Физика. Контрольная работа 1 Механика
 Скачать 213.44 Kb.
|
Вопросы для самоконтроля № 5, 7, 10, 11.Пояснение. Если конденсатор отключен - это изолированная система, для которой выполняется закон сохранения заряда. Если конденсатор подключен к источнику, то напряжение на нем не изменяется. Вопрос 5. Плотность заряда — количество электрического заряда, приходящееся на единицу длины, площади или объёма. Таким образом определяются линейная, поверхностная и объёмная плотности заряда, которые в системе СИ измеряются в кулонах на метр (Кл/м), в кулонах на квадратный метр (Кл/м²) и в кулонах на кубический метр (Кл/м³), соответственно. Вопрос 7. Существо поляризации большинства диэлектриков состоит в возникновении электрического (дипольного) момента в объёме диэлектрика вследствие перемещения связанных электрических зарядов (зарядов, связанных в атомах, молекулах, кристаллической решетке) под действием внешнего электрического поля [2, С.169]. Объясним этот механизм поляризации на примере поляризации атома. Перед приложением внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды в атоме распределены так, что внешне атом проявляет себя как электрически нейтральный. Центры тяжести положительных и отрицательных зарядов при этом совпадают. При воздействии внешнего электрического поля симметрия в распределении зарядов нарушается, возникает индуцированный электрический момент. Центр тяжести положительных зарядов при этом смещается в направлении напряженности внешнего поля, а центр тяжести отрицательных зарядов в противоположном направлении. Такой механизм поляризации называется электронной поляризацией. Смещение центра тяжести отрицательных зарядов пропорционально напряженности внешнего поля. Проследим, как этот механизм проявляется на временной зависимости электрического тока поляризации в течение одного периода (рисунок 4.1). В первой четверти периода напряженность внешнего поля непрерывно возрастает и в момент t = T/4 достигает максимума. Тотчас после приложения поля центр тяжести отрицательных зарядов отклонится и через диэлектрик потечет относительно большой ток. При дальнейшем возрастании напряженности поля смещение центра тяжести хотя и увеличивается, но все медленнее, так как поле должно преодолевать все большие упругие силы. Поэтому ток постепенно уменьшается. При t = T/4 ток становится равным нулю и смещение электронов против направления напряженности внешнего поля заканчивается. С этого момента направление движения электронов изменится, так как упругие силы связи стремятся возвратить их в исходное положение. Поэтому при уменьшении напряженности внешнего поля ток течет в обратном направлении и постепенно увеличивается. При t = T/2 центры тяжести зарядов находятся в исходном положении. Во втором полупериоде процесс повторяется с той разницей, что заряды смещаются в направлении, обратном направлению их смещения в первом полупериоде. Этот процесс периодически повторяется.  Рисунок 4.1 - Изменение во времени электрического тока поляризации диэлектрика с электронной поляризацией Время, в течение которого заряды в атомах способны реагировать на внешнее поле, очень мало и имеет порядок 10 -15 с, то есть реакция почти мгновенна, поэтому вектор тока опережает вектор напряжения на90°. При других типах поляризации это время больше, так как механизм поляризации является иным. Часто речь идет о смещении более тяжелых частиц, встречающих сопротивление среды. В таких случаях опережение вектора тока по отношению к вектору напряжения меньше 90°. Каким бы ни был физический механизм при различных типах поляризации, внешне поляризация проявляется всегда одинаково, т. е. как нарушение симметрии распределения электрических зарядов в диэлектрике. Заряды противоположных знаков, смещенные внешним полем со своих равновесных положений, образуют электрические диполи, поле которых действует навстречу причине их возникновения и способно скомпенсировать часть внешнего электрического поля. Поле диполей связывает часть зарядов на электродах. В общем случае электрическая поляризация представляет собой комплекс явлений, связанных с различными механизмами поляризации и происходящих на микроскопическом уровне. Основным