Doğada meydana gelen fiziksel süreçler her zaman moleküler kinetik teori, mekanik veya termodinamik yasalarıyla açıklanmaz. Ayrıca uzaktan etki eden ve vücudun kütlesine bağlı olmayan elektromanyetik kuvvetler de vardır.
Tezahürleri ilk olarak eski Yunan bilim adamlarının eserlerinde, yün üzerine sürülmüş kehribarla hafif, küçük bireysel madde parçacıklarını çektiklerinde tanımlandı.
Bilim adamlarının elektrodinamiğin gelişimine tarihsel katkısı
Kehribarla yapılan deneyler İngiliz bir araştırmacı tarafından ayrıntılı olarak incelendi William Gilbert. İÇİNDE son yıllar 16. yüzyılda yaptığı çalışmalarla ilgili bir rapor hazırlamış ve uzaktaki diğer cisimleri çekebilecek nesnelere "elektrikli" terimini kullanmıştır.
Fransız fizikçi Charles Dufay, zıt işaretli yüklerin varlığını belirledi: Bazıları cam nesnelerin ipek kumaş üzerindeki sürtünmesinden, diğerleri ise yün üzerindeki reçinelerden oluşuyordu. Onlara böyle seslendi: cam ve reçine. Araştırmayı tamamladıktan sonra Benjamin Franklin Negatif ve pozitif yük kavramı tanıtıldı.
Charles Coulomb, kendi icadı olan burulma terazilerinin tasarımıyla yüklerin kuvvetini ölçme olasılığını fark etti.
Robert Millikan, bir dizi deneye dayanarak, herhangi bir maddenin elektrik yüklerinin ayrık doğasını belirledi ve bunların belirli bir miktardan oluştuğunu kanıtladı. temel parçacıklar. (Bu terimin başka bir kavramıyla karıştırılmamalıdır; parçalanma, süreksizlik.)
Bu bilim adamlarının çalışmaları temel oluşturdu modern bilgi Elektrodinamik tarafından incelenen, elektrik yükleri ve bunların hareketleri tarafından oluşturulan elektrik ve manyetik alanlarda meydana gelen süreçler ve olaylar hakkında.
Yüklerin tanımı ve etkileşim ilkeleri
Elektrik yükü, onlara elektrik alanları oluşturma ve elektromanyetik süreçlerle etkileşime girme yeteneği sağlayan maddelerin özelliklerini karakterize eder. Aynı zamanda elektrik miktarı olarak da adlandırılır ve fiziksel olarak tanımlanır. skaler miktar. Yükü belirtmek için “q” veya “Q” sembolleri kullanılır ve ölçümlerde, benzersiz bir teknik geliştiren Fransız bilim adamının adını taşıyan “Coulomb” birimi kullanılır.
Vücudunda ince bir kuvars ipliğine asılı topların kullanıldığı bir cihaz yarattı. Uzayda belli bir şekilde yönlendirilmişlerdi ve konumları eşit bölmeli dereceli bir ölçeğe göre kaydediliyordu.
Kapaktaki özel bir delikten bu toplara ek şarjlı başka bir top getirildi. Ortaya çıkan etkileşim kuvvetleri topların sapmasına ve külbütör kollarını döndürmesine neden oldu. Bir şarjın uygulanmasından önce ve sonra ölçekteki okumalar arasındaki farkın büyüklüğü, test numunelerindeki elektrik miktarını tahmin etmeyi mümkün kıldı.
SI sisteminde 1 coulomb'luk bir yük, içinden geçen 1 amperlik bir akımla karakterize edilir. enine kesit 1 saniyeye eşit bir süre boyunca iletken.
Modern elektrodinamik, tüm elektrik yüklerini aşağıdakilere ayırır:
olumlu;
negatif.
Birbirleriyle etkileşime girdiklerinde yönü mevcut kutupluluğa bağlı olan kuvvetler geliştirirler.
Aynı türdeki yükler pozitif ya da negatif her zaman birbirini iter zıt taraflar birbirlerinden olabildiğince uzaklaşmaya çalışıyorlar. Ve zıt işaretlerin yükleri, onları birbirine yaklaştıran ve tek bir bütün halinde birleştirme eğiliminde olan kuvvetlere sahiptir.
Süperpozisyon ilkesi
Ne zaman belli bir hacim Birkaç yük varsa, bunlar için süperpozisyon ilkesi geçerlidir.
Bunun anlamı, yukarıda tartışılan yönteme göre, her yükün belirli bir şekilde diğerleriyle etkileşime girmesi, farklı türden olanlara çekilmesi ve aynı türdekiler tarafından itilmesidir. Örneğin, pozitif bir yük q1, negatif yük q3'e olan F31 çekim kuvvetinden ve q2'den gelen F21 itme kuvvetinden etkilenir.
Sonuçta q1'e etki eden F1 kuvveti, F31 ve F21 vektörlerinin geometrik toplamı ile belirlenir. (F1= F31+ F21).
Aynı yöntem sırasıyla q2 ve q3 yüklerine etkiyen F2 ve F3 kuvvetlerini belirlemek için kullanılır.
Süperpozisyon ilkesini kullanarak, kapalı bir sistemdeki belirli sayıda yük için tüm gövdeler arasında sabit elektrostatik kuvvetlerin etki ettiği ve bu uzayın herhangi bir belirli noktasındaki potansiyelin olduğu sonucuna varıldı. toplamına eşit ayrı ayrı uygulanan tüm yüklerden gelen potansiyeller.
