проводника за единицу времени.

Чтобы найти эту величину, нужно вычислить или измерить количество теплоты dQ, выделившейся в небольшой окрестности точки, а затем поделить его на время и объем окрестности:

где ρ - удельное сопротивление проводника.

10.5. Магнитное поле, магнитная индукция. Силовые линии. Магнитная проницаемость

Магнитное поле есть форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие движущихся электрических зарядов.

В микромире магнитные поля создаются отдельными движущимися заряженными частицами. При хаотическом движении заряженных частиц в веществе их магнитные поля компенсируют друг друга и магнитное поле в макромире не возникает. Если движение частиц в веществе каким-либо образом упорядочить, то магнитное поле появляется и в макромире. Например, магнитное поле возникает вокруг любого проводника с током. Особым упорядоченным вращением электронов в некоторых веществах объясняются и свойства постоянных магнитов.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. Единица магнитной индукции - тесла (Тл).

Силовые линии

Магнитное поле графически изображается с помощью линий магнитной индукции (магнитные силовые линии). Касательные к силовым линиям показывают направление вектора В в соответствующих точках. Густота линий пропорциональна модулю вектора В. В отличие от силовых линий электростатического поля, линии магнитной индукции замкнуты (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Магнитные силовые линии

Действие магнитного поля на проводники и заряды

Зная величину магнитной индукции (В) в данном месте, можно вычислить силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током или движущийся заряд.

а) Сила Ампера, действующая на прямолинейный участок проводника с током, перпендикулярна как направлению В, так и проводнику с током (рис. 10.5, а):

где I - сила тока; l - длина проводника; α - угол между направлением тока и вектором В.

б) Сила Лоренца, действующая на движущийся заряд, перпендикулярна как направлению В, так и направлению скорости заряда (рис. 10.5, б):

где q - величина заряда; v - его скорость; α - угол между направлением v и В.

Рис. 10.5. Силы Ампера (а) и Лоренца (б).

Магнитная проницаемость

Подобно тому как диэлектрик, помещенный во внешнее электрическое поле, поляризуется и создает собственное электрическое поле, любое вещество, помещенное во внешнее магнитное поле, намагничивается и создает собственное магнитное поле. Поэтому величина магнитной индукции внутри вещества (В) отличается от величины магнитной индукции в вакууме (В₀). Магнитная индукция в веществе выражается через магнитную индукцию поля в вакууме по формуле

где μ - магнитная проницаемость вещества. Для вакуума μ = 1

Магнитная проницаемость вещества (μ) - безразмерная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в веществе изменяется по сравнению с индукцией магнитного поля в вакууме.

По способности к намагничиванию вещества делятся на три группы:

1) диамагнетики, у которых μ < 1 (вода, стекло и др.);

2) парамагнетики, у которых μ > 1 (воздух, эбонит и др);

3) ферромагнетики, у которых μ >>1 (никель, железо и др.).

У диа- и парамагнетиков отличие магнитной проницаемости от единицы весьма незначительно (~0,0001). Намагниченность этих веществ при удалении из магнитного поля исчезает.

У ферромагнетиков магнитная проницаемость может достигать нескольких тысяч (например, у железа μ = 5 000-10 000). При удалении из магнитного поля намагниченность ферромагнетиков частично сохраняется. Ферромагнетики используют для изготовления постоянных магнитов.

10.6. Электромагнитная индукция. Токи Фуко. Самоиндукция

В замкнутом проводящем контуре, помещенном в магнитное поле, при определенных условиях возникает электрический ток. Для описания этого явления используют специальную физическую величину - магнитный поток. Магнитный поток через контур площади S, нормаль которого (n) образует с направлением поля угол α (рис. 10.6), вычисляется по формуле

Рис. 10.6. Магнитный поток через контур

Магнитный поток - это скалярная величина; единица измерения вебер [Вб].

По закону Фарадея при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур, в нем возникает электродвижущая сила Е (э.д.с. индукции), которая равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур:

Э.д.с. индукции возникает в контуре, который находится в переменном магнитном поле или вращается в постоянном магнитном поле. В первом случае изменение потока обусловлено изменением магнитной индукции (В), а во втором - изменением угла α. Вращение проволочной рамки между полюсами магнита используется для производства электроэнергии.

