Обратите внимание! Формула заряда является следствием прямой зависимости напряженности электромагнитного поля от потенциала его частицы, что является основным правилом нахождения емкости заряженного конденсатора и величины энергии, накопленной в нём. Кроме того, вычислить количество заряда можно через силу Лоренца.
Основные формулыКак вычислять с помощью законов
Поскольку q и Q являются скалярными единицами, вычислить их с помощью законов можно через точные формулы, выведенные известными учеными-физиками. К примеру, в соответствии с законом Кулона, можно найти величину и силовое направление взаимодействия заряженных частиц между несколькими неподвижными телами.
Закон сохранения
Все элементарные частицы подразделяются на нейтральные или заряженные. Они вступают во взаимодействие друг с другом внутри электромагнитного поля. Частицы, которые имеют одноименный электрон, отталкиваются, а разноименный – притягиваются. В первом случае наблюдается избыток электронов, а во втором – их недостаток. Оба типа частиц заряжаются посредством электризации. На практике, при возникновении данного явления, заряженные частицы равны по модулю, несмотря на противоположность знаков. Когда разные частицы притягиваются, то между ними происходит электризация и сохранение электрона. При этом, сумма всех изолированных системных частиц не изменяется, то есть, q + q + q…= const.
Закон Кулона
Выше было сказано, что электрические заряженные микрочастицы бывают как положительными, так и отрицательными, а их наличие подтверждается силовым взаимодействием, которое с помощью экспериментов на весах описал в 1785 году О. Кулон, создав свой физико-математический закон.
Закон Кулона представляет собой физическую закономерность, которая описывает взаимодействие наэлектризованных частиц между не электризованными, в зависимости от промежутка между ними. В соответствии с этой формулировкой, чем больше электронов имеет частица, тем ближе она расположена к другой элементарной единице заряда, и, соответственно, сила возрастает.
В целом, электрический заряд представляет собой физическую скалярную величину, которая определяет способность тел являться источником электромагнитного поля и участвовать во взаимодействии с ним. Отыскать величину, которая обозначается буквами q и Q, для решения задач или для выполнения другой работы, можно через закон сохранения, Кулона и представленные выше основные физические формулы.
как найти q????формула по физики
опять впр задание 8 класс
Запишите паспортные данные потребителей электроэнергии в одной из комнат вашей квартиры и определите, на какую силу должны быть рассчитаны предохранит … ели в электрощитке, если все эти приборы включить одновременно. Нарисуйте схему включения приборов в комнате.
ВПР 8 класс нихера не понимаю
Маугли принимал у удава Каа зачёт по развороту на 180∘. Техника разворота такова: Каа, вытянувшись в линию, ползёт к Маугли со скоростью v1; как тольк … о голова удава касается ног мальчика, удав поворачивает её на 180∘ и начинает выполнять разворот; при этом голова Каа удаляется от Маугли со скоростью v2>v1, а хвост продолжает движение в прежнем направлении и с прежней скоростью. За какое время удав выполнит разворот? На каком расстоянии от ног мальчика окажется хвост удава сразу после выполнения разворота? Считайте, что длина L удава Каа во время разворота не меняется.
ВПР 8 класс помогите пожалуйста
9. Площадь малого поршня гидравлической машины 0,4 м2, площадь большого 40 м2. Определите выигрыш в силе, который дает гидравлическая машина.
Помогите пожалуйста! Очень срочно, завтра уже будет поздно! (КРАСНЫМ ЦВЕТОМ, подчёркнута ВАЖНАЯ информация!)
1. Какова несущая частота телевизионного
… сигнала, передающего на волне длиной 3 м? Скорость распространения электромагнитных волн [tex]c[/tex] = 3 ⋅ 108 м/с.
Помогите пожалуйста! Очень срочно, завтра уже будет поздно! 1. В системе отсчёта, относительно которой заряд совершает колебательные движения, существ … у (-ет, -ют): А) Только магнитное поле Б) Только электрическое поле В) Постоянное электрическое и магнитное поля Г) Переменное электромагнитное поле 2. Кто автор теории электромагнитного поля? А) Х. Эрстед Б) Г. Герц В) А. Ампер Г) Дж. К. Максвелл 3. На какую длину волны надо настроить радиоприёмник, чтобы слушать радиостанцию, которая вещает на частоте 105,5 МГц? Электромагнитная волна распространяется со скоростью [tex]c[/tex] = 3 ⋅ 108 м/с. А) 2,94 м Б) 2,84 мм В) 2,84 м Г) 3,5 м
срочно помогите, даю 44 балла
Плавающее тело вытесняет бензин объёмом 150 см³. Определи, какой объём воды будет вытеснять это тело.(Принять плотность ρбензин=700 кг/м³).Ответ: тело … будет вытеснять см³ воды.
Формула количества теплоты в физике
Содержание:
Определение и формула количества теплоты
Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить двумя способами:
- совершая над системой работу,
- при помощи теплового взаимодействия.
Передача тепла телу не связана с совершением над телом макроскопической работы. В данном случае изменение внутренней энергии вызвано тем, что отдельные молекулы тела с большей температурой совершают работу над некоторыми молекулами тела, которое имеет меньшую температуру. В этом случае тепловое взаимодействие реализуется за счет теплопроводности. Передача энергии также возможна при помощи излучения. Система микроскопических процессов (относящихся не ко всему телу, а к отдельным молекулам) называется теплопередачей. Количество энергии, которое передается от одного тела к другому в результате теплопередачи, определяется количеством теплоты, которое предано от одного тела другому.
Определение
Теплотой называют энергию, которая получается (или отдается) телом в процессе теплообмена с окружающими телами (средой).
Обозначается теплота, обычно буквой Q.
Это одна из основных величин в термодинамике. Теплота включена в математические выражения первого и второго начал термодинамики. Говорят, что теплота – это энергия в форме молекулярного движения.
Теплота может сообщаться системе (телу), а может забираться от нее. Считают, что если тепло сообщается системе, то оно положительно.
Формула расчета теплоты при изменении температуры
Элементарное количество теплоты обозначим как $\delta Q$. Обратим внимание, что элемент тепла, которое получает (отдает) система при малом изменении ее состояния не является полным дифференциалом. Причина этого состоит в том, что теплота является функцией процесса изменения состояния системы.
Элементарное количество тепла, которое сообщается системе, и температура при этом меняется от Tдо T+dT, равно:
$$\delta Q=C d T(1)$$где C – теплоемкость тела. Если рассматриваемое тело однородно, то формулу (1) для количества теплоты можно представить как:
$$\delta Q=c m d T=\nu c_{\mu} d T(2)$$где $c=\frac{C}{m}$ – удельная теплоемкость тела, m – масса тела, $c_{\mu}=c \cdot \mu$ – молярная теплоемкость, $\mu$ – молярная масса вещества, $\nu=\frac{m}{\mu}$ – число молей вещества.
Если тело однородно, а теплоемкость считают независимой от температуры, то количество теплоты ($\Delta Q$), которое получает тело при увеличении его температуры на величину $\Delta t = t_2 – t_1$ можно вычислить как:
$$\Delta Q=c m \Delta t(3)$$где t2, t1 температуры тела до нагрева и после. Обратите внимание, что температуры при нахождении разности ($\Delta t$) в расчетах можно подставлять как в градусах Цельсия, так и в кельвинах.
Формула количества теплоты при фазовых переходах
Переход от одной фазы вещества в другую сопровождается поглощением или выделением некоторого количества теплоты, которая носит название теплоты фазового перехода.
Так, для перевода элемента вещества из состояния твердого тела в жидкость ему следует сообщить количество теплоты ($\delta Q$) равное:
$$\delta Q=\lambda d m$$где $\lambda$ – удельная теплота плавления, dm – элемент массы тела.
При этом следует учесть, что тело должно иметь температуру, равную температуре плавления рассматриваемого вещества.
При кристаллизации происходит выделение тепла равного (4).
Количество теплоты (теплота испарения), которое необходимо для перевода жидкости в пар можно найти как:
$$\delta Q=r d m$$где r – удельная теплота испарения. При конденсации пара теплота выделяется. Теплота испарения равна теплоте конденсации одинаковых масс вещества.
Единицы измерения количества теплоты
Основной единицей измерения количества теплоты в системе СИ является: [Q]=Дж
Внесистемная единица теплоты, которая часто встречается в технических расчетах. [Q]=кал (калория). 1 кал=4,1868 Дж.
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какие объемы воды следует смешать, чтобы получить 200 л воды при температуре t=40С, если температура одной массы воды t1=10С, второй массы воды t2=60С?
Решение. Запишем уравнение теплового баланса в виде:
$$Q=Q_{1}+Q_{2}(1.1)$$где Q=cmt – количество теплоты приготовленной после смешивания воды; Q1=cm1t1 – количество теплоты части воды температурой t1 и массой m1; Q2=cm2t2– количество теплоты части воды температурой t 2 и массой m2.
Из уравнения (1.1) следует:
$$ \begin{array}{l} \mathrm{cmt}=\mathrm{cm}_{1} t_{1}+\mathrm{~cm}_{2} t_{2} \rightarrow \mathrm{mt}=\mathrm{m}_{1} t_{1}+\mathrm{~m}_{2} t_{2} \rightarrow \\ \rightarrow \rho \mathrm{Vt}=\rho V_{1} t_{1}+\rho \mathrm{V}_{2} t_{2} \rightarrow \mathrm{Vt}=V_{1} t_{1}+V_{2} t_{2}(1.2) \end{array} $$При объединении холодной (V1) и горячей (V2) частей воды в единый объем (V) можно принять то, что:
$$$ V=V_{1}+V_{2}(1.3) $$$Так, мы получаем систему уравнений:
$$ \left\{\begin{array}{c} V t=V_{1} t_{1}+V_{2} t_{2} \\ V=V_{1}+V_{2} \end{array}\right.
{2}-A v t\right) \rightarrow C_{2}=\frac{\varepsilon \varepsilon_{0}(A v t)}{d}(2.4)$$где $\varepsilon_{0}$ – электрическая постоянная, переменной величиной при погружении системы в керосин является площадь обкладок S:
Из выражений (2.4), (2.5) и условий задачи имеем:
$$d C=d C_{1}+d C_{2}=\frac{\varepsilon \varepsilon_{0} A v d t}{d}-\frac{\varepsilon_{0}}{d} A v d t(2.6)$$Тогда подставив dC в формулу для силы тока (2.1) получаем:
$$I=U\left(\frac{\varepsilon \varepsilon_{0} A v}{d}-\frac{\varepsilon_{0}}{d} A v\right)=\frac{\varepsilon_{0} U A v}{d}(\varepsilon-1)$$Ответ. $I=\frac{\varepsilon_{0} U A v}{d}(\varepsilon-1)$
Читать дальше: Формула силы.
Закон Ома простыми словами | boeffblog.ru
Закон Ома был придуман… (как Вы думаете кем?). Правильно! Этот закон является основой такого раздела физики как электричество. Основными физическими величинами в разделе “Электричество” являются напряжение, сопротивление и сила тока.