Bu yasaların etkisi, oluşturulan elektroskop ve elektrometre cihazlarıyla doğrulanmaktadır. genel prensip iş.
Bir elektroskop, metal bir topa tutturulmuş iletken bir iplikle izole edilmiş bir alanda asılı duran iki özdeş ince folyo bıçağından oluşur. Normal durumda yükler bu topa etki etmez, bu nedenle yapraklar cihazın ampulünün içindeki boşlukta serbestçe asılı kalır.
Bedenler arasında yük nasıl aktarılabilir?
Elektroskop topuna yüklü bir cisim, örneğin bir çubuk getirirseniz, yük, iletken bir iplik boyunca topun içinden yapraklara doğru geçecektir. Aynı yükü alacaklar ve uygulanan elektrik miktarıyla orantılı bir açıyla birbirlerinden uzaklaşmaya başlayacaklar.
Elektrometre aynı temel cihaza sahiptir, ancak küçük farklılıkları vardır: bir taç yaprağı kalıcı olarak sabitlenmiştir ve ikincisi ondan uzanır ve dereceli bir ölçekten okuma almanızı sağlayan bir okla donatılmıştır.
Yükü uzak, sabit ve yüklü bir gövdeden bir elektrometreye aktarmak için ara taşıyıcıları kullanabilirsiniz.
Elektrometre ile yapılan ölçümlerde yüksek sınıf doğruluk ve bunlara dayanarak yükler arasında etkili olan kuvvetleri analiz etmek zordur. Coulomb burulma dengeleri onların çalışması için daha uygundur. Çapları birbirlerine olan mesafelerinden önemli ölçüde daha küçük olan toplar kullanırlar. Boyutları cihazın doğruluğunu etkilemeyen nokta yükleri - yüklü gövdelerin özelliklerine sahiptirler.
Coulomb tarafından gerçekleştirilen ölçümler, noktasal yükün yüklü bir cisimden aynı özellik ve kütleye sahip ancak yüksüz bir cisme, aralarında eşit olarak dağıtılacak şekilde, 2 kat azalarak aktarıldığı yönündeki tahminini doğruladı. kaynak. Bu sayede ücret miktarını iki, üç veya daha fazla kez azaltmak mümkün oldu.
Durağan elektrik yükleri arasında bulunan kuvvetlere Coulomb veya statik etkileşim denir. Elektrodinamiğin dallarından biri olan elektrostatik tarafından incelenirler.
Elektrik yükü taşıyıcı çeşitleri
Modern bilim, en küçük negatif yüklü parçacığı elektron, pozitronu da en küçük pozitif yüklü parçacık olarak kabul eder. Aynı kütleye sahiptirler: 9,1·10-31 kg. Temel parçacık protonunun yalnızca bir pozitif yükü vardır ve kütlesi 1,7·10-27 kg'dır. Doğada pozitif ve negatif yüklerin sayısı dengelidir.
Metallerde elektronların hareketi oluşur ve yarı iletkenlerde yüklerinin taşıyıcıları elektronlar ve deliklerdir.
Gazlarda akım, iyonların - katyonlar veya negatif yükler - anyonlar olarak adlandırılan pozitif yüklere sahip yüklü temel olmayan parçacıkların (atomlar veya moleküller) hareketi ile üretilir.
İyonlar nötr parçacıklardan oluşur.
Pozitif bir yük, güçlü bir etki altında bir elektron kaybeden bir parçacık tarafından yaratılır. elektrik deşarjı, hafif veya radyasyona maruz kalma, rüzgar akışı, su kütlelerinin hareketi veya bir dizi başka neden.
Negatif iyonlar, ek olarak bir elektron alan nötr parçacıklardan oluşur.
İyonlaşmanın kullanımı tıbbi amaçlar ve günlük yaşam
Araştırmacılar bu yeteneği uzun zamandır fark ettiler negatif iyonlar insan vücudunu etkiler, havadaki oksijen tüketimini artırır, dokulara ve hücrelere daha hızlı iletir, serotoninin oksidasyonunu hızlandırır. Bütün bunlar birlikte bağışıklığı önemli ölçüde artırır, ruh halini iyileştirir ve ağrıyı hafifletir.
İnsanları tedavi etmek için kullanılan ilk iyonlaştırıcının adı Chizhevsky avizelerİnsan sağlığı üzerinde faydalı etkisi olan bir cihaz yaratan Sovyet bilim adamının onuruna.
Modern elektrikli ev aletlerinde, elektrikli süpürgelerde, nemlendiricilerde, saç kurutma makinelerinde, kurutucularda yerleşik iyonlaştırıcılar bulabilirsiniz...
Özel hava iyonlaştırıcıları havayı arındırır ve toz ve zararlı kirlilik miktarını azaltır.
Su iyonlaştırıcıları, bileşimindeki kimyasal reaktiflerin miktarını azaltabilir. Havuzları ve göletleri temizlemek, suyu bakır veya gümüş iyonlarıyla doyurmak, alg oluşumunu azaltmak ve virüsleri ve bakterileri yok etmek için kullanılırlar.
Elektrik yükü- Bu fiziksel miktar elektromanyetik etkileşimlerin yoğunluğunu belirler. Elektromanyetik etkileşimler yüklü parçacıklar veya cisimler arasındaki etkileşimlerdir.