Токи Фуко

В некоторых случаях электромагнитная индукция проявляется и при отсутствии специально созданного контура. Если в переменном магнитном поле находится проводящее тело, то по всему его объему возникают вихревые токи, протекание которых сопровождается выделением теплоты. Поясним механизм их возникновения на примере проводящего диска, расположенного в меняющемся магнитном поле. Диск можно рассматривать как «набор» вложенных друг в друга замкнутых контуров. На рис. 10.7 вложенные контуры - это кольцевые сегменты между

Рис. 10.7. Токи Фуко в проводящем диске, расположенном в однородном переменном магнитном поле. Направление токов соответствует нарастанию В

окружностями. При изменении магнитного поля меняется и магнитный поток. Поэтому в каждом контуре индуцируется ток, изображенный стрелкой. Совокупность всех таких токов называют токами Фуко.

В технике с токами Фуко приходится бороться (потери энергии). Однако в медицине эти токи используют для прогревания тканей.

Самоиндукция

Явление электромагнитной индукции можно наблюдать и в том случае, когда внешнее магнитное поле отсутствует. Например, если по замкнутому контуру пропустить переменный ток, то он создаст переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаст переменный магнитный поток через контур, и в нем возникнет э.д.с.

Самоиндукцией называется возникновение электродвижущей силы в контуре, по которому протекает переменный ток.

Электродвижущая сила самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в контуре:

Знак «-» означает, что э.д.с самоиндукции препятствует изменению силы тока в контуре. Коэффициент пропорциональности L является характеристикой контура, называемой индуктивностью. Единица индуктивности - генри (Гн).

10.7. Конденсатор и катушка индуктивности. Энергии электрического и магнитного полей

В радиотехнике для создания электрических и магнитных полей, сосредоточенных в малой области пространства, используют специальные устройства - конденсаторы и катушки индуктивности.

Конденсатор представляет собой два проводника, разделенные слоем диэлектрика, на которых размещены одинаковые по величине и противоположные по знаку заряды. Эти проводники называются пластинами конденсатора.

Зарядом конденсатора называют заряд положительной пластины.

Пластины имеют одинаковую форму и располагаются на расстоянии, очень малом по сравнению с их размерами. В этом случае электрическое поле конденсатора практически полностью сосредоточено в пространстве между пластинами.

Электрической емкостью конденсатора называется отношение его заряда к разности потенциалов между пластинами:

Единица емкости - фарад (Ф = Кл/В).

Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин площади S, разделенных слоем диэлектрика толщины d с диэлектрической проницаемостью ε. Расстояние между пластинами много меньше их радиусов. Емкость такого конденсатора вычисляется по формуле:

Катушка индуктивности представляет собой проволочную катушку с ферромагнитным сердечником (для усиления магнитного поля). Диаметр катушки много меньше ее длины. В этом случае магнитное поле, создаваемое протекающим током, практически полностью сосредоточено внутри катушки. Отношение магнитного потока (Ф) к силе тока (I) является характеристикой катушки, называемой ее индуктивностью (L):

Единица индуктивности - генри (Гн = Вб/А).

Энергии электрического и магнитного полей

Электрическое и магнитное поля материальны и вследствие этого обладают энергией.

Энергия электрического поля заряженного конденсатора:

где I - сила тока в катушке; L - ее индуктивность.

10.8. Основные понятия и формулы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

10.9. Задачи

1. С какой силой притягиваются заряды в 1 Кл, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга?

Решение

По формуле (10.1) найдем: F = 9*10^9*1*1/1 = 9х10⁹ Н. Ответ: F = 9х10⁹ Н.

2. С какой силой ядро атома железа (порядковый номер 26) притягивает электрон на внутренней оболочке радиусом r = 1х10^-12 м?

Решение

Заряд ядра q = +26е. Силу притяжения найдем по формуле (10.1). Ответ: F = 0,006 Н.

3. Оценить электрический заряд Земли (он отрицателен), если напряженность электрического поля у поверхности Земли Е = 130 В/м. Радиус Земли 6400 км.

Решение

Напряженность поля вблизи Земли это напряженность поля заряженной сферы:

E = k*q|/R² , где k = 1/4πε₀ = 910⁹ Нм²/Кл².

Отсюда найдем |q| = ER²/k = [130 (6,4 10⁶)²/9 10⁹ = 60 10⁴ Кл.

Ответ: q =-60 10⁴ Кл.

4. Почему наэлектризованная расческа притягивает мелкие незаряженные кусочки бумаги?

Ответ: в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика. На ближнем к расческе конце кусочка бумаги находится противоположный заряд, а на дальнем - заряд такого же знака. Поэтому сила кулоновского притяжения больше силы отталкивания.

5. Электрон перемещается между точками с разностью потенциалов 1В. Найти работу сил поля.

6. Как изменится энергия конденсатора, если: а) удвоить напряжение на конденсаторе; б) удвоить его заряд; в) не отключая от источника, удвоить расстояние между пластинами?