Электрический ток – это то явление, без которого невозможно заставить даже лампочку светиться, не говоря о компьютерах, телефонах и прочей электронике. “Ток – это то, что течет по проводам” (Цитата одного знакомого школьника). И ведь с этим не поспоришь!!! Ток представляет собой направленное движение заряженных частиц (в основном электронов, если рассматривать металлический проводник, из которого делают провода). Чтобы измерить величину тока ввели понятие “силы тока”, но, несмотря на название, это не сила (которая в Ньютонах), а количество заряженных частиц, которые проходят через поперечное сечение проводника за одну секунду. Поэтому формула для силы тока: I = q/t, измеряется в Амперах. В этой формуле q – заряд, проходящий через проводник (измеряется в Кулонах), t – время, за которое этот заряд прошел (измеряется в секундах).
Напряжение – с физической точки зрения – это работа, которая тратится для перемещения заряда от одного конца проводника к другому.
Измеряется оно в Вольтах (220 Вольт в розетке, запомните как ассоциацию). Формула выглядит так: U = A/q. В этой формуле A – работа по перемещению заряда (в Джоулях), q – заряд, который был перемещен (измеряется в Кулонах). Простыми словами, напряжение – это то, что заставляет ток течь по проводам в нужную сторону.
И, наконец, сопротивление – это особенность материала, из которого сделан проводник, которая затрудняет прохождение по нему электрического тока (заряженных частиц, то есть электронов). Наибольшим сопротивлением обладают материалы, которые не проводят ток (логично!), например резина или дерево, а наименьшим сопротивлением обладают металлы (поэтому из них делают провода). Есть еще материалы, в которых вообще отсутствует электрическое сопротивление, их называют сверхпроводники. Еще сопротивление зависит от геометрических размеров проводника (его длины и площади поперечного сечения). Чем больше длина, тем больше сопротивление, чем меньше толщина (площадь поперечного сечения), тем сопротивление, также, меньше. Если записать в виде формулы, то получим: R = ρ*l/S, сопротивление измеряется в Омах (ρ – удельное сопротивление материала проводника, l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения).
Таким образом, мы имеем следующее: напряжение толкает электроны по проводам, а сопротивление мешает ему это сделать. Мы как раз разобрали суть закона Ома. Сила тока будет большая, если будет большое напряжение, а, если будет большое сопротивление, то сила тока, соответственно, будет маленькая. А в виде формулы это выглядит так: I = U/R. Это и есть закон Ома.
Формулы по физике
Уравнение скорости при равноускоренном движении υ=υ0+a∙t
Ускорение a=(υ–υ 0)/t
Скорость при движении по окружности υ=2πR/Т
Центростремительное ускорение a=υ2/R
Связь периода с частотой ν=1/T=ω/2π
II закон Ньютона F=ma
Закон Гука Fy=-kx
Закон Всемирного тяготения F=G∙M∙m/R2
Вес тела, движущегося с ускорением а↑ Р=m(g+a)
Вес тела, движущегося с ускорением а↓ Р=m(g-a)
Сила трения Fтр=µN
Импульс тела p=mυ
Импульс силы Ft=∆p
Момент силы M=F∙ℓ
Потенциальная энергия тела, поднятого над землей Eп=mgh
Потенциальная энергия упруго деформированного тела Eп=kx2/2
Кинетическая энергия тела Ek=mυ2/2
Работа A=F∙S∙cosα
Мощность N=A/t=F∙υ
Коэффициент полезного действия η=Aп/Аз
Период колебаний математического маятника T=2π√ℓ/g
Период колебаний пружинного маятника T=2 π √m/k
Уравнение гармонических колебаний Х=Хmax∙cos ωt
Связь длины волны, ее скорости и периода λ= υТ
Количество вещества ν=N/ Na
Молярная масса М=m/ν
Cр.
кин. энергия молекул одноатомного газа
Ek=3/2∙kT
Основное уравнение МКТ P=nkT=1/3nm0υ2
Закон Гей – Люссака (изобарный процесс) V/T =const
Закон Шарля (изохорный процесс) P/T =const
Относительная влажность φ=P/P0∙100%
Внутр. энергия идеал. одноатомного газа U=3/2∙M/µ∙RT
Работа газа A=P∙ΔV
Закон Бойля – Мариотта (изотермический процесс) PV=const
Количество теплоты при нагревании Q=Cm(T2-T1)
Количество теплоты при плавлении Q=λm
Количество теплоты при парообразовании Q=Lm
Количество теплоты при сгорании топлива Q=qm
Уравнение состояния идеального газа PV=m/M∙RT
Первый закон термодинамики ΔU=A+Q
КПД тепловых двигателей η= (Q1 – Q2)/ Q1
КПД идеал. двигателей (цикл Карно) η= (Т1 – Т2)/ Т1
Закон Кулона F=k∙q1∙q2/R2
Напряженность электрического поля E=F/q
Напряженность эл. поля точечного заряда E=k∙q/R2
Поверхностная плотность зарядов σ = q/S
Напряженность эл. поля бесконечной плоскости E=2πkσ
Диэлектрическая проницаемость ε=E0/E
Потенциальная энергия взаимод. зарядов W= k∙q1q2/R
Потенциал φ=W/q
Потенциал точечного заряда φ=k∙q/R
Напряжение U=A/q
Для однородного электрического поля U=E∙d
Электроемкость C=q/U
Электроемкость плоского конденсатора C=S∙ε∙ε0/d
Энергия заряженного конденсатора W=qU/2=q²/2С=CU²/2
Сила тока I=q/t
Сопротивление проводника R=ρ∙ℓ/S
Закон Ома для участка цепи I=U/R
Законы послед.
соединения I1=I2=I,
U1+U2=U,
R1+R2=R
Законы паралл. соед. U1=U2=U, I1+I2=I, 1/R1+1/R2=1/R
Мощность электрического тока P=I∙U
Закон Джоуля-Ленца Q=I2Rt
Закон Ома для полной цепи I=ε/(R+r)
Ток короткого замыкания (R=0) I=ε/r
Вектор магнитной индукции B=Fmax/ℓ∙I
Сила Ампера Fa=IBℓsin α
Сила Лоренца Fл=Bqυsin α
Магнитный поток Ф=BSсos α Ф=LI
Закон электромагнитной индукции Ei=ΔФ/Δt
ЭДС индукции в движ проводнике Ei=Вℓυsinα
ЭДС самоиндукции Esi=-L∙ΔI/Δt
Энергия магнитного поля катушки Wм=LI2/2
Период колебаний кол. контура T=2π ∙√LC
Индуктивное сопротивление XL=ωL=2πLν
Емкостное сопротивление Xc=1/ωC
Действующее значение силы тока Iд=Imax/√2,
Действующее значение напряжения Uд=Umax/√2
Полное сопротивление Z=√(Xc-XL)2+R2
| ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ | |||
| Закон сохранения энергии | Qотд = Qприн | Количество теплоты, отданное одним телом другому, равно количеству теплоты, принятому вторым телом. | Q – количество теплоты, [Дж] |
| Формула вычисления количества теплоты | Q = cmΔt | Количество теплоты – физическая величина, показывающая, какая энергия передана телу в результате теплообмена. | Q – количество теплоты, [Дж] c – удельная теплоемкость – физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг для того, чтобы изменить его температуру на 1 °С, [Дж/кг°С] m – масса тела, [кг] Δt = t2 – ¬t1 – разность температур, [°С] |
| Формула вычисления количества теплоты при сгорании топлива | Q = qm | Топливо – вещество, которое в некоторых процессах выделяет тепло. | Q – количество теплоты, [Дж] q – удельная теплота сгорания топлива – физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, [Дж/кг] m – масса топлива, [кг] |
| Формула вычисления количества теплоты, необходимого для плавления вещества | Q = λm | Плавление – процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. | Q – количество теплоты, [Дж] λ – удельная теплота плавления – количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества, нагретому до температуры плавления, чтобы перевести его из твёрдого состояния в жидкое, [Дж/кг] m – масса вещества, [кг] |
| Формула вычисления количества теплоты при парообразовании и конденсации | Q = Lm | Парообразование – процесс превращения жидкости в пар. Конденсация – переход вещества в жидкое или твёрдое состояние из газообразного. | Q – количество теплоты, [Дж] L – удельная теплота парообразования и конденсации, [Дж/кг] m – масса вещества, [кг] |
| Формула вычисления абсолютной влажности | ρ=mпара/Vвоздуха | Абсолютная влажность воздуха – количество влаги, содержащейся в одном кубическом метре воздуха. | ρ – абсолютная влажность, [кг/м3] m – масса пара, [кг] V – объем воздуха, [м3] |
| Формула вычисления относительной влажности воздуха | φ=ρ/ρн∙100% | Относительная влажность воздуха – величина, показывающая насколько далек пар от насыщения. | φ – относительная влажность ρ – абсолютная влажность (плотность водяного пара), [кг/м3] ρн – плотность насыщенного пара при данной температуре, [кг/м3] |
| Формула для вычисления КПД тепловой машины | Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. | А – полезная работа, которую совершает рабочее тело, [Дж] Qн – количество теплоты, которое передал рабочему телу нагреватель, [Дж] Qх – количество теплоты, которое рабочее тело передало холодильнику, [Дж] | |
| ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ | |||
| Закон Ома для участка цепи | I=U/R | Закон Ома: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению. | I – сила тока, [А] U – напряжение, [В] R – сопротивление, [Ом] |
| Формула для вычисления удельного сопротивления проводника | R=ρ*L/S ρ=R*S/L | Удельное сопротивление – величина, характеризующая электрические свойства вещества, из которого изготовлен проводник. | ρ – удельное сопротивление вещества, [Ом·мм2/м] R – сопротивление, [Ом] S – площадь поперечного сечения проводника, [мм2] L – длина проводника, [м] |
| Законы последовательного соединения проводников | I = I1 = I2 | Последовательным соединением называется соединение, когда элементы идут друг за другом. | I – сила тока, [А] U – напряжение, [В] R – сопротивление, [Ом] |
| Законы параллельного соединения проводников | U = U1 = U2 I = I1 + I2 1/Rобщ=1/R1+1/R2 | Параллельным соединением проводников называется такое соединение, при котором начала и концы проводников соединяются вместе. | I – сила тока, [А] U – напряжение, [В] R – сопротивление, [Ом] |
| Формула для вычисления величины заряда. | q = It | Заряд – это есть произведение силы тока на время, в течение которого этот заряд протекает по проводнику. | q – заряд, [Кл] I – сила тока, [А] t – время, [c] |
Формула для нахождения работы электрического тока. | A = Uq A = UIt | Работа – это величина, которая характеризует превращение энергии из одного вида в другой, т.е. показывает, как энергия электрического тока, будет превращаться в другие виды энергии – механическую, тепловую и т. д. Работа электрического поля – это произведение электрического напряжения на заряд, протекающий по проводнику. Работа, совершаемая для перемещения электрического заряда в электрическом поле. | A – работа электрического тока, [Дж] U – напряжение на концах участка, [В] q – заряд, [Кл] I – сила тока, [А] t – время, [c] |
| Формула электрической мощности | P = A/t P = UI P = U2/R | Мощность – работа, выполненная в единицу времени. | P – электрическая мощность, [Вт] A – работа электрического тока, [Дж] t – время, [c] U – напряжение на концах участка, [В] I – сила тока, [А] R – сопротивление, [Ом] |
| Формула закона Джоуля-Ленца | Q=I2Rt | Закон Джоуля-Ленца: при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику. | Q – количество теплоты, [Дж] I – сила тока, [А]; t – время, [с]. R – сопротивление, [Ом]. |
| ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ | |||
| Правило правой руки | Расположим правую руку так, чтобы четыре согнутых пальца совпадали с направлением магнитных линий, тогда большой палец укажет направление тока в проводнике. Или Если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля тока. | ||
| Правило буравчика | Если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока. | ||
| СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ | |||
| Закон отражения света | Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости, при этом угол падения луча равен углу отражения луча. | ||
| Закон преломления | При увеличении угла падения увеличивается и угол преломления, то есть при угле падения, близком к 90°, преломлённый луч практически исчезает, а вся энергия падающего луча переходит в энергию отражённого. | n – показатель преломления одного вещества относительно другого | |
| Формула вычисления абсолютного показателя преломления вещества | n=c/v | Абсолютный показатель преломления вещества – величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде. | n – абсолютный показатель преломления вещества c – скорость света в вакууме, [м/с] v – скорость света в данной среде, [м/с] |
| Закон Снеллиуса | sinα/sinγ=v1/v2=n | Закон Снеллиуса (закон преломления света): отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная. | n – показатель преломления одного вещества относительно другого v – скорость света в данной среде, [м/с] |
| Показатель преломления среды | sinα/sinγ=n | Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная. | n – показатель преломления среды |
| Формула оптической силы линзы | D=1/F | Оптическая сила линзы – способность линзы преломлять лучи. | D – оптическая сила линзы, [дптр] F – фокусное расстояние линзы, [м] |
Электрический ток – Веб-формулы
Электрический ток определяется по формуле:I = В / R
Соответствующие единицы:
ампер (А) = вольт (В) / Ом (Ом)
Эта формула выводится из закона Ома .