Elektrik yükleri pozitif ve negatif olarak ikiye ayrılır. Kararlı temel parçacıkların pozitif yükü vardır - protonlar Ve pozitronlar yanı sıra metal atomlarının iyonları vb. Kararlı negatif yük taşıyıcıları elektron Ve antiproton.
Elektriksel olarak yüksüz parçacıklar vardır, yani nötr olanlar: nötron, nötrino. Bu parçacıklar elektrik yükleri nedeniyle elektriksel etkileşimlere katılmazlar. sıfıra eşit. Elektrik yükü olmayan parçacıklar vardır, ancak parçacık olmadan elektrik yükü yoktur.
İpekle ovulmuş camda, pozitif yükler. Kürke sürülen ebonitin negatif yükleri vardır. Yükler aynı işaretlere sahip olduğunda parçacıklar itilir ( aynı isimli suçlamalar) ve ne zaman farklı işaretler (suçlamaların aksine) parçacıklar çekilir.
Bütün cisimler atomlardan yapılmıştır. Atomlar, pozitif yüklü bir atom çekirdeğinden ve atom çekirdeğinin etrafında hareket eden negatif yüklü elektronlardan oluşur. Atom çekirdeği pozitif yüklü protonlardan ve nötr parçacıklardan - nötronlardan oluşur. Bir atomdaki yükler, atomun bir bütün olarak nötr olacağı, yani atomdaki pozitif ve negatif yüklerin toplamının sıfır olacağı şekilde dağıtılır.
Elektronlar ve protonlar herhangi bir maddenin parçasıdır ve en küçük kararlı temel parçacıklardır. Bu parçacıklar sınırsız bir süre boyunca serbest halde bulunabilirler. Bir elektron ve bir protonun elektrik yüküne temel yük denir.
Temel ücret- Bu minimum ücret tüm yüklü temel parçacıkların sahip olduğu. Bir protonun elektrik yükü eşittir mutlak değer elektron yükü:
E = 1,6021892(46) * 10 -19 C
Sabit yükler arasındaki etkileşim kuvvetleri, yük modüllerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır:
| |
Etkileşim kuvvetleri Newton'un üçüncü yasasına uyar: Bunlar itici kuvvetlerdir. aynı işaretler farklı işaretlere sahip yükler ve çekici kuvvetler (Şekil 1.1.3). Sabit elektrik yüklerinin etkileşimine denir elektrostatik veya Coulomb etkileşim. Coulomb etkileşimini inceleyen elektrodinamik dalına ne ad verilir? elektrostatik .
Coulomb kanunu nokta yüklü cisimler için geçerlidir. Uygulamada Coulomb yasası, yüklü cisimlerin boyutları aralarındaki mesafeden çok daha küçükse tam olarak karşılanır.
Orantılılık faktörü k Coulomb yasasında birim sisteminin seçimine bağlıdır. İÇİNDE Uluslararası sistem SI yük birimi alınır kolye(CI).
Kolye 1 A akımda bir iletkenin kesitinden 1 saniyede geçen yüktür. SI'daki akımın birimi (amper), uzunluk, zaman ve kütle birimleriyle birlikte temel ölçü birimi.
Katsayı k SI sisteminde genellikle şu şekilde yazılır:
Deneyimler gösteriyor ki güçler Coulomb etkileşimi süperpozisyon ilkesine uyun.
Konsepte benzer yerçekimi kütlesi Newton mekaniğinde cisim, elektrodinamikte ise yük kavramı birincil, temel kavramdır.
Elektrik yükü parçacıkların veya cisimlerin elektromanyetik kuvvet etkileşimlerine girme özelliğini karakterize eden fiziksel bir niceliktir.
Elektrik yükü genellikle harflerle temsil edilir Q veya Q.
Bilinen tüm deneysel gerçeklerin toplamı, aşağıdaki sonuçları çıkarmamızı sağlar:
Geleneksel olarak pozitif ve negatif olarak adlandırılan iki tür elektrik yükü vardır.
Yükler bir vücuttan diğerine (örneğin doğrudan temas yoluyla) aktarılabilir. Vücut kütlesinin aksine, elektrik yükü belirli bir cismin ayrılmaz bir özelliği değildir. Aynı vücut farklı koşullar farklı bir ücrete sahip olabilir.
Benzer yükler iter, farklı yükler çeker. Bu aynı zamanda temel bir farklılığı da ortaya koyuyor elektromanyetik kuvvetler yerçekimsel olanlardan. Yerçekimi kuvvetleri her zaman çekim güçleridir.
Doğanın temel yasalarından biri deneysel olarak belirlenmiş olandır. elektrik yükünün korunumu kanunu .
Yalıtılmış bir sistemde cebirsel toplam tüm cisimlerin ücretleri sabit kalır:
|
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... +QN= sabit |
Elektrik yükünün korunumu yasası, kapalı bir cisimler sisteminde yalnızca bir işaretin yükünün yaratılması veya kaybolması süreçlerinin gözlemlenemeyeceğini belirtir.
İLE modern nokta Bizim bakış açımıza göre yük taşıyıcılar temel parçacıklardır. Tüm sıradan cisimler, pozitif yüklü protonlar, negatif yüklü elektronlar ve nötr parçacıklar - nötronlar içeren atomlardan oluşur. Protonlar ve nötronlar bir parçasıdır atom çekirdeği, elektronlar oluşur elektron kabuğu atomlar. Proton ve elektronun elektrik yükleri büyüklük bakımından tamamen aynı ve temel yüke eşittir. e.
