ФИЗИКА. Электромагнетизм

• Название: Электромагнетизм
• Дата: 04.05.2023
• Размер: 2.73 Mb.
• Имя файла: ФИЗИКА.docx
• Тип: Закон; #1107384
• страница: 1 из 5

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

01. Электромагнитная индукция – это явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Правило Ленца (принцип Ле Шателье)

Индукционный ток всегда имеет такой направление, что он ослабляет действие причины, возбуждающий этот ток.

Возьмем в магнитном поле замкнутый проволочный виток, положительное направление обхода которого составляет с направлением поля правовинтовую систему. Допустим, что магнитный поток Ф возрастает. Тогда, согласно формуле  , величина   будет отрицательна, а индукционный ток в витке потечет в отрицательном направлении. Такой ток, ослабляя внешнее магнитное поле, будет препятствовать возрастанию магнитного потока.

Пусть теперь магнитный поток Ф убывает. Тогда величина   станет положительной, а индукционный ток в витке потечет в положительном направлении и будет препятствовать убыванию магнитного поля и магнитного потока.



Закон Фарадея: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром. Ɛi — ЭДС индукции [В] ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]

02. Индуктивность — это величина, равная ЭДС самоиндукции при изменении силы тока в проводнике на 1 А за 1 с.

Явление самоиндукции заключается в появлении ЭДС индукции в самом проводнике при изменении тока в нем, частный случай электромагнитной индукции. Примером явления самоиндукции является опыт с двумя лампочками, подключенными параллельно через ключ к источнику тока, одна из которых подключается через катушку (рис. 27). При замыкании ключа лампочка 2, включенная через катушку,

Практическое использование явления электромагнитной индукции

1. 
   
   
   Генераторы переменного тока  – устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока. Пусть рамка площадью S, вращается в однородном магнитном поле   равномерно с угловой скоростью  . Магнитный поток пронизывающий рамку меняется по гармоническому закону:
   

где   – угол поворота рамки в момент времени t.

Согласно закону Фарадея-Максвелла в обмотке наводится электродвижущая сила индукции, которая определяется следующим образом:

где     - максимальное значение ЭДС индукции,

N – число витков в обмотке.



3. Переменный ток - это электрический ток, который изменяемся с течением времени по гармоническому закону I = I₀ sin(ωt + φ).

Резистор в цепи переменного тока U=U(m)coswt

Значение силы переменного тока I=I(t)/ √2 

Активное сопротивление-это сопротивление электрической цепи или ее участка ,обусловливающее превращение эл. энергии в другие виды энергии

4.Конденсатор в цепи переменного тока

Ёмкостное сопротивление Xc=Umax/Imax L=I/CW

Ёмкостное сопротивление - величина, характеризующая сопротивление,



оказываемое переменному току электрической ёмкостью цепи (или её участка). Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то в цепи возникает кратковременный импульс тока, который заряжает конденсатор до напряжения источника, а затем ток прекращается. Если заряженный конденсатор отключить от источника постоянного тока и соединить его обкладки с выводами лампы накаливания, то конденсатор будет разряжаться, при этом наблюдается кратковременная вспышка лампы. 

5. В катушке индуктивности, включенной в цепь переменного тока, создается сопротивление прохождению тока. Но так как такое сопротивление вызывается индуктивностью катушки, то и называется оно индуктивным сопротивлением. XL=Umax/Imax -индуктивное сопротивление

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока имеет нулевое сопротивление при моделировании.

6.По гипотезе Максвелла:всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле  , которое и является причиной возникновения индукционного тока в контуре. Контур является лишь прибором, обнаруживающим это электрическое поле.

Циркуляция вектора напряженности вихревого электрического поля. Циркуляция вектора напряженности  вихревого электрического поля вдоль замкнутого контура L равна ЭДС электромагнитной индукции: Это выражение – первое уравнение Максвелла, где знак частной производной подчеркивает тот факт, что интеграл  является функцией только времени.

Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и появляющимся магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение ток смещения. Изменяющееся электрическое поле создает ток смещения, которое порождает магнитное поле.

Второе уравнение Максвелла базируется на законе электромагнитной ин­дукции Фарадея, который формулируется следующим образом: если замкнутый контур пронизывает переменное магнитное поле, то в контуре возникает электродвижущая сила (ЭДС), равная скорости изменения магнитного потока:

7. 1.  . (5.9)

Циркуляция вектора  по любому контуруL равна со знаком минус производной по времени от магнитного потока через любую поверхность, ограниченную контуром.

При этом под вектором  понимается не только вихревое электрическое поле, но и электростатическое.

Уравнение (5.9) выражает закон электромагнитной индукции Фарадея.

Переменное магнитное поле возбуждает переменное электрическое поле.

2.  . (5.10)

Циркуляция вектора  по любому замкнутому контуруL равна полному току через произвольную поверхность, ограниченную контуром.

Вихревое электрическое поле возбуждает вихревое магнитное поле.

Уравнение (5.10) выражает закон полного тока.

3.  . (5.11)

Поток вектора  сквозь любую замкнутую поверхность равен алгебраической сумме сторонних зарядов, охватываемых этой поверхностью, т. е. выражает теорему Гаусса.