Где у нас:
В: напряжение
I: ток
R: сопротивление
Если электрическая мощность и полное сопротивление известны, то ток можно определить по следующей формуле:
I = √ ( P / R )
Соответствующие единицы:
Ампер (А) = √ (Ватт (Вт) / Ом (Ом))
Где P – электрическая мощность.
Электрический ток
Скорость потока заряда через поперечное сечение некоторой области металлического провода (или электролита) называется током через эту область.
Если скорость потока заряда непостоянна, тогда ток в любой момент задается дифференциальным пределом: I = dQ / dt.
Если заряд Q проходит по цепи в течение времени t, то
I = Q / t.
Единица измерения тока S.I называется ампер (А) (кулон в секунду).
1 ампер = 6,25 × 10 8 электронов / сек
В металлических проводниках ток возникает из-за движения электронов, тогда как в электролитах и ионизированных газах как электроны, так и положительные ионы движутся в противоположном направлении. Направление тока принимается за направление движения положительных зарядов.
В проводимости, хотя ток возникает только за счет электронов, ранее предполагалось, что ток возникает из-за положительных зарядов, протекающих от положительного полюса батареи к отрицательному.Поэтому направление тока считается противоположным потоку электронов.
Если ток постоянный: Δq = I.Δt
функция времени:
Заряд = Площадь под графиком = ½ × t 0 × I 0
To Найти ток в электрической цепи
Для простой цепи или одиночного провода мы имеем:
Для сложной цепи с более чем одним проводом мы можем определить ток с помощью двух законов Кирхгофа
Первый закон: Этот закон основан на принципе сохранения заряда и утверждает, что в электрической цепи (или сети проводов) алгебраическая сумма токов, встречающихся в точке, равна нулю.
Стрелка, отмеченная на схеме, представляет направление обычного тока, то есть направление потока положительного заряда, тогда как направление потока электронов дает направление электронного тока, которое противоположно направлению обычного тока.
I 1 + I 4 + I 5 = I 3 + I 2 + I 6
Второй закон: Алгебраическая сумма произведения тока и сопротивление в любом замкнутом контуре цепи равно алгебраической сумме электродвижущих сил, действующих в этом контуре.
Математически.
Электродвижущие силы – ЭДС () источника определяется как работа, совершаемая на единицу заряда при прохождении положительного заряда через гнездо ЭДС от конца с низким потенциалом к концу с высоким потенциалом. Таким образом,
𝜖 = w / Q
Когда ток не течет, ЭДС источника в точности равна разности потенциалов между его концами. Единица ЭДС такая же, как и у потенциала, то есть вольт.
Средний поток электронов в проводнике, не подключенном к батарее, равен нулю, т.е. количество свободных электронов, пересекающих любой участок проводника слева направо, равно количеству электронов, пересекающих участок проводника справа налево. ток не течет по проводнику, пока он не будет подключен к батарее.
Скорость дрейфа свободных электронов в металлическом проводнике
В отсутствие электрического поля свободные электроны в металле беспорядочно вращаются во всех направлениях, поэтому их средняя скорость равна нулю.При приложении электрического поля они ускоряются в направлении, противоположном направлению поля, и поэтому имеют общий дрейф в этом направлении. Однако из-за частых столкновений с атомами их средняя скорость очень мала. Эта средняя скорость, с которой электроны движутся в проводнике под действием разности потенциалов, называется дрейфовой скоростью .
Если E – приложенное поле, e – заряд электрона, m – масса электрона и τ – временной интервал между последовательными столкновениями (время релаксации), то ускорение электрона составляет
Поскольку средняя скорость сразу после столкновения равна нулю, а непосредственно перед следующим столкновением это τ, скорость дрейфа должна быть:
Если I – ток через проводник и n – количество свободных электронов на единицу объема, тогда можно показать, что:
Подвижность µ носителя заряда определяется как скорость дрейфа на единицу электрического поля:
Плотность тока (J)
(i)
(ii) S.
I Единица J = Am -2 .
(iii) Плотность тока – это векторная величина, ее направление – это направление потока положительного заряда в данной точке внутри проводника.
(iv) Размеры плотности тока = [M 0 L -2 T o A 1 ]
Носители тока: заряженные частицы, поток которых в определенном направлении составляет электрический ток, являются носителями тока. . Носители тока могут иметь положительный или отрицательный заряд.Ток переносится электронами в проводниках, ионами в электролитах, электронами и дырками в полупроводниках.
Пример 1: Частица с зарядом q кулонов описывает круговую орбиту. Если радиус орбиты равен R, а частота орбитального движения частиц равна f, то найти ток на орбите.
Решение: Через любой участок орбиты заряд проходит f раз за одну секунду. Следовательно, через этот участок общий заряд, проходящий за одну секунду, равен fq.По определению i = fq.
Пример 2: Ток в проводе изменяется со временем в соответствии с уравнением I = 4 + 2t, где I – в амперах, а t – в секундах. Вычислите количество заряда, прошедшего через поперечное сечение провода за время от t = 2 с до t = 6 с.
Решение: Пусть dq будет изменением, которое произошло за небольшой интервал времени dt.
Тогда dq = I dt = (4 + 2t) dt
Следовательно, полный заряд, прошедший за интервал t = 2 с и t = 6, равен
q = ∫ 6 2 (4 + 2t) dt = 48 кулонов
Пример 3: Дан токоведущий провод неоднородного сечения.Что из следующего является постоянным по всей сети?
(a) Только ток
(b) Ток и скорость дрейфа
(c) Только скорость дрейфа
(d) Ток, скорость дрейфа
Решение : (a)
Пример4 : Когда разность потенциалов на данном медном проводе увеличивается, скорость дрейфа составляет
носители заряда:
(а) Уменьшается
(б) Увеличивается
(в) Остается прежним
(г) Уменьшается до нуля
Решение : (б)
youtube.com/v/lKc8Ta9Tx0M&hl=en_US&fs=1&color1=0x006699&color2=0x54abd6″ allowfullscreen=”true” allowscriptaccess=”always”>
Электрический Заряд – Веб-формулы
Электрический заряд определяется по формуле:Q = I ∙ т
Соответствующие единицы СИ:
кулон (Кл) = ампер (А) ∙ секунда (с)
Где I – электрический ток, а t – время (продолжительность).
- Электрический заряд – это фундаментальное свойство, такое как масса, длина и т. Д., Связанное с элементарными частицами, например электроном, протоном и многими другими.
- Электрический заряд – это свойство, отвечающее за электрические силы, которые действуют между ядром и электроном, связывая атом вместе.
- Начисления бывают двух видов
(i) отрицательный заряд
(ii) положительный заряд - Электроны – это отрицательно заряженные частицы, а протоны, из которых состоит ядро, – положительно заряженные частицы.На самом деле ядро состоит из протонов и нейтронов, но нейтроны – это незаряженные частицы.
- Электрическая сила между двумя электронами такая же, как электрическая сила между двумя протонами, находящимися на одинаковом расстоянии друг от друга i. е., оба набора отталкивают друг друга, но электрическая сила между электроном и протоном, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга, по своей природе не отталкивающая, а притягивающая.
(а) Одинаковые заряды отталкиваются друг от друга(б) Разные заряды притягиваются друг к другу
- Назначение отрицательного заряда электрона и положительного заряда протона чисто условное; это не означает, что заряд электрона меньше заряда протона.
- Важность электрических сил в том, что они охватывают почти все без исключения области, связанные с нашей жизнью; Поскольку это вещество состоит из атомов или молекул, в которых электрические заряды точно сбалансированы, или силы сцепления клея связаны с поверхностным натяжением, все они имеют электрическую природу.
Блок
- Заряд системы можно измерить, сравнив его с зарядом стандартного тела.
- Единица заряда СИ – кулон, записываемый как C.
- 1 Кулон – это заряд, протекающий по проводу за 1 секунду, если электрический ток в нем равен 1А.
- Заряд электрона равен -1,602 * 10 -19 C, а заряд протона положителен этой величине.
- Два важных свойства заряда – это квантование и сохранение .
(а) Квантование заряда
(i) Электрический заряд может существовать только как целое кратное заряду электрона (-e) i.е.
q = ± ne , где n – целое число.
(ii) Возможные значения электрического заряда: q = ± 1e; ± 2e; ± 3e …
(iii) Заряд меньше заряда электрона (, т. Е. , e = 1,6 * 10 -19 C) невозможен.
(б) Сохранение заряда
(i) В изолированной системе общий электрический заряд всегда остается постоянным.
(ii) Полный заряд тела равен алгебраической сумме всех имеющихся на нем зарядов. Каждый атом электрически нейтрален, поскольку он содержит столько электронов, сколько протонов в нем.
(iii) Когда мы протираем стеклянный стержень куском шелка, положительный заряд, приобретаемый стеклянным стержнем, равен отрицательному заряду, приобретаемому кусочком шелка. Таким образом, заряды производятся в равных и разных парах.