Nötr bir atomda çekirdekteki proton sayısı kabuktaki elektron sayısına eşittir. Bu numara denir atom numarası . Atom bu maddenin bir veya daha fazla elektron kaybedebilir veya fazladan bir elektron kazanabilir. Bu durumlarda nötr atom pozitif veya negatif yüklü bir iyona dönüşür.
Yük, bir cisimden diğerine yalnızca tam sayıda temel yük içeren kısımlar halinde aktarılabilir. Dolayısıyla bir cismin elektrik yükü ayrık bir miktardır:
Yalnızca alabilen fiziksel büyüklükler ayrık seri değerler denir nicemlenmiş . Temel yük e bir kuantumdur ( en küçük kısım) elektrik yükü. Şunu belirtmek gerekir ki modern fizik temel parçacıklar, kuarkların - kesirli yüke sahip parçacıklar - varlığı varsayılmaktadır. Bununla birlikte, kuarklar henüz serbest durumda gözlemlenmemiştir.
Sıradan laboratuvar deneyleri Elektrik yüklerini tespit etmek ve ölçmek için kullanılır elektrometre ( veya elektroskop) - metal bir çubuk ve yatay bir eksen etrafında dönebilen bir işaretçiden oluşan bir cihaz (Şekil 1.1.1). Ok çubuğu metal gövdeden izole edilmiştir. Yüklü bir cisim elektrometre çubuğuna temas ettiğinde, aynı işaretli elektrik yükleri çubuk ve ibre üzerine dağıtılır. Elektriksel itme kuvvetleri, iğnenin belirli bir açıyla dönmesine neden olur, bu sayede elektrometre çubuğuna aktarılan yük değerlendirilebilir.
Elektrometre oldukça kaba bir alettir; yükler arasındaki etkileşim kuvvetlerinin incelenmesine izin vermez. Sabit yüklerin etkileşimi yasası ilk olarak 1785 yılında Fransız fizikçi Charles Coulomb tarafından keşfedildi. Coulomb deneylerinde yüklü topların çekim ve itme kuvvetlerini kendi tasarladığı bir cihaz olan burulma terazisini kullanarak ölçtü (Şekil 1.1.2). son derece farklıydı yüksek hassasiyet. Örneğin, denge çubuğu 10-9 N mertebesinde bir kuvvetin etkisi altında 1° döndürülmüştür.
Ölçüm fikri, Coulomb'un, yüklü bir topun tam olarak aynı yüksüz topla temas ettirilmesi durumunda, ilkinin yükünün bunlar arasında eşit olarak bölüneceği yönündeki parlak tahminine dayanıyordu. Böylece topun yükünün iki, üç vb. kez değişmesinin bir yolu gösterildi. Coulomb'un deneylerinde boyutları aralarındaki mesafeden çok daha küçük olan toplar arasındaki etkileşim ölçüldü. Bu tür yüklü cisimlere genellikle denir puan ücretleri.
Puan ücreti bu problem koşullarında boyutları ihmal edilebilecek yüklü bir cisim denir.
Çok sayıda deneye dayanarak Coulomb aşağıdaki yasayı oluşturdu:
Sabit yükler arasındaki etkileşim kuvvetleri, yük modüllerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır:
Etkileşim kuvvetleri Newton'un üçüncü yasasına uyar:
Bunlar aynı yük işaretlerine sahip itici kuvvetler ve farklı işaretlere sahip çekici kuvvetlerdir (Şekil 1.1.3). Sabit elektrik yüklerinin etkileşimine denir elektrostatik veya Coulomb etkileşim. Coulomb etkileşimini inceleyen elektrodinamik dalına ne ad verilir? elektrostatik .
Coulomb kanunu nokta yüklü cisimler için geçerlidir. Uygulamada Coulomb yasası, yüklü cisimlerin boyutları aralarındaki mesafeden çok daha küçükse tam olarak karşılanır.
Orantılılık faktörü k Coulomb yasasında birim sisteminin seçimine bağlıdır. Uluslararası SI Sisteminde ücret birimi şu şekilde alınır: kolye(CI).
Kolye 1 A akım gücünde bir iletkenin kesitinden 1 saniyede geçen yüktür. SI'daki akımın birimi (Amper), uzunluk, zaman ve kütle birimleriyle birlikte temel ölçü birimi.
Katsayı k SI sisteminde genellikle şu şekilde yazılır:
Nerede 
- elektriksel sabit
.
SI sisteminde temel yük eşuna eşittir:
Deneyimler Coulomb etkileşim kuvvetlerinin süperpozisyon ilkesine uyduğunu göstermektedir:
Yüklü bir cisim aynı anda birden fazla yüklü cisimle etkileşime girerse, bu cisme etki eden sonuçta ortaya çıkan kuvvet şuna eşittir: vektör toplamı diğer tüm yüklü cisimlerden bu cisme etki eden kuvvetler.
Pirinç. 1.1.4, üç yüklü cismin elektrostatik etkileşimi örneğini kullanarak süperpozisyon ilkesini açıklar.
Süperpozisyon ilkesi doğanın temel bir kanunudur. Ancak kullanımı bazı durumlarda dikkatli olmayı gerektirir. hakkında konuşuyoruz sonlu boyutlardaki yüklü cisimlerin etkileşimi hakkında (örneğin, iki iletken yüklü top 1 ve 2). İki yüklü toptan oluşan bir sisteme üçüncü bir yüklü top getirilirse, 1 ile 2 arasındaki etkileşim değişecektir. şarjın yeniden dağıtımı.
Süperpozisyon ilkesi şunu belirtir: verilen (sabit) yük dağılımı tüm cisimlerde, herhangi iki cisim arasındaki elektrostatik etkileşim kuvvetleri diğer yüklü cisimlerin varlığına bağlı değildir.
İki ipin üzerine hafif folyo topları asıp ipek üzerine sürülmüş bir cam çubukla her birine dokunduğunuzda topların birbirini ittiğini görebilirsiniz. Daha sonra bir topa ipek üzerine sürülmüş bir cam çubukla ve diğerine kürk üzerine sürülmüş bir ebonit çubukla dokunursanız, toplar birbirini çekecektir. Bu, cam ve ebonit çubukların ovalandığında farklı işaretlerin ücretleri yani doğada mevcut iki tür elektrik yükü sahip olmak zıt işaretler: olumlu ve olumsuz. İpeğe sürülen bir cam çubuğun pozitif yük ve kürke sürülen bir ebonit çubuk elde edilir negatif yük .
Açıklanan deneyden şu sonuç çıkıyor: yüklü cisimler birbirleriyle etkileşime girmek. Yüklerin bu etkileşimine elektriksel denir. Aynı zamanda aynı isimli suçlamalar, onlar. aynı işaretteki suçlamalar , birbirini iter ve farklı yükler birbirini çeker.
Cihaz benzer yüklü cisimlerin itilmesi olgusuna dayanmaktadır. elektroskop- belirli bir vücudun şarjlı olup olmadığını belirlemenizi sağlayan bir cihaz ve elektrometre elektrik yükünün değerini tahmin etmenizi sağlayan bir cihaz.
Yüklü bir gövdeye sahip bir elektroskopun çubuğuna dokunursanız, elektroskopun yaprakları aynı işaretli bir yük alacakları için dağılacaktır. Yüklü bir cisimle çubuğuna dokunursanız, bir elektrometrenin iğnesine de aynı şey olacaktır. Bu durumda yük ne kadar büyük olursa okun çubuktan sapacağı açı da o kadar büyük olur.
İtibaren basit deneyler yüklü cisimler arasındaki etkileşim kuvvetinin, edinilen yük miktarına bağlı olarak daha fazla veya daha az olabileceği sonucu çıkar. Dolayısıyla elektrik yükünün bir yandan vücudun hareket etme yeteneğini karakterize ettiğini söyleyebiliriz. elektriksel etkileşim, diğer taraftan ise bu etkileşimin yoğunluğunu belirleyen bir niceliktir.
Ücret mektupla belirtilir Q , yük birimi olarak alınır kolye: [Q ] = 1 Cl.
Yüklü bir çubukla bir elektrometreye dokunursanız ve ardından bu elektrometreyi metal bir çubukla başka bir elektrometreye bağlarsanız, ilk elektrometrenin yükü iki elektrometre arasında bölünecektir. Daha sonra elektrometreyi birkaç elektrometreye daha bağlayabilirsiniz; yük bunlar arasında paylaştırılacaktır. Böylece elektrik yükü bölünebilme özelliği . Yük bölünebilirlik sınırı, yani Doğada bulunan en küçük yük yüktür elektron. Elektron yükü negatiftir ve eşittir 1.6*10 -19Cl. Diğer herhangi bir yük, elektron yükünün katıdır.
I. V. Yakovlev | Fizik malzemeleri | MathUs.ru
Elektrodinamik
Bu kılavuz, fizikte Birleşik Devlet Sınavı kodlayıcısının üçüncü bölümü olan “Elektrodinamik”e ayrılmıştır. Aşağıdaki konuları kapsamaktadır.
Bedenlerin elektrifikasyonu. Yüklerin etkileşimi. İki tür ücret. Elektrik yükünün korunumu kanunu. Coulomb yasası.
Aksiyon elektrik alanı elektrik yüklerine. Elektrik alan kuvveti. Elektrik alanlarının süperpozisyonu ilkesi.
Potansiyel elektrostatik alan. Elektrik alan potansiyeli. Gerilim (potansiyel fark).
Elektrik alanındaki iletkenler. Elektrik alanındaki dielektrikler.
Elektrik kapasitesi. Kapasitör. Bir kapasitörün elektrik alan enerjisi.
Sabit elektrik akımı. Mevcut güç. Gerilim. Elektrik direnci. Bir devrenin bir bölümü için Ohm yasası.
İletkenlerin paralel ve seri bağlantısı. İletkenlerin karışık bağlantısı.
İş elektrik akımı. Joule-Lenz yasası. Elektrik akımı gücü.
Elektromotor kuvvet. Akım kaynağının iç direnci. Tam olarak Ohm kanunu elektrik devresi.
Metallerde, sıvılarda ve gazlarda serbest elektrik yüklerinin taşıyıcıları.
Yarı iletkenler. Yarı iletkenlerin içsel ve safsızlık iletkenliği.
Mıknatısların etkileşimi. Akım taşıyan bir iletkenin manyetik alanı. Amper gücü. Lorentz kuvveti.
fenomen elektromanyetik indüksiyon. Manyetik akı. Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasası. Lenz'in kuralı.
Kendi kendine indüksiyon. İndüktans. Enerji manyetik alan.
Mevcut elektromanyetik titreşimler. Salınım devresi. Zorlanmış elektromanyetik salınımlar. Rezonans. Harmonik elektromanyetik salınımlar.
AC. Elektrik enerjisinin üretimi, iletimi ve tüketimi.
Elektromanyetik alan.
Özellikler elektromanyetik dalgalar. Çeşitli türler Elektromanyetik radyasyon ve uygulaması.
Kılavuzda ayrıca bazı ek malzeme, dahil değil Birleşik Devlet Sınavı kodlayıcısı(ancak dahil okul müfredatı!). Bu materyal, kapsanan konuları daha iyi anlamanızı sağlar.
1.2 Bedenlerin elektrifikasyonu . . . . . . . 7
2.1 Süperpozisyon ilkesi . 11
2.2 Dielektriklerde Coulomb yasası . . 12
3.1 Uzun menzilli ve kısa menzilli 13
3.2 Elektrik alanı . . 13
3.3 Noktasal yük alan gücü 14
3.4 Elektrik alanlarının üst üste binmesi ilkesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.5 Düzgün yüklü bir düzlemin alanı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.6 Elektrik alan çizgileri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1 Muhafazakar kuvvetler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2 Elektrostatik alan potansiyeli. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.3 Düzgün bir alandaki bir yükün potansiyel enerjisi. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.6 Potansiyel fark. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.7 Potansiyeller için süperpozisyon ilkesi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.8 Homojen alan: voltaj ve yoğunluk arasındaki ilişki. . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.2 Bir iletkenin içinde şarj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.1 geçirgenlik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
6.2 Polar dielektrikler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.3 Polar olmayan dielektrikler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.1 Tek bir iletkenin kapasitansı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
7.2 Paralel plakalı kapasitörün kapasitansı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
7.3 Yüklü bir kapasitörün enerjisi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
7.4 Elektrik alanı enerjisi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
8.1 Elektrik akımının yönü. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
8.2 Elektrik akımının etkisi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
8.5 Sabit elektrik alanı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
9 Ohm Yasası |
9.1 Ohm'un devre bölümü yasası. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
9.2 Elektrik direnci. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Direnç. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
İletken bağlantıları | |||
Dirençler ve kurşun teller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Seri bağlantı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Paralel bağlantı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Karışık bileşik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
İş ve mevcut güç | |||
11.1 Mevcut çalışma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
11.2 Mevcut güç. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
11.3 Joule-Lenz yasası. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
12.3 Elektrik devresi verimliliği. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
12.4 Heterojen bir alan için Ohm yasası. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
13.1 Serbest elektronlar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
13.2 Rikke'nin deneyi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
14.1 Elektrolitik ayrışma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
14.2 İyonik iletkenlik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
14.3 Elektroliz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
15.1 Doğalgazda ücretsiz ücret. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
15.2 Kendi kendine devam etmeyen deşarj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
16.1 Kovalent bağ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
16.2 Silisyumun kristal yapısı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
16.3 Öz iletkenlik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
16.4 Safsızlık iletkenliği. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
16,5 p-n bağlantısı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
17.1 Mıknatıs etkileşimi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
17.2 Manyetik alan çizgileri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
17.5 Akımlı bir bobinin manyetik alanı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
17.6 Akım bobininin manyetik alanı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Ampere'nin hipotezi. Temel akımlar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Manyetik alan. Güçler | |||
Lorentz kuvveti. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Amper gücü. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Manyetik alanda akım bulunan çerçeve. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Elektromanyetik indüksiyon | |||
Manyetik akı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
19.2 İndüksiyon emk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
19.3 Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasası. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
19.4 Lenz kuralı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
19.7 Girdap elektrik alanı. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
19.8 Hareketli bir iletkende indüksiyon emk'si. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Kendi kendine indüksiyon | |||
İndüktans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 |
|||
Elektromekanik benzetme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Manyetik alan enerjisi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 |
|||
Elektromanyetik titreşimler | |||
Salınım devresi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Salınım devresinde enerji dönüşümleri. . . . . . . . . . . . . . . | |||
Elektromekanik analojiler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
21.4 Bir devredeki salınımların harmonik yasası. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
21.5 Zorlanmış elektromanyetik salınımlar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
AC. 1 | |||
Yarı sabit durum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Bir devredeki direnç klima . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 |
|||
AC devresindeki kapasitör. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
AC devresinde bobin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 |
|||
AC. 2 | |||
Yöntem yardımcı açı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Dirençli salınım devresi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
Salınım devresinde rezonans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | |||
AC gücü | |||
24.1 Direnç üzerinden akım gücü. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
24.2 Kondansatörden geçen akım gücü. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
24.3 Bobinden geçen akım gücü. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
26.1 Maxwell'in hipotezi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
26.2 Konsept elektromanyetik alan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
27.1 Açık salınım devresi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
27.2 Elektromanyetik dalgaların özellikleri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
27.3 Radyasyon akısı yoğunluğu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
27.4 Elektromanyetik radyasyon türleri. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
1 Elektrik yükü
Elektromanyetik etkileşimler en çok temel etkileşimler doğada. Esneklik ve sürtünme kuvvetleri, sıvı ve gaz basıncı ve çok daha fazlası, maddenin parçacıkları arasındaki elektromanyetik kuvvetlere indirgenebilir. Elektromanyetik etkileşimlerin kendileri artık diğer, daha derin etkileşim türlerine indirgenmiyor.
eşit olarak temel tip etkileşim yerçekimidir, herhangi iki cismin yerçekimi çekimidir. Ancak elektromanyetik ve yerçekimsel etkileşimler arasında birkaç önemli fark vardır.