4.  . (5.12)

Поток вектора  сквозь произвольную замкнутую поверхность равен нулю.

Таким образом, уравнения Максвелла описывают единое электромагнитное поле.

Для стационарных полей ( =const,  =const) уравнения Максвелла образуют две группы независимых уравнений: для электростатического поля

; (5.13)

для магнитного поля

. (5.14)

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ- это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля. Любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.

Источниками электромагнитного поля могут быть:

- движущийся магнит;

- электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ- это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды.



Свойства электромагнитных волн:

-распространяются не только в веществе, но и в вакууме;

- распространяются в вакууме со скоростью света ( С = 300 000 км/c);

- это поперечные волны;

- это бегущие волны (переносят энергию).

Скорость света – абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме.

Скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

Абсолютный показатель преломления света - отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в заданной среде. Абсолютный показатель преломления света показывает изменение скорости света при переходе в вакуум. где λ₀— длина волны в вакууме; λ — длина волны в диэлектрике; ε— относительные диэлектрическая и μ - магнитная проницаемость диэлектрика. Существенной особенностью АПП является его зависимость от длины волны.

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

8. Законы геометрической оптики

Закон прямолинейного распространения света. В оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно, о чем свидетельствуют резкие границы теней от непрозрачных предметов при их освещении светом удаленных точечных источников. Этот закон нарушается только при прохождении света через очень маленькие отверстия (об этом речь пойдет позже).

Закон независимости световых пучков. Если на предмет действуют несколько пучков света, то эффект, производимый каждым из них, не зависит от наличия или отсутствия других пучков.

Если свет под некоторым углом падает на границу раздела двух прозрачных оптических сред, то падающий луч I разделяется на два луча: отраженный II и преломленный III. Направления распространения отраженного и преломленного лучей задаются законами отражения и преломления света.

Закон отражения света: отраженный и падающий лучи, а также перпендикуляр, восстановленный к границе раздела сред в точке падения, лежат в одной плоскости, а угол i1′ отражения равен углу i1 падения: i1′ = i1.

Закон преломления: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр, проведенный к границе раздела сред в точке падения, лежат в одной плоскости, а отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред:

sini₁/sini₂ = n₂₁,

где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой, который равен отношению их абсолютных (когда в качестве первой среды рассматривается вакуум или воздух) показателей преломления:

n₂₁ = n₂/n₁.

Полное отражение света

Полное отражение света - явление, при котором луч, падающий на границу раздела двух сред, полностью отражается, не проникая во вторую среду.

Полное отражение света происходит при углах падения света на границу раздела сред, превышающих предельный угол полного отражения при распространении света из оптически более плотной среды в среду менее оптически плотную.



При обратном ходе лучей, когда свет проходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, существует угол падения больший предельного угла φ, при котором преломленный свет будет полностью отражаться от границы раздела двух сред. Это явление называетсяполным внутренним отражением.На рис. 5 показано условие, при котором получается предельный угол и возникает полное внутреннее отражение.

9. Электромагнитная теория света

В конце XIX века английский физик Дж.К.Максвелл на основе своих уравнений создал единую электромагнитную тео­рию световых волн, согласно которой, свет – это множество электромагнитных волн. Электромагнитная волна – это распростра­няющееся в пространстве электромагнитное поле, которое ха­рактеризуется векторами напряженностей Еи Н электрического и магнитного полей. Согласно теории Максвелла, вектора Еи Нперпендику­лярны друг другу и направ­лению распро­странения волны, откуда следует, что электромагнит­ные волны по­перечны

Е = Е₀sin (ωt-kx+φ); H = H₀sin (ωt-kx+φ).- Волновое уравнение

Это уравнения плоской монохроматической электромаг­нитной волны, где Е₀ и Н₀ – амплитудные значения Е и Н, k = =ω/υ – волновое число, φ – начальная фаза колебания, х – рас­стояние, отсчитываемое вдоль направления распространения электромагнитной волны. Электромагнитная волна называется монохроматической, если в ней происходят колебания только одной частоты. Мгновенные значения Е и Н в любой точке про­странства связаны соотношением

,

где ε₀ и μ₀ – электрическая и магнитная постоянные, ε и μ – ди­электрическая и магнитная проницаемости среды. Колебания векторов Еи Н происходят синфазно, т.е. они одновременно об­ращаются в ноль и одновременно достигают максимальных зна­чений. Скорость распространения света в среде или фазовая скорость волны рассчитывается по формуле , гдес – скорость света в вакууме.

Оптический диапазон - Видимое излучение — электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 780 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. ...

Оптический диапазон ЭВМ:

- рентгеновский (от 0,01 до 5 нм)

- ультрафиолетовый УФ ( от 5 нм до 380 нм)

- видимый ( от 380 нм до 780 нм)

- инфракрасный ИК ( от 780 нм до 1 мм)

Видимые цвета:

Фиолетовый 380 / 450

Синий 450 / 480

Голубой 480 / 510

Зеленый 510 / 550

Желто – зеленый 550 / 575

Желтый 575 / 585

Оранжевый 585 / 620

Красный 620 / 780

+Длины волн видимого диапазона. Видимый диапазон включает электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. Граница диапазона этих волн зависит от индивидуальных особенностей глаза и варьируется приблизительно в пределах