механизмом поляризации можно считать упругое смещение частиц в диэлектрике. Поляризация такого типа называется упругой. При упругом смещении электронов в атомах говорят об упругой электронной поляризации. При взаимно упругом смещении противоположно заряженных ионов в кристаллической решетке ионных кристаллов говорят об упругой ионной поляризации. В случае упругого смещения противоположно заряженных частиц в молекуле с постоянным дипольным моментом, говорят об упругой дипольной поляризации. Общим признаком таких механизмов поляризации является то, что поляризация происходит очень быстро и без потерь. Может случиться, что индуцированный электрический момент возникает в результате смещения слабосвязанных частиц (электронов или ионов), которые не связаны упругими силами, или в результате ориентации постоянных диполей в направлении внешнего поля. Реакция этих частиц на изменения внешнего поля уже не такая быстрая, как в случае поляризации упругого типа. После исчезновения внешнего поля частицы возвращаются в исходное положение не мгновенно, а через определенное время, и не под действием упругих сил связи, а в результате хаотического теплового движения. Такие механизмы поляризации называются релаксационными и характерны тем, что сопровождаются потерями электрической энергии и сильно зависят от интенсивности теплового движения, т. е. от температуры. К этим основным механизмам поляризации в некоторых специальных случаях добавляются особые типы поляризации миграционная и спонтанная. Миграционная поляризация заключается в возникновении индуцированного дипольного момента вследствие смещения свободных зарядов, которые не имеют возможности нейтрализации на электродах. Такие заряды концентрируются под действием внешнего поля на блокирующих барьерах различного характера и образуют пространственные заряды, поле которых внешне проявляет себя как поляризация особого вида. Это типично для неоднородных диэлектриков. Спонтанная поляризация заключается в ориентации спонтанно (самопроизвольно) образовавшихся электрических моментов в направлении внешнего электрического поля. Это типично для сегнетоэлектриков. Оба особых типа поляризации имеют нелинейный характер. О релаксационном характере поляризации можно говорить в узком и широком смысле. В узком смысле релаксационной поляризацией считается такая поляризация, при которой зависимость поляризованности от времени после приложения или снятия внешнего постоянного поля имеет экспоненциальный характер. После приложения поля поляризованность растет во времени. После снятия внешнего поля релаксационная поляризованность уменьшается. Важным параметром процесса релаксационной поляризации является постоянная времени Т. Она равна времени, за которое релаксационная поляризованность после снятия электрического поля уменьшается до 1/е, то есть приблизительно до 37% первоначального уровня. Неполярными считаются такие диэлектрики, частицы которых не имеют постоянного дипольного момента и у которых могут возникать только индуцированные дипольные моменты под действием внешнего электрического поля. Решающая роль в том, является ли молекула материала полярной или неполярной, принадлежит характеру химических связей и ориентации диполей. Если эти связи без дипольного момента, то есть чисто ковалентные, или если эти связи переходного типа с дипольными моментами, которые ориентированы так, что взаимно компенсируются; центры тяжести положительных и отрицательных зарядов в молекулах материала совпадают и материал является неполярным. На практике к неполярным материалам относят и такие полярные материалы, у которых полярность очень слабо выражена, то есть молекулы имеют лишь малый постоянный дипольный момент. К неполярным электроизоляционным материалам относятся полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол, парафин и др. Слабо полярным является нефтяное (минеральное) масло. Полярными считаются такие материалы, молекулы которых и без воздействия внешнего электрического поля имеют электрический момент (собственный, или постоянный, дипольный момент). Это молекулы, в которых отдельные атомы связаны полярными связями со взаимно не скомпенсированными дипольными моментами связей. К