Пример (1) : Какое возможное значение электрического заряда?
(а) 1 X 1.6 х 10 -19 С
(б) 2,4 Х 1,6 Х 10 -19 С
(в) -8 X 1,6 X 10 -19 C
(г) 1 X 1,8 X 10 -19 C
Решение: (a)
Как мы знаем, электрический заряд может существовать только как целое кратное заряду электрона (-e), т.
е.
q = ± ne , где n – целое число.Итак, q = ± 1 X 1,6 X 10 -19 C
Пример (2) : Если n = 2, какова будет величина электрического заряда? (Учитывая e = 1,6 X 10 -19 C)
(а) ± 0,8 Х 10 -19 С
(б) ± 3,2 Х 10 -19 С
(в) ± 4,3 Х 10 -19 С
(г) ± 6.3 х 10 -19 С
Решение: ( b )
Мы знаем, что
q = ± н.э.
= 2 Х 1,6 Х 10 -19 С
= ± 3,2 X 10 -19 С
Следовательно, вариант (b) верен.
Пример (3): Заряд меньше, чем заряд (т.е.е. е = 1,6 X 10 -19 C) на электрон возможно?
(a) Да (b) Нет
Решение: (b) Как известно
q = ± ne , где n – целое число, т.е. n = 1, 2, 3, …
Пример 4): Каков суммарный заряд всех протонов в 1,00 кг углерода?
(а) 4.82 Х 10 7 С
(б) 3.96 X 10 7 C
(в) 4.82 Х 10 9 С
(г) 3.96 X 10 12 C
Решение: (a) Мы можем найти количество кулонов положительного заряда в 1,00 кг углерода из Q = 6n c e , где n c – количество атомов в 1.00 кг углерода и множитель 6 учитывают присутствие 6 протонов в каждом атоме. Мы можем найти количество атомов в 1,00 кг углерода, установив пропорцию, связывающую число Авогадро N A , массу углерода и молекулярную массу углерода с n c .
Пример 5): Определите электрический ток в электрической цепи, где общий электрический заряд составляет 6 C за 5 секунд.
Q = It E = Расчет QV Закон Ома V = IR исследующие факторы, влияющие на сопротивление Графические характеристики ВАХ диод омический проводник лампа накаливания igcse / gcse 9-1 Physics revision notes
Электричество 3: Закон Ома, экспериментальные исследования сопротивления
и I-V графики и расчеты с использованием I = V / R, Q = It и E = QV
Редакция Доктора Брауна по физике Банкноты
Подходит для курсов GCSE / IGCSE Physics / Science или их эквивалент
Что такое закон Ома? Как вы делаете расчеты по закону Ома / с?
Какие факторы влияют на стойкость схема?
Как построить и использовать схему для исследовать закон Ома?
Как рассчитать количество электричества? заряд движется по цепи?
Подиндекс этой страницы
1.Закон Ома, простая схема исследования и расчеты V = IR
2. Движение и единица заряда, кулон, расчеты с использованием Q = It
3. Возможная разница и передача электроэнергии, E = QV расчеты
4а. Электрическое сопротивление – задействованные факторы
4б. Изучение сопротивление провода при постоянной температуре, различной длины и ширины
4с.Изучение вольт-амперные характеристики провода – объяснение графика
4д. Расследование ВАХ металлической лампы накаливания – график
4e. Изучение вольт-амперные характеристики диода – объяснение графика
См. Также ПРИЛОЖЕНИЕ 1 для обзора всей электроэнергии уравнения вам могут понадобиться
1а.Ома Закон (и упоминание других единиц, рассматриваемых в других разделах)
Закон Ома гласит, что ток через провод между двумя точками прямо пропорционален напряжению на две точки в цепи.
Он включает в себя самое фундаментальное уравнение что нужно знать для расчета электричества.
Математически это можно выразить как: я = V / R
перестановок: В = ИК и R = V / I
I = ток в амперах, амперах, А ; мера скорости потока электрического заряда.
В = разность потенциалов, п.о., вольт, В ; мера потенциальной энергии, передаваемой электрическому заряду течет.
Разность потенциалов в цепи это энергия , передаваемая на кулон электрического заряда , что течет между двумя точками в электрической цепи.
Кулон ( C ) – это единица электрического заряда (см. Q = Примечания к уравнению).
Передаваемая энергия рассчитывается от п.о. и количество электрического заряда ( Q ) перемещен p.d. в В (см. E = QV примечания к уравнениям).
R = сопротивление провода, Ом, Ом ; мера сопротивления проводника препятствовать поток заряда.
Чем больше сопротивление резистор, тем больше он сопротивляется и замедляет ток электричества.
Закон Ома означает, что R в этом уравнении является константой, не зависящей от величины протекающего электрического тока.
Закон правильно применяется к так называемому омическому сопротивлению . проводники , где протекающий ток прямо пропорционален приложенная разность потенциалов, но некоторые резисторы не подчиняются этому закону, например нагретая нить лампочка.
1b.Простой эксперимент по измерению сопротивления отдельного компонента
Если вы настроили контур 31 (правая диаграмма), вы можете измерить
сопротивление постоянного резистора [R].
Изменяя напряжение источника питания с помощью переменной резистора, вы легко можете получить множество пар показаний p.d. (V) и текущее (А).
Затем используйте уравнение закона Ома (R = V / I), чтобы вычислить значение фиксированное сопротивление.
Затем вы можете усреднить значения R, рассчитанные для более надежный результат.
Более подробная информация приведена ниже, чтобы получить полную ВАХ графики, а также как получить сопротивление графическим методом.
Это основная установка для исследования вольт-амперные характеристики любого компонента R.
1c. Примеры расчеты с использованием Ома Закон V = IR
Q1 Когда стр.d. от 4,5 В приложен к сопротивлению, течет ток 0,5 А.
Какое значение имеет резистор?
R = V / I = 4,5 / 0,5 = 9,0 Ом
Q2 Сопротивление имеет значение 50 Ом.
Какой п.д. должен быть применен к нему чтобы через него протекал ток 5,0 А?
В = ИК = 5 x 50 = 250 В
3 квартал А п.d. 240 В подается на резистор нагревательного элемента сопротивлением 30 Ом.
Сколько тока проходит через обогреватель?
I = V / R = 240/30 = 8.0 А
4 квартал Три батареи на 1,5 В были подключены последовательно к трем лампочкам.
Если амперметр измеряет ток 0,50 А, какое сопротивление у каждой лампочки?
I = V / R, поэтому R = V / I = (3 x 1.
Так как общее сопротивление = сумма сопротивления, сопротивление каждой лампочки = 9,0 / 3 = 3.0 Ом
5 квартал
5) /
0,50 = 9,0 ОмВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс
2. Движение заряда
2а. Расчет заряда, проходящего через точку в цепи Q = It
Ток (I в амперах) – это скорость протекания электрического заряжать вокруг цепи.
Чем больше поток заряда в данный момент времени, тем больше электрический ток.
Скорость протекания электрического заряда равна измеряется в кулонах в секунду.
Вы можете рассчитать заряд, проходящий через точку в цепи в заданное время по формуле
Q = Это
, где Q = электрический заряд в кулонах ( C ) – блок электрического заряда
I = ток в амперах ( A ) и t = время ( с )
перегруппировок из Q = It, I = Q / т и t = Q / I
Ток в 1 А равен скорость потока заряда 1 Кл / с.
2b. Примеры расчетных вопросов с участием уравнение Q = It
Q1 Если ток 3,0 А проходит через прибор в течение 1 часа 30 минут, сколько электрического заряда передается в процессе?
Q = It, Q = 3,0 x 1,5 x 60 x 60 = 16 200 C = 1,62 х 10 4 С
Q2 Если Заряд 9000 C проходит через точку в электрической цепи в 12.0 минут, какой текущий поток?
I = Q / t = 9000 / (12 x 60) = 9000/720 = 12,5 А
Q3 Сколько времени займет электрическая цепь в минутах и секундах ток 20.
t = Q / I = 5000/20 = 250 секунд = 4 минут и 10 секунд
0 А передать 5000 С заряда?Q4 Портативный компьютер зарядное устройство пропускает ток 1.20 А на 30 минут с выходом p.d. 15.0 В.
(a) Подсчитайте, сколько заряда перенесена в компьютерную батарею.
Q = It = 1,2 х 30 х 60 = 2160 С
(б) Какое сопротивление зарядное устройство?
В = ИК, R = V / I = 15 / 1,2 знак равно 12,5 Ом
(c) Когда аккумулятор ноутбука полностью заряжено в нем хранит 3000 с.
Сколько времени потребуется, чтобы полностью заряжать разряженный аккумулятор?
Q = It, t = Q / I = 3000 / 1,2 = 2500 с (41 мин 40 с)
5 квартал
ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс
3. Возможная разница и передача энергии
3а.Введение в электрическую энергию перевод
Передача энергии на единицу заряда = разность потенциалов (п.о.) и расчеты на основе E = QV
В предыдущем разделе мы рассмотрели, как рассчитать количество заряда, движущегося в цепи, но ничего не сказал об энергии переведен.
Напоминания :
Электрические цепи, используемые термины, условные обозначения цепей, параллельные объяснение цепей и последовательных цепей
Разница потенциалов (стр.d. в вольт, В ) – энергия, передаваемая на единицу заряда в виде электрического заряд перемещается из одной точки в другую в электрической цепи.
Измеряется вольтметром, который всегда подключается параллельно компоненту схемы.
Передача электрического тока энергия
Подумайте обо всех электрических бытовые приборы, которыми вы пользуетесь – все они нуждаются в подаче энергии для работы!
Блок питания работает на заряжается и передает ему энергию.
Работа должна производиться на зарядке для увеличения его потенциальной энергии.
Электрический заряд измеряется в кулоны (К)
Заряд и его движение уже было рассмотрено в раздел 2 (Q = It).
Заряды передают энергию компонентов по мере их прохождения, выполняя работу против сопротивления компонент.
Если работа сделана, то энергия переведен.
Если электрический заряд испытывает разность потенциалов, этот заряд будет течь, передавая энергию.
Энергия подается из энергоаккумулятора источник питания – аккумулятор, электросеть и т. Д.
При прохождении заряда по любой п.d. падение высвобождает энергию (с более высокого уровня потенциальной энергии на более низкий).
например в тонкой проволоке сопротивление , выделяется тепло.
Разница потенциалов между двумя баллов равняется проделанной работе на единицу заряда.
разность потенциалов (В) = проделанная работа ( энергия передается в Дж) заряд (C)
т.е. 1 вольт соответствует 1 джоуля за кулон или V = J / C
Чем больше падение п.д., тем больше энергия передан, потому что заряд начинается с большим потенциалом энергия.
Следовательно, блок питания с большим источником p.d. (В) может подавать на больше энергии в схему на единицу электрического заряда ( кулон, В).
Чем больше p.d., тем больше энергии при том же количестве электрический заряд может нести.
3b.Еще одно уравнение для расчета электрического передача энергии
В количество переносимой энергии можно рассчитать по формуле:
переданная энергия = заряд x потенциал разница.