1. Herkes elektromanyetik etkileşimlere katılamaz, yalnızca yüklü olanlara katılabilir.
cisimler (elektrik yükü olan).
2. Yerçekimi etkileşimi her zaman bir cismin diğerine çekilmesidir. Elektromanyetik etkileşimler çekici veya itici olabilir.
3. Elektromanyetik etkileşim, yerçekimi etkileşiminden çok daha yoğundur. Örneğin iki elektronun elektriksel itme kuvveti 10'dur. Güçlerinin 42 katı yerçekimi çekimi birbirlerine.
Yüklü her cismin belli miktarda elektrik yükü q vardır. Elektrik yükü kuvveti belirleyen fiziksel bir niceliktir elektromanyetik etkileşim doğal nesneler arasında. Yükün birimi coulomb (C)1'dir.
1.1 İki tür ücret
Çünkü yerçekimi etkileşimi her zaman bir çekimdir, tüm cisimlerin kütleleri negatif değildir. Ancak bu suçlamalar için geçerli değildir. Pozitif ve negatif olmak üzere iki tür elektrik yükünü tanıtarak iki tür elektromanyetik etkileşimi (çekme ve itme) tanımlamak uygundur.
Farklı işaretli yükler birbirini çeker, aynı işaretli yükler ise birbirini iter. Bu, Şekil 2'de gösterilmektedir. 1; İpliklere asılan toplara şu veya bu işaretin yükü verilir.
Pirinç. 1. İki tür yükün etkileşimi
Elektromanyetik kuvvetlerin yaygın tezahürü, herhangi bir maddenin atomlarının yüklü parçacıklar içermesiyle açıklanmaktadır: bir atomun çekirdeği pozitif yüklü protonlar içerir ve negatif yüklü elektronlar çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde hareket eder. Bir proton ve bir elektronun yükleri büyüklük bakımından eşittir ve çekirdekteki protonların sayısı yörüngelerdeki elektronların sayısına eşittir ve bu nedenle atomun bir bütün olarak elektriksel olarak nötr olduğu ortaya çıkar. Bu yüzden normal koşullar fark etmiyoruz elektromanyetik etki diğerlerinden
1 Şarj birimi mevcut birim aracılığıyla belirlenir. 1 C, 1 A akımda bir iletkenin kesitinden 1 saniyede geçen yüktür.
cisimler: her birinin toplam yükü sıfırdır ve yüklü parçacıklar vücudun hacmi boyunca eşit olarak dağılmıştır. Ancak elektriksel nötrlük ihlal edilirse (örneğin, elektrifikasyonun bir sonucu olarak), vücut hemen çevredeki yüklü parçacıklar üzerinde harekete geçmeye başlar.
Neden tam olarak iki tür elektrik yükü var da başka sayıda değil? şu anda bilinmiyor. Ancak bu gerçeğin birincil olarak kabul edilmesinin elektromanyetik etkileşimlerin yeterli bir tanımını sağladığını söyleyebiliriz.
Bir protonun yükü 1,6 10 19 C'dir. Elektronun yükü zıt işaretlidir ve eşittir
1;6 10 19 Cl. Büyüklük
e = 1;6 10 19Cl
temel yük denir. Bu mümkün olan minimum yüktür: deneylerde daha küçük yüklü serbest parçacıklar tespit edilmemiştir. Fizik henüz doğanın neden en küçük yüke sahip olduğunu ve büyüklüğünün neden tam olarak bu kadar olduğunu açıklayamıyor.
Herhangi bir q cismin yükü her zaman tamsayı sayıda temel yükten oluşur:
eğer q< 0, то тело имеет избыточное количество N электронов (по сравнению с количеством протонов). Если же q >0 ise tam tersi, vücutta elektronlar eksiktir: N tane daha proton vardır.
1.2 Bedenlerin elektrifikasyonu
Makroskobik bir cismin hareket edebilmesi için elektriksel etki diğer organlara elektrik verilmesi gerekir. Elektrifikasyon, vücudun veya parçalarının elektriksel nötrlüğünün ihlalidir. Elektrifikasyonun bir sonucu olarak vücut elektromanyetik etkileşimler yapabilecek hale gelir.
Vücudu elektriklendirmenin yollarından biri ona elektrik yükü vermek, yani aşırı enerji elde etmektir. bu vücut aynı işaretteki suçlamalar. Sürtünmeyi kullanarak bunu yapmak kolaydır.
Yani bir cam çubuk ipeğe sürtüldüğünde negatif yüklerinin bir kısmı ipeğe gider. Sonuç olarak çubuk pozitif, ipek ise negatif yüklü hale gelir. Ancak bir ebonit çubuğu yünle ovaladığınızda, negatif yüklerin bir kısmı yünden çubuğa aktarılır: çubuk negatif olarak yüklenir ve yün pozitif olarak yüklenir.
Cisimleri elektriklendirmenin bu yöntemine sürtünme yoluyla elektriklenme denir. Kafanızdaki kazağı her çıkardığınızda elektrik sürtünmesiyle karşılaşırsınız ;-)
Başka bir elektrifikasyon türü, elektrostatik indüksiyon veya etki yoluyla elektrifikasyon olarak adlandırılır. Bu durumda vücudun toplam yükü kalır. sıfıra eşit, ancak vücudun bazı kısımlarında pozitif yükler, diğerlerinde negatif yükler birikecek şekilde yeniden dağıtılır.
Pirinç. 2. Elektrostatik indüksiyon
Şek. 2. Metal gövdeden belli bir mesafede pozitif bir yük q vardır. Metalin negatif yüklerini çeker ( serbest elektronlar), vücut yüzeyinin yüke en yakın bölgelerinde birikir. Açık uzak alanlar telafi edilmemiş pozitif masraflar kalır.
Metal gövdenin toplam yükünün sıfıra eşit kalmasına rağmen vücutta uzaysal bir yük ayrımı meydana geldi. Şimdi bedeni noktalı çizgi boyunca bölersek, sağ yarısı negatif, sol yarısı ise pozitif yüklenecektir.
Bir elektroskop kullanarak vücudun elektriklenmesini gözlemleyebilirsiniz. Şekil 3'te basit bir elektroskop gösterilmektedir2.
Pirinç. 3. Elektroskop
Neler oluyor? bu durumda? Pozitif yüklü bir çubuk (örneğin önceden ovalanmış) elektroskop diskine getirilir ve üzerinde negatif yük toplanır. Aşağıda, elektroskopun hareketli yaprakları üzerinde telafi edilmemiş pozitif yükler kalır; yapraklar birbirinden uzaklaşarak birbirinden uzaklaşır farklı taraflar. Çubuğu çıkarırsanız yükler yerlerine geri dönecek ve yapraklar geriye düşecektir.
fenomen elektrostatik indüksiyon fırtınalar sırasında büyük ölçekte gözlemlendi. Şek. 4 Dünyanın üzerinden geçen bir fırtına bulutu görüyoruz3.
Pirinç. 4. Dünyanın bir fırtına bulutu tarafından elektrifikasyonu
Bulutun içinde buz parçaları var farklı boyutlar Yükselen hava akımlarıyla karışan gazlar birbirleriyle çarpışarak elektrikleniyor. Bulutun altında negatif bir yükün, tepesinde ise pozitif bir yükün biriktiği ortaya çıktı.
Negatif yüklü alt kısım Bulutlar, altlarındaki dünyanın yüzeyinde pozitif yüklerin oluşmasına neden olur. Devasa gerilime sahip dev bir kapasitör ortaya çıkıyor
2 Resim en.wikipedia.org'dan.
3 Elementy.ru'dan resim.
bulutla yer arasında. Eğer bu voltaj hava boşluğunu kırmaya yeterliyse o zaman iyi bilinen yıldırım deşarjı meydana gelecektir.
1.3 Yükün korunumu kanunu
Bir çubuğun bir bezle sürtülmesiyle sürtünme yoluyla elektriklenme örneğine dönelim. Bu durumda çubuk ve kumaş parçası büyüklükleri eşit ve zıt işaretli yükler alırlar. Toplam yükleri etkileşimden önce sıfıra eşitti ve etkileşimden sonra da sıfıra eşit kaldı.
Burada yükün korunumu yasasını görüyoruz: Kapalı bir cisimler sisteminde, bu cisimlerde meydana gelen herhangi bir işlem sırasında yüklerin cebirsel toplamı değişmeden kalır:
q1 + q2 + : : : + qn = sabit:
Bir cisimler sisteminin kapalılığı, bu cisimlerin yalnızca kendi aralarında yük alışverişinde bulunabileceği, ancak bu sistemin dışındaki herhangi bir nesneyle yük alışverişinde bulunamayacağı anlamına gelir.
Bir çubuğu elektriklendirirken, yükün korunmasında şaşırtıcı bir şey yoktur: yüklü parçacıkların çoğu çubuktan ayrılırken, kumaş parçasına gelenlerin sayısı da artar (veya tam tersi). Şaşırtıcı olan şu ki, daha fazlası karmaşık süreçler Temel parçacıkların karşılıklı dönüşümleri ve sistemdeki yüklü parçacıkların sayısındaki değişiklik ile birlikte toplam yük hala korunur!
Örneğin, Şekil 2'de. 5 süreci gösteriyor! e + e+ , burada kısım elektromanyetik radyasyon(foton adı verilen) iki yüklü parçacığa, elektron e ve pozitron e+'ya dönüşür. Böyle bir sürecin belirli koşullar altında, örneğin atom çekirdeğinin elektrik alanında mümkün olduğu ortaya çıktı.
Pirinç. 5. Bir elektron-pozitron çiftinin doğuşu
Pozitronun yükü elektronun yüküne büyüklük olarak eşit ve işaret olarak zıttır. Yükün korunumu yasası yerine getirildi! Aslında sürecin başında yükü sıfır olan bir fotonumuz vardı ve sonunda toplam yükü sıfır olan iki parçacık elde ettik.
Yükün korunumu yasası (en küçük varlığın varlığıyla birlikte) temel yük) şu anda birincil bilimsel gerçek. Fizikçiler doğanın neden bu şekilde davrandığını ve başka türlü davranmadığını henüz açıklayamadılar. Ancak bu gerçeklerin çok sayıda fiziksel deneyle doğrulandığını söyleyebiliriz.