полярным материалам относятся целлюлоза, поливинилхлорид, хлорированные дифенилы и др. Поляризованность диэлектрика равна индуцированному диполь-моменту единицы объема диэлектрика, т. е является суммой элементарных дипольных моментов в единице объёма Способность диэлектрика к поляризации можно охарактеризовать тремя величинами - поляризуемостью, диэлектрической восприимчивостью и относительной диэлектрической проницаемостью. В технике чаще всего используется относительная диэлектрическая проницаемость. Поляризуемость связана с поляризованностью диэлектрика Р = NaE (4.1) где Р - поляризованность; N - концентрация индуцированных диполей; a - поляризуемость; Е - напряженность постоянного электрического поля. Поляризация сводится к изменению пространственного положения заряженных материальных частиц диэлектрика, причем диэлектрик приобретает наведенный электрический момент, и в нем образуется электрический заряд. Если мы рассматриваем некоторый участок изоляции с электродами, к которым подается напряжение U, то заряд этого участка Q определяется выражением [14] Q=CU (4.2) Энергия электрического поля на том же участке изоляции A=1/2 CU . (4.3) В формулах (4.2) и (4.3) величина С есть ёмкость данного участка изоляции. Если в этих формулах напряжение U дается в вольтах, заряд Q в кулонах и энергия А в джоулях, то С должно выражаться также в единицах практической системы - фарадах (Ф). При параллельном соединении нескольких конденсаторов общая (эквивалентная), ёмкость СО их равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. Если же конденсаторы соединены друг с другом последовательно, то результирующая емкость есть арифметически складываются уже не ёмкости, а обратные емкостям величины отдельных конденсаторов. Емкость изоляции зависит как от материала (диэлектрика), так и от геометрических размеров и конфигурации изоляции. Способность данного диэлектрика образовывать электрическую ёмкость называется его диэлектрической проницаемостью (другие наименования: диэлектрическая постоянная, диэлектрический коэффициент - нестандартны) и обозначается e. Величина e пустоты принимается за единицу. Пусть С0 - емкость вакуумного конденсатора произвольной формы и размеров. Если, не меняя размеров, формы 72 Tcи взаимного расположения обкладок конденсатора, заполнить пространство между его обкладками материалом с диэлектрической проницаемостью e , то емкость конденсатора увеличится и достигнет значения 0 С = e С (4.4) Таким образом, диэлектрическая проницаемость какого-либо вещества есть число, показывающее, во сколько раз увеличится емкость вакуумного конденсатора, если мы, не меняя размеров и формы электродов конденсатора, заполним пространство между электродами данным веществом. Ёмкость конденсатора данных геометрических размеров и формы прямо пропорциональна e диэлектрика, а для цилиндрического конденсатора с радиусами внутреннего н внешнего электродов, соответственно, r1, r2 и длиной электродов l. [2, С.174]. Вопрос 10. Электроёмкостью конденсатора называют физическую величину, численно равную отношению заряда, одного из проводников конденсатора к разности потенциалов между его обкладками. Под зарядом конденсатора понимают модуль заряда одной из его обкладок. Последовательное соединение – электрическая цепь не имеет разветвлений. Вопрос 11. Плотность энергии электромагнитного поля является суммой плотностей энергий электрического и магнитного полей. В системе СИ: u = E ⋅ D 2 + B ⋅ H 2. {\displaystyle u={\frac {\mathbf {E} \cdot \mathbf {D}}{2}}+{\frac {\mathbf {B} \cdot \mathbf {H}}{2}}.}
КОНТРОЛЬНАЯРАБОТА№4 МАГНИТНОЕПОЛЕ.ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯИНДУКЦИЯ ЗАДАЧА 4 Проволочная рамка площадью S равномерно вращается с частотой ν в однородном магнитном поле, индукция которого B . Ось вращения лежит в плоскости рамки и перпендикулярна вектору индукции магнитного поля. Найдите максимальный магнитный поток сквозь плоскость рамки и максимальную ЭДС индукции, возникающей в рамке при ее вращении. Постройте графики зависимости магнитного потока и ЭДС индукции от времени. Данные для каждого варианта приведены в таблице.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Т.к.
)