E = QV (поэтому Q = E / V и V = E / Q )
E = передаваемая энергия в джоулях ( Дж, )
Q = количество электрический заряд в кулонах ( C )
В = разность потенциалов ( В )
отмечая, что: V = E / Q = энергия, передаваемая на единицу заряда (J / C)
Попутно и несколько напоминаний:
Чем больше энергии передается в данном время, тем больше мощность устройства или электрического прибора.
The p.d. V говорит вам, сколько энергия, передаваемая на каждую единицу электрического заряда,
так, V = E / Q , (шт. J / C), см. Расчеты E = QV ниже).
Текущий I говорит вам, сколько заряд проходит заданную точку в цепи за единицу времени (кулонов в секунду, К / с ).
Это означает, что оба p.d. В и текущий I влияет на скорость передачи энергии к прибору из накопителя электроэнергии в другие накопители энергии.
И несколько математических связей на основании раздела 2. Q = It, а здесь, в разделе 3, E = QV
Из Q = It и E = QV, подставляя дает E = ItV,
так (i) E = IVt (I в A, t в с, В в вольтах)
Перестановка E = IVt дает IV = Е / т
Это соединяется с уравнения для мощности
(ii) Мощность = энергия переведено / время получено = E / t (Дж / с), и
( iii ) Мощность = ток x напряжение = P (Вт) = I (A) x V (В), P = IV
Из (ii) и (iii) E / t = IV, поэтому E = IVt , что является уравнением (i) !!!
3c.Расчет q на основе E = QV (иногда с участием других уравнений электричества)
Q1 Электродвигатель Модель автомобиля питается от аккумулятора 1,5 В.
Если 120 C заряда проходит через цепь двигателя в движущемся вагоне,
(а) сколько энергии передается?
E = QV = 120 x 1,5 = 180 Дж
(b) Опишите вероятный накопитель энергии меняется, когда машина работает.
Химическая потенциальная энергия запас батареи уменьшается и превращается в электрическую энергию.
Накопитель кинетической энергии автомобиль увеличивается из-за потери тепла от трения и звуковой энергии переданы в накопитель тепловой энергии окрестностей.
Q2 Какое количество заряд необходим для передачи 500 Дж энергии, если п.о.цепи 24,0 В?
E = QV, Q = E / V = 500/24 = 20,8 С (3 SF)
Q3 Какой потенциал разность требуется в цепи для передачи 2000 Дж энергии с заряд 50 кулонов?
E = QV, V = E / Q = 2000/50 = 40 В
4 квартал А 12.Батарея 0 В пропускает через лампу ток 2,0 А в течение 5 минут.
(a) Рассчитайте, сколько заряда прошло через лампу.
Q = It = 2 x 5 x 60 = 600 С
(b) Рассчитайте, сколько электроэнергии был перенесен лампой.
Два пути:
(i) E = QV = 600 x 12 = 7200 Дж, самый простой, но вы можете рассчитать его, не зная Q, из:
(ii) E = IVt = 2 x 12 x 5 x 60 = 7200 Дж
5 квартал Устройство имеет мощность 1.5 кВт и работает от сети 230 В.
Если прибор используется в течение 15 минут, сколько заряда прошло по цепи?
1,5 кВт ≡ 1500 Вт ≡ 1500 Дж / с
Общая переданная энергия = мощность x время = 1500 x 15 x 60 = 1 350 000 Дж
E = QV, поэтому Q = E / V = 1350 000/230 = 5870 C (3 SF)
Ответ можно рассчитать по другой маршрут
P = IV, I = P / V = 1500/230 = 6.522 А
Q = It = 6,522 x 15 x 60 = 5870 C (3 SF)
Q6
3d. Еще немного о разности потенциалов – действие двух последовательно соединенных резисторов
На схеме 41 показаны два подключенных резистора. последовательно.
Справа показано, что происходит с p.d. по часовой стрелке по цепи (направление условного тока).
Повышается потенциальный запас аккумулятора разность зарядных потенциалов заряда до 12 В.
По мере прохождения заряда через 1-й резистор R 1 , он теряет энергию и п.д. падает на 8 В до п.п. из 4 В.
По мере прохождения заряда через 2-ю резистор R 1 , он снова теряет энергию и п.о. падает на 4 В до p.d. из 0 В.
Пока есть полная цепь, процесс повторяется.
Поскольку E = QV, выделяется вдвое больше энергии резистором R 1 (p.d. 8 В), чем R 2 (p.d. 4 В) для тот же ток.
ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс
4. Электрическое сопротивление – эксперименты по исследовать ВАХ различных сопротивлений и достоверность, или в противном случае Закона Ома
4а. Что влияет на сопротивление провода? Сопротивление постоянный?
и s графики вольт-амперных характеристик (ВАХ) объяснил
Сопротивление цепи зависит от несколько факторов:
(i) толщина сопротивления провод – для однокомпонентного резистора
(ii) длина сопротивления провод – для однокомпонентного резистора
(iii) если более одного сопротивления, они подключены последовательно или параллельно?
(iv) температура компонента действует как сопротивление
Раздел 4.описывает и объясняет несколько примеров графиков ВАХ – которые можно исследовать с помощью схемы 31 (справа)
На принципиальной схеме 31 справа показано как можно исследовать изменение тока через сопротивление (или любой компонент) при изменении разности потенциалов.
Графики разности потенциалов тока используются, чтобы показать, как ток через компонент изменяется в зависимости от разности потенциалов на нем.
Сопротивление некоторых резисторов / компонентов действительно меняется как текущая и п.д. изменения например диодная или лампа накаливания.
Узнайте, как и почему в разделах 4d. и 4e.
ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс
4b. Исследование электрического сопротивления провода – изменение длины или ширины
Схема 30 показывает, как исследовать сопротивление провода
Относительно тонкая проволока закреплена на каждый конец на линейке с разметкой в миллиметрах с помощью зажимов типа «крокодил».
Вам понадобится амперметр для измерения ток в амперах и вольтметр для измерения p.d. через провод в вольт.
Провод подключается в серии с аккумуляторным блоком питания, переключателем и амперметром для измерения силы тока течет по проводу в амперах.
Вольтметр , для измерения p.d, подключен параллельно через резистивный провод.
Обратите внимание, что амперметр всегда подключается к последовательно с компонентом , но вольтметр всегда подключается параллельно по любому исследуемому компоненту.
Один конец провода, подключенный через вольтметр закреплен (слева), но на другом конце есть зажим типа «крокодил», который действует как подвижный точку контакта для размещения на различном расстоянии вдоль провода сопротивления от слева направо.
Замкните выключатель, чтобы замкнуть цепь и начать снимать показания.
Лучше всего открыть переключатель между показания, чтобы свести к минимуму риск нагрева провода.
Вы изменяете расстояние d (мм) от слева (0 мм) в точку дальше вправо и возьмите серию пар из п.d и текущие показания, например каждые 50 мм (можно работать в см, получается нет разницы!).
Используя закон Ома, вы вычисляете сопротивление в омах из уравнения R = V / I
Ты затем можно построить график зависимости сопротивления (Ом) от длины провода d (мм) – показано справа.
Вы должны обнаружить, что график является линейным с его начало координат x, y в точке 0,0.
Это означает, что сопротивление пропорционально длине провода .
Если не закрепить провод точно на 0 мм, график по-прежнему должен быть линейным, но начало линии не будет быть 0,0.
Если повторить эксперимент с провода разного диаметра, вы должны обнаружить, что градиент становится ниже, толще проволока.
Для провода той же длины сопротивление меньше толще проволока – хорошая аналогия – легкость, с которой вода течет через труба тонкого или большего диаметра.
ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс
4c. Изучение ток – напряжение характеристики провода
Это эксперимент по закону Ома
Схема 31 показывает, как исследовать зависимость I от V для сопротивления
.Следствие направлено на поиск из …
… как ток течет через резистор меняются в зависимости от разности потенциалов на нем?
Постоянный резистор представляет собой ‘компонент’ в цепи и должен иметь постоянную температуру на протяжении всего эксперимента (см. ниже температура последствия).
В этом случае простой проволочный резистор соединены последовательно с блоком питания и амперметром.
The p.d. измеряется по фиксированному сопротивление с вольтметром,
Тем не мение, также подключенный последовательно, добавлен переменный резистор, так что вы можете удобно изменить разность потенциалов и тем самым изменить ток протекает через компонент.
Это позволяет собрать целую серию пар показаний I и V, с помощью которых можно построить подходящие графики – в этом случай V против I, но часто делается как I против V.
Используя переменный резистор, вы постепенно увеличивайте разность потенциалов на компоненте, принимая соответствие текущему чтению, например увеличивается на 0,5 В. за раз. Повторите каждый читать дважды и использовать среднее значение.
После этого можно поменять местами клеммы аккумулятора. и повторить все показания.
Если вы построите p.d. по сравнению с текущим, график линейный , если он подчиняется закону Ома – тогда он называется ‘ омический кондуктор ‘.
Это я изобразил графиком вверху справа, а градиент равен сопротивлению в Ом .
Это соответствует закону Ома уравнение V = IR , поэтому градиент равен R .
Если график остается линейным, сопротивление остается постоянным.
Этот график не представляет показания сняты после перестановки полюсов аккумулятора.
Однако показывает, как получить значение сопротивления графическим методом.
Это линейный график и фраза линейный компонент может использоваться.
Для таких компонентов, как провод, который не нагревается, вы должны получить линейный график p.d. (V) против I (A) с градиент R (Ω). (правый график).
Вы должны убедиться, что провод не сильно нагревается – если начинает нагреваться, сразу отключите резистор («выключите») и дайте ему остыть.
Если вы построите график зависимости I от V, градиент будет 1 / R (обратная величина сопротивление), линейный график .
Этот график показывает, что вы получаете построение всех данных, включая показания I-V, снятые после реверсирования клеммы аккумулятора.
График (1) является построенный на поперечной оси. Верхняя правая половина – это ваш первый набор результатов, затем вы переверните клеммы на источнике питания и повторите эксперимент дает нижнюю левую часть графика.
Обратите внимание, что вы получите только линейный график, если температура проволоки остается постоянной .
Когда ток (А) пропорционален к p.d (V) он описывается как омический провод (подчиняется закону Ома!).
С помощью схемы 31 вы можете проверить любой резистор или любой другой тип компонента схемы, и результаты обсуждается ниже, начиная с резюме факторов, влияющих на сопротивление.
Так, сопротивление омического проводника, например цепь компонент не меняется независимо от того, проходит ли ток – постоянный градиент 1 / R для графика 1.
Это ожидаемые линейные графики для фиксированный резистор с использованием схемы 31 выше.
Думая против часовой стрелки на диаграмме, разные линии графика могут отображать убывающее сопротивление е.грамм. (i) резистивный провод становится короче при том же диаметре, или (ii) увеличение диаметра при фиксированной длине провода.
При постоянной температуре ток, протекающий через омический проводник прямо пропорционален разности потенциалов на это – уравнение: В = IR или I = V / R .
Однако, это только правда, так как линейный график, если температура не изменять.
Комментарии к переменным в этом частный эксперимент по закону Ома
Ток всегда определяется комбинация п.о. (В) и сопротивление R (Ом).
Независимая переменная что мы изменяем или контролируем в эксперименте – в этом случае вы можете считать его р.д. управляется переменным резистором.
Одно из соглашений состоит в том, чтобы построить график независимая переменная на оси абсцисс, а зависимая переменная на оси ось y.
Этот означает, что сопротивление R, является обратной величиной градиента – немного больше неудобно рассчитать сопротивление, чем на графике V в зависимости от I, где градиент – это сопротивление. Закон Ома: I = В / р.
Зависимая переменная – это то, что мы тестируем или измеряем в эксперименте, это ток I (A), который зависит от настройки переменного резистора, который, в свою очередь, контролирует разность потенциалов на резисторе.
Контрольные переменные – это то, что мы сохраняем то же самое во время эксперимента, чтобы убедиться, что это честный тест например в этом случае сохраняется провод и температура постоянная, НЕ должна изменяться – не меняйте провод и не допускайте нагреть.
ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс
4г.
Исследование вольт-амперных характеристик металла
лампа накаливания
Когда электрический заряд проходит через высокое сопротивление, как тонкая металлическая нить лампы накаливания, она передает часть электроэнергия к накопителю тепловой энергии нити накала. Электрический заряд работают против сопротивления .
Схема 45 показывает, как можно исследовать характеристики разности токов и потенциалов нить лампочка.
Вольтметр подключен параллельно термистор, п.д. В измеряется в вольтах ( В ).
Переменный резистор позволяет варьировать п.д. и текущий поток.
Амперметр, подключенный последовательно, дает текущее значение I в амперах ( A ).
В прохождение тока нагревает нить накала и поднимается в температура вызывает повышение сопротивления . Итак, нить Лампа – это неомический провод .
Этот «эффект нагрева» влияет на все резисторы.
По мере увеличения тока выделяется больше тепловой энергии, и нить накаливания становится все горячее и горячее, поэтому дальнейшее повышение температуры еще больше увеличивает сопротивление.
Это уменьшает скорость увеличения тока с увеличение разности потенциалов .
Следовательно, градиент I-V кривая графика уменьшается и все больше с увеличением температура – график 2. Это нелинейный график .
Если градиент меняется, тогда сопротивление меняется.
График (2) является построенный на поперечной оси.Верхняя правая половина – это ваш первый набор результатов, затем вы переверните клеммы на источнике питания и повторите эксперимент дает нижнюю левую часть графика.
Фраза нелинейная компонент может использоваться.
Когда ток (А) НЕ пропорциональная p.d (V) лампа накаливания описывается как неомический провод (не подчиняется закону Ома!).
У вас такой же график в форме треугольника. для термистор.
Теория – со ссылкой на схему металлической конструкции
Металлическая кристаллическая решетка состоит из неподвижных ионов и свободно движущихся электроны между ними. С повышением температуры ионы металла колеблются сильнее. сильно, в котором электроны сталкиваются, и это препятствует прохождению электронов, уменьшая поток обвинять. По мере увеличения тока вибрации увеличиваются, вызывая больше электрической энергии, которая будет преобразована в тепло – увеличивая температура И сопротивление металлической нити, тем самым еще больше понижая ток.
Итак, увеличение i n по температуре увеличивает сопротивление лампы накаливания (или большинства других резисторы) и снижает ток, протекающий для заданного p.d.
Если резистор становится слишком горячим, ток почти не будет течь.
Есть одно важное исключение к этому «правилу», см. примечания к термистор, где сопротивление фактически падает с повышение температуры.
Лампа накаливания – лишь одна из многих примеры были энергия передается с пользой , НО есть всегда теряется тепловая энергия в накопитель тепловой энергии устройства и Окрестности .
Нить часто изготавливается из металлический вольфрам, плавящийся при> 3400 o C, и ярко светящийся при 2500 o C, но он все равно очень медленно испаряется. Инертный газ например, добавляется аргон или азот, чтобы уменьшить это испарение – любое испаренные атомы вольфрама попадают в инертный (и, следовательно, неокисляющий) Ar или N 2 молекул и, надо надеяться, снова конденсируются на нити.
См. Сохранение энергии, передача-преобразование энергии, эффективность – расчеты
ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс
4e. Исследование вольт-амперных характеристик диода
Модель ток через диод протекает только в одном направлении – см. график 3.
Сопротивление в обратном направлении очень высока – следовательно, это фактически «односторонняя» система.
Схема 43 показывает, как можно исследовать вольт-амперная характеристика диода.
Вольтметр подключен параллельно термистор, п.д. В измеряется в вольтах ( В ).
Переменный резистор позволяет варьировать п.д. и текущий поток.
Амперметр, подключенный последовательно, дает текущее значение I в амперах ( A ).
Диод имеет очень высокое сопротивление в обратное направление .
Также есть порог р.о. (например, 1,4 В) до того, как ток вообще потечет – внимательно посмотрите на график – есть короткий горизонтальный участок, прежде чем ток поднимется с нуля и со временем становится линейным.
Таким образом, вы получаете верхнюю правую часть графика 3 по сравнению с графиками 1 и 2 выше.
Это потому, что когда вы делаете экспериментируйте, используя схему, описанную выше, по изменению подключений, вы не обнаружите никаких текущих потоков при изменении p.d.
Его нелинейный График .
Если градиент меняется, то сопротивление меняется.
Когда ток (А) НЕ пропорциональный p.d (V), диод описывается как неомический провод (не подчиняется закону Ома!).
Фраза Нелинейный компонент может быть использовано.
График (3) является построенный на поперечной оси. Верхняя правая половина – это ваш первый набор результатов, затем вы переверните клеммы на источнике питания и повторите эксперимент дает нижнюю левую часть графика.
Поскольку ток течет только в одну сторону через диод его можно использовать для преобразования переменного тока в постоянный Текущий.
ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс
Практическая работа по помощь в развитии ваших навыков и понимания, возможно, включала следующее:
использование ламп накаливания и резисторов для исследования разности потенциалов – Текущий характеристики,
ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Важные определения, описания, формулы и ед.
|
ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс
Что дальше?
Электричество и ревизия магнетизма индекс нот
1.Полезность электроэнергии, безопасность, передача энергии, расчеты стоимости и мощности, P = IV = I 2 R, E = Pt, E = IVt
2. Электрические схемы и как их рисовать, условные обозначения схем, параллельность схемы, объяснение последовательных схем
3. Закон Ома, экспериментальные исследования сопротивление, I-V графики, расчеты V = IR, Q = It, E = QV
4. Схемы устройств и как они используются? (е.грамм. термистор и LDR), соответствующие графики gcse Physical Revision
5. Подробнее о последовательных и параллельных цепях. электрические схемы, измерения и расчеты gcse физика
6. Электроснабжение «Национальной сети», экология вопросы, использование трансформаторов gcse примечания к редакции физики
7. Сравнение способов получения электроэнергии gcse Заметки о пересмотре физики (энергия 6)
8.Статическое электричество и электрические поля, использование и опасность статического электричества gcse примечания к редакции физики
9. Магнетизм – магнитные материалы – временные (индуцированные) и постоянные магниты – использует gcse физика
10. Электромагнетизм, соленоидные катушки, применение электромагнитов gcse примечания к редакции физики
11. Моторное воздействие электрического тока, электродвигатель, громкоговоритель, правило левой руки Флеминга, F = BIL
12.Эффект генератора, приложения, например. генераторы производство электричества и микрофон gcse физика
ВСЕ мои GCSE Примечания к редакции физики
ИЛИ воспользуйтесь [GOGGLE ПОИСК]
Версия IGCSE заметки по закону Ома исследования сопротивления V = IR Q = It вычисления KS4 физика Научные заметки на Исследование сопротивления по закону Ома V = IR Q = It расчеты GCSE руководство по физике примечания к закону Ома исследования сопротивления V = IR Q = It расчеты для школ, колледжей, академий, научных курсов, репетиторов, изображений рисунки-диаграммы для исследования сопротивления по закону Ома V = IR Q = Он вычисляет научные исправления примечания на Исследование сопротивления по закону Ома V = IR Q = It расчеты для пересмотра модулей физики примечания по темам физики, чтобы помочь в понимании Исследование сопротивления по закону Ома V = IR Q = It расчеты университетские курсы физики карьера в науке и физике вакансии в машиностроении технический лаборант стажировка инженер стажировка по физике США 8 класс 9 класс 10 AQA Заметки о пересмотре GCSE 9-1 по физике по закону Ома исследования сопротивления V = IR Q = It вычисления GCSE примечания к закону Ома исследования сопротивления V = IR Q = It расчеты Edexcel GCSE 9-1 физика наука примечания к редакции Исследование сопротивления по закону Ома V = IR Q = It расчеты для OCR GCSE 9-1 21 век научные заметки по физике об исследованиях сопротивления по закону Ома V = IR Q = Расчет OCR GCSE 9-1 Шлюз физики примечания к пересмотру исследований сопротивления по закону Ома V = IR Q = It вычисления WJEC gcse science CCEA / CEA gcse science
ВЕРХ СТРАНИЦЫ и субиндекс
Потенциальная энергия: формула электрического потенциала
Потенциальная энергия – это энергия, которая хранится в системе в зависимости от положения объектов.Заряженная частица в электрическом поле обладает потенциальной энергией из-за действующей на нее электростатической силы. Часто бывает полезно иметь возможность описать потенциальную энергию на единицу заряда в определенной позиции. Эта потенциальная энергия на единицу заряда называется электрическим потенциалом (или просто «потенциалом»). Как и вся работа и энергия, единицей потенциальной энергии является Джоуль (Дж), где 1 Дж = 1 кг ∙ м 2 / с 2 . Единицей заряда является кулон (Кл), а единицей электрического потенциала – вольт (В), который равен джоуля на кулон (Дж / Кл).
потенциальная энергия = (заряд частицы) (электрический потенциал)
U = qV
U = потенциальная энергия в единицах Дж (Джоули)
q = заряд точечной частицы в единицах C (кулоны)
В = электрический потенциал, с единицей измерения V = Дж / Кл (вольт, равный джоулям на кулон)
Потенциальная энергия: вопросы формулы электрического потенциала:
1) Точечная частица имеет заряд -8.0 мкКл. Он движется из точки A с электрическим потенциалом V A = +200 В в точку B с электрическим потенциалом V B = +600 В. Каково изменение потенциальной энергии в результате этого движения?
Ответ: Изменение потенциальной энергии ∆U можно найти по формуле:
∆U = U B – U A
∆U = qV B – qV A
∆U = (-8,0 мкКл) (+600 В) – (-8,0 мкКл) (+ 200 В)
Заряд указан в микрокулонах (мкКл): 1.0 мкКл = 1,0 x 10 -6 C. Перед решением уравнения необходимо преобразовать заряд в правильные единицы:
∆U = (-8,0 x 10 -6 C) (+ 600 Дж / C) – (- 8,0 x 10 -6 C) (+ 200 Дж / C)
∆U = -0,0032 Дж
Изменение потенциальной энергии из-за движения точечной частицы составляет -0,0032 Дж.
2) Точечная частица имеет заряд +6,0 мкКл. Он движется из точки A с электрическим потенциалом В A = -100 В в точку B.При этом потенциальная энергия изменяется на +0,0018 Дж. Каков электрический потенциал в точке B?
Ответ: Электрический потенциал можно найти, переставив формулу:
∆U = U B – U A
Заряд дан в микрокулонах (мкКл): 1,0 мкКл = 1,0 x 10 -6 С. Перед решением уравнения необходимо преобразовать заряд в правильные единицы:
В B = 300 В – 100 В
В B = +200 В
Электрический потенциал в позиции B составляет +200 В.2
| Электрическая сила, испытываемая зарядом от электрического поля |
| Электрическое поле в точке |
| Потенциальная энергия заряда |
| Электрическое поле между параллельными пластинами |
| 1 эВ = 1.-19 C x 1 В Заряд электронов на 1 вольт потенциала |
| Заряд q в электрическом поле величины E будет испытывать силу величины … |
| Работа на единицу заряда, необходимая для переноса положительного тестового заряда издалека в интересующую точку.(Вольт или JC-1) |
| Уравнение для разности потенциалов |
| Работа, которую необходимо выполнить, чтобы доставить заряд q из точки A в точку B, составляет W = q x (Vb – Va) |
| Количество заряда, которое перемещается через площадь поперечного сечения провода за единицу времени. I = Q / т |
| Движение электронов в токе |
| Электрическое поле заставляет электроны дрейфовать в одном направлении – подавляя электроны, которые сталкиваются с атомами и ионами из самого проводника, заставляя их «дрейфовать» в одном направлении.Это актуально. |
| Разность потенциалов на его концах, деленная на ток, протекающий через него. Выдано: R = V / I |
| Когда температура металлического проводника поддерживается постоянной, ток через проводник пропорционален разности потенциалов на нем. I ∝ V График будет прямой линией, проходящей через начало координат. |
| Отношение работы, совершаемой неэлектрическими силами, W, к количеству заряда q, который перемещается от одного вывода батареи к другому. Измерено в вольтах. ЭДС = Вт / кв |
| Сопротивления последовательных цепей |
| Сложены; R-total = R1 + R2 + R3 + … Может быть заменен одним большим резистором R – всего |
| Сопротивления параллельных цепей |
| Цепь разделена на отдельные пути с помощью резисторов.Закон сохранения заряда означает, что заряд одинаков в начале и в конце разделения. 1 / R-всего = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 + … |
| Устройства, используемые для измерения силы тока (в амперах) в цепи. Они должны быть включены последовательно с резисторами и должны иметь нулевое сопротивление для эффективной работы (идеальный вариант). |
| Устройство, используемое для измерения разности потенциалов на резисторе.Его необходимо подключить параллельно резистору. В идеале он должен иметь бесконечное сопротивление; не принимать ток при подключении к резистору. |
| Устройство, которое используется для определения вольт-амперной характеристики некоторого устройства с сопротивлением R. Может влиять на величину тока, идущего от различных частей схемы, посредством регулировки. |
Эпизод 126: Емкость и уравнение Q = C / V
C = Q / V
Электричество и магнетизм
Эпизод 126: Емкость и уравнение Q = C / V
Урок для 16-19
- Время активности 150 минут
- Уровень Продвинутый
Установив, что на каждой пластине конденсатора есть заряд, следующим этапом является установление взаимосвязи между зарядом и разностью потенциалов на конденсаторе.
Краткое содержание урока
- Демонстрация: зарядка конденсатора (10 минут)
- Обсуждение: Определение емкости и фарада (20 минут)
- Студенческий эксперимент: заряд, пропорциональный напряжению – две альтернативы (30 минут)
- Обсуждение: Факторы, влияющие на C (10 минут)
- Студенческий эксперимент: Факторы, влияющие на C (30 минут)
- Обсуждение: Разрешающая способность (20 минут)
- Обсуждение: Работа с реальными конденсаторами (10 минут)
- Вопросы студентов и обсуждение: Расчеты с реальными конденсаторами (20 минут)
Демонстрация: зарядка конденсатора
Экспериментальная демонстрация зарядки конденсатора с постоянной скоростью
показывает, что разность потенциалов на конденсаторе пропорциональна заряду.
Эпизод 126-1: Зарядка конденсатора постоянным током (Word, 34 КБ)
Обсуждение: Определение емкости и фарада
Эксперимент показывает, что Q ∝ V , или Q = постоянная × В . Эта константа называется емкостью конденсатора C и измеряется в фарадах (Ф). Таким образом, емкость – это заряд на вольт, и
фарада = кулонвольт.
Хорошая идея отметить, что 1 фарад – очень большая емкость и что большинство конденсаторов будут микро, μ, – (10 -6 ), нано
Студенческий эксперимент: заряд, пропорциональный напряжению – первая альтернатива
Взаимосвязь между зарядом и разностью потенциалов может быть дополнительно исследована самими учащимися. Возможны два эксперимента; в этом используется кулонметр.
Заряжая подходящий конденсатор до разных напряжений и каждый раз измеряя накопленный заряд, вы быстро подтверждаете соотношение Q ∝ V .Эксперимент можно повторить с разными конденсаторами. Постройте график Q против V .
Эпизод 126-2: Измерение заряда конденсатора (Word, 47 КБ)
Заряд, пропорциональный напряжению – вторая альтернатива
Во втором исследовании взаимосвязи между зарядом и pd используется герконовый переключатель. Учащиеся, возможно, встречали простые герконовые переключатели в технике или даже в начальной школе.
Хотя это более сложный эксперимент для выполнения, он имеет ценность, поскольку может быть расширен для исследования факторов, определяющих емкость конденсатора с параллельными пластинами, если это необходимо для ваших требований.
Из любого эксперимента можно построить график Q против V . Это будет полезно позже при обсуждении энергии, хранящейся в конденсаторе. (N.B. График эксперимента с герконом не проходит через начало координат, поэтому необходимо объяснить влияние паразитной емкости в эксперименте)
Эпизод 126-3: Использование геркона для измерения емкости (Word, 46 КБ)
Обсуждение: Факторы, влияющие на
CЕсли ваша спецификация требует изучения уравнения C = ε 0 ε r × A d , то это удобный момент для обсуждения этой работы.
Самое время представить идею о том, что многие конденсаторы трубчатой формы
на самом деле представляют собой конденсаторы с параллельными пластинами, которые свернуты и заполнены диэлектриком. Почему? (Большая площадь с небольшим зазором дает разумные значения емкости; диэлектрик увеличивает емкость; прокатка уменьшает габаритные размеры.)
Студенческий эксперимент: факторы, влияющие на C
Используя геркон или цифровой измеритель емкости, исследуйте факторы, определяющие емкость конденсатора с параллельными пластинами.
Если у вас нет геркона, многие дешевые цифровые мультиметры теперь оснащены измерителем емкости, который покрывает диапазон пФ и нФ, который здесь будет эффективно работать.
При использовании параллельных пластин в качестве конденсатора в этом эксперименте связь между емкостью и площадью может быть обнаружена путем изменения площади перекрытия, в то время как использование прокладок приводит к соотношению между емкостью и разделением. Размещение пластиковых листов между пластинами показывает эффект диэлектрика и показывает, почему относительная диэлектрическая проницаемость фигурирует в формуле.Если времени мало, эти три эксперимента можно провести в виде групповых заданий, и группы будут сообщать о своих выводах.
Обсуждение: Permittivity
Обсудите результаты экспериментов и значение диэлектрической проницаемости свободного пространства ε 0 }. Выведите его единицы из F m -1 или C 2 N -1 m -2 .
Обсуждение: Работа с реальными конденсаторами
Выберите конденсаторы и посмотрите информацию, написанную на каждом из них.Это будет включать в себя емкость и максимальное рабочее напряжение. На электролитическом конденсаторе также будет указание полярности для каждой клеммы (и может быть максимальный ток пульсации).
Обсудите, что означают маркировки, и сравните заряд, накопленный каждым конденсатором при максимальном напряжении (практика использования
Q = C × V .
Как это связано с физическим размером конденсатора? (Маловероятно, что чем больше емкость, тем больше конденсатор.Рабочее напряжение важно, как и материал между пластинами.)
Вопросы студентов: Расчеты с реальными конденсаторами
Последующие вопросы завершат этот выпуск.
Эпизод 126-4: Вопросы по зарядным конденсаторам (Word, 62 КБ)
Эпизод 126-5: Проблемы с конденсаторами (Word, 37 КБ)
7.3: Электрический потенциал и разность потенциалов
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Определите электрический потенциал, напряжение и разность потенциалов
- Определите электрон-вольт
- Вычислить электрический потенциал и разность потенциалов на основе потенциальной энергии и электрического поля
- Опишите системы, в которых электрон-вольт является полезной единицей
- Применение экономии энергии в электрических системах
Напомним, что ранее мы определили электрическое поле как величину, не зависящую от пробного заряда в данной системе, что, тем не менее, позволило бы нам вычислить силу, которая возникнет при произвольном пробном заряде.(При отсутствии другой информации по умолчанию предполагается, что тестовый заряд положительный.) Мы кратко определили поле для гравитации, но гравитация всегда притягивает, тогда как электрическая сила может быть либо притягивающей, либо отталкивающей. Следовательно, хотя потенциальная энергия вполне достаточна в гравитационной системе, удобно определить величину, которая позволяет нам вычислить работу над зарядом независимо от величины заряда. Непосредственный расчет работы может быть затруднен, поскольку \ (W = \ vec {F} \ cdot \ vec {d} \), а направление и величина \ (\ vec {F} \) могут быть сложными для нескольких зарядов, например предметы необычной формы и по произвольным путям.Но мы знаем, что, поскольку \ (\ vec {F} \), работа и, следовательно, \ (\ Delta U \) пропорциональны испытательному заряду \ (q \). Чтобы получить физическую величину, не зависящую от пробного заряда, мы определяем электрический потенциал \ (V \) (или просто потенциал, поскольку понимается электрический) как потенциальную энергию на единицу заряда:
Электрический потенциал
Потенциальная электрическая энергия на единицу заряда составляет
\ [V = \ dfrac {U} {q}. \ label {eq-1} \]
Поскольку U пропорционально q , зависимость от q отменяется.Таким образом, V не зависит от q . Изменение потенциальной энергии \ (\ Delta U \) имеет решающее значение, поэтому нас интересует разность потенциалов или разность потенциалов \ (\ Delta V \) между двумя точками, где
Разница электрических потенциалов
разность электрических потенциалов между точками A и B , \ (V_B – V_A \) определяется как изменение потенциальной энергии заряда q , перемещенного из A в B , разделенного по заряду.Единицами разности потенциалов являются джоули на кулон, получившие название вольт (В) в честь Алессандро Вольта.
\ [1 \, V = 1 \, J / C \ label {eq0} \]
Знакомый термин напряжение – это общее название разности электрических потенциалов. Имейте в виду, что всякий раз, когда указывается напряжение, под ним понимается разность потенциалов между двумя точками. Например, каждая батарея имеет две клеммы, а ее напряжение – это разность потенциалов между ними. По сути, точка, которую вы выбираете равным нулю вольт, произвольна.Это аналогично тому факту, что гравитационная потенциальная энергия имеет произвольный ноль, например уровень моря или, возможно, пол лекционного зала. Стоит подчеркнуть различие между разностью потенциалов и электрической потенциальной энергией.
Разность потенциалов и электрическая потенциальная энергия
Связь между разностью потенциалов (или напряжением) и электрической потенциальной энергией определяется формулой
.\ [\ Delta V = \ dfrac {\ Delta U} {q} \ label {eq1} \]
или
\ [\ Delta U = q \ Delta V.\ label {eq2} \]
Напряжение – это не то же самое, что энергия. Напряжение – это энергия на единицу заряда. Таким образом, аккумулятор мотоцикла и автомобильный аккумулятор могут иметь одинаковое напряжение (точнее, одинаковую разность потенциалов между клеммами аккумулятора), но один хранит гораздо больше энергии, чем другой, потому что \ (\ Delta U = q \ Delta V \) . Автомобильный аккумулятор может заряжать больше, чем аккумулятор мотоцикла, хотя оба аккумулятора – 12 В.
Пример \ (\ PageIndex {1} \): расчет энергии
У вас 12.0-В мотоциклетный аккумулятор, способный переносить заряд 5000 C, и автомобильный аккумулятор на 12 В, способный переносить 60 000 C. Сколько энергии дает каждый? (Предположим, что числовое значение каждого заряда соответствует трем значащим цифрам.)
Стратегия
Сказать, что у нас батарея на 12,0 В, означает, что на ее выводах разность потенциалов составляет 12,0 В. Когда такая батарея перемещает заряд, она пропускает заряд через разность потенциалов 12,0 В, и заряд получает изменение потенциальной энергии, равное \ (\ Delta U = q \ Delta V \).5 \, J. \ nonumber \]
Значение
Напряжение и энергия связаны, но это не одно и то же. Напряжения батарей одинаковы, но энергия, подаваемая каждым из них, совершенно разная. Автомобильный аккумулятор требует запуска гораздо более мощного двигателя, чем мотоцикл. Также обратите внимание, что когда аккумулятор разряжается, часть его энергии используется внутри, а напряжение на его клеммах падает, например, когда фары тускнеют из-за разряда автомобильного аккумулятора. Энергия, подаваемая батареей, по-прежнему рассчитывается, как в этом примере, но не вся энергия доступна для внешнего использования.
Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)
Сколько энергии имеет батарея AAA на 1,5 В, способная нагреться до 100 градусов Цельсия?
- Ответ
\ (\ Delta U = q \ Delta V = (100 \, C) (1.5 \, V) = 150 \, J \)
Обратите внимание, что энергии, вычисленные в предыдущем примере, являются абсолютными значениями. Изменение потенциальной энергии для аккумулятора отрицательное, так как он теряет энергию. Эти батареи, как и многие другие электрические системы, действительно перемещают отрицательный заряд – в частности, электроны.Батареи отталкивают электроны от своих отрицательных выводов ( A ) через любую задействованную схему и притягивают их к своим положительным выводам ( B ), как показано на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Изменение потенциала равно \ (\ Delta V = V_B – V_A = +12 \, V \), а заряд q отрицательный, так что \ (\ Delta U = q \ Delta V \) отрицательный, что означает потенциальная энергия батареи уменьшилась, когда q переместилось с A на B .
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Аккумулятор перемещает отрицательный заряд от отрицательного вывода через фару к положительному выводу. Соответствующие комбинации химикатов в батарее разделяют заряды, так что отрицательный вывод имеет избыток отрицательного заряда, который отталкивается им и притягивается к избыточному положительному заряду на другом выводе. С точки зрения потенциала положительный вывод имеет более высокое напряжение, чем отрицательный. Внутри батареи движутся как положительные, так и отрицательные заряды.Пример \ (\ PageIndex {2} \): Сколько электронов проходит через фару каждую секунду?
Когда автомобильный аккумулятор на 12,0 В питает одну фару мощностью 30,0 Вт, сколько электронов проходит через нее каждую секунду?
Стратегия
Чтобы узнать количество электронов, мы должны сначала найти заряд, который перемещается за 1,00 с. Перемещаемый заряд связан с напряжением и энергией посредством уравнений \ (\ Delta U = q \ Delta V \). Лампа мощностью 30,0 Вт потребляет 30,0 джоулей в секунду. Поскольку батарея теряет энергию, мы имеем \ (\ Delta U = – 30 \, J \) и, поскольку электроны переходят от отрицательной клеммы к положительной, мы видим, что \ (\ Delta V = +12.0 \, V \).
Решение
Чтобы найти заряд q перемещенного, мы решаем уравнение \ (\ Delta U = q \ Delta V \):
\ [q = \ dfrac {\ Delta U} {\ Delta V}. \]
Вводя значения для \ (\ Delta U \) и \ (\ Delta V \), получаем
\ [q = \ dfrac {-30.0 \, J} {+ 12.0 \, V} = \ dfrac {-30.0 \, J} {+ 12.0 \, J / C} = -2,50 \, C. \]
Число электронов \ (n_e \) – это общий заряд, деленный на заряд одного электрона. То есть
\ [n_e = \ dfrac {-2.{19} \, электрон. \]
Значение
Это очень большое количество. Неудивительно, что мы обычно не наблюдаем отдельные электроны, так много которых присутствует в обычных системах. Фактически, электричество использовалось в течение многих десятилетий, прежде чем было установлено, что движущиеся заряды во многих обстоятельствах были отрицательными. Положительный заряд, движущийся в направлении, противоположном отрицательному, часто производит идентичные эффекты; это затрудняет определение того, что движется или оба движутся.{19} \, электроны \)
Электрон-вольт
Энергия, приходящаяся на один электрон, очень мала в макроскопических ситуациях, подобных тому, что было в предыдущем примере – крошечная доля джоуля. Но в субмикроскопическом масштабе такая энергия, приходящаяся на частицу (электрон, протон или ион), может иметь большое значение. Например, даже крошечной доли джоуля может быть достаточно, чтобы эти частицы разрушили органические молекулы и повредили живые ткани. Частица может нанести ущерб при прямом столкновении или может создать опасные рентгеновские лучи, которые также могут нанести ущерб.Полезно иметь единицу энергии, относящуюся к субмикроскопическим эффектам.
На рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показана ситуация, связанная с определением такой единицы энергии. Электрон ускоряется между двумя заряженными металлическими пластинами, как это могло бы быть в телевизионной лампе или осциллографе старой модели. Электрон приобретает кинетическую энергию, которая позже преобразуется в другую форму – например, в свет в телевизионной трубке. (Обратите внимание, что с точки зрения энергии «спуск» для электрона означает «подъем» для положительного заряда.) Поскольку энергия связана с напряжением соотношением \ (\ Delta U = q \ Delta V \), мы можем рассматривать джоуль как кулон-вольт.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Типичная электронная пушка ускоряет электроны, используя разность потенциалов между двумя отдельными металлическими пластинами. По закону сохранения энергии кинетическая энергия должна равняться изменению потенциальной энергии, так что \ (KE = qV \). Энергия электрона в электрон-вольтах численно равна напряжению между пластинами. Например, разность потенциалов 5000 В производит электроны с энергией 5000 эВ.{-19} \, J. \]Электрону, ускоренному через разность потенциалов 1 В, придается энергия 1 эВ. Отсюда следует, что электрон, ускоренный до 50 В, приобретает 50 эВ. Разность потенциалов 100 000 В (100 кВ) дает электрону энергию 100 000 эВ (100 кэВ) и так далее. Точно так же ион с двойным положительным зарядом, ускоренный до 100 В, получает 200 эВ энергии. Эти простые соотношения между ускоряющим напряжением и зарядами частиц делают электрон-вольт простой и удобной единицей энергии в таких обстоятельствах.
Электрон-вольт обычно используется в субмикроскопических процессах – химическая валентная энергия, молекулярная и ядерная энергия связи входят в число величин, часто выражаемых в электрон-вольтах. Например, для разрушения некоторых органических молекул требуется около 5 эВ энергии. Если протон ускоряется из состояния покоя через разность потенциалов 30 кВ, он приобретает энергию 30 кэВ (30 000 эВ) и может разрушить до 6000 этих молекул \ ((30 000 \, эВ \,: \, 5 \, эВ \, на \, молекула = 6000 \, молекул) \).Энергия ядерного распада составляет порядка 1 МэВ (1000000 эВ) на событие и, таким образом, может привести к значительному биологическому ущербу.
Сохранение энергии
Полная энергия системы сохраняется, если нет чистого прибавления (или вычитания) из-за работы или теплопередачи. Для консервативных сил, таких как электростатическая сила, закон сохранения энергии утверждает, что механическая энергия постоянна.
Механическая энергия – это сумма кинетической энергии и потенциальной энергии системы; то есть \ (K + U = константа \).Потеря U для заряженной частицы становится увеличением ее K . Сохранение энергии выражается в форме уравнения как
\ [K + U = константа \] или \ [K_i + U_i = K_f + U_f \]
, где i и f обозначают начальные и конечные условия. Как мы уже много раз выясняли, учет энергии может дать нам понимание и облегчить решение проблем.
Пример \ (\ PageIndex {3} \): электрическая потенциальная энергия преобразована в кинетическую энергию
Вычислите конечную скорость свободного электрона, ускоренного из состояния покоя через разность потенциалов 100 В.6 \, м / с \]
Значение
Обратите внимание, что и заряд, и начальное напряжение отрицательны, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Из обсуждения электрического заряда и электрического поля мы знаем, что электростатические силы, действующие на мелкие частицы, обычно очень велики по сравнению с силой тяжести. Большая конечная скорость подтверждает, что гравитационная сила здесь действительно незначительна. Большая скорость также указывает на то, насколько легко ускорить электроны с помощью малых напряжений из-за их очень малой массы.В электронных пушках обычно используются напряжения, намного превышающие 100 В. Эти более высокие напряжения вызывают настолько большие скорости электронов, что необходимо учитывать эффекты специальной теории относительности, которые будут обсуждаться в другом месте. 2 } \ hat {r} \).2} dr = \ dfrac {kq} {r} – \ dfrac {kq} {\ infty} = \ dfrac {kq} {r}. \]
Этот результат,
\ [V_r = \ dfrac {kq} {r} \]
– это стандартная форма потенциала точечного заряда. Это будет подробнее рассмотрено в следующем разделе.
Чтобы изучить еще один интересный частный случай, предположим, что однородное электрическое поле \ (\ vec {E} \) создается путем размещения разности потенциалов (или напряжения) \ (\ Delta V \) на двух параллельных металлических пластинах, обозначенных A и B (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)).Изучение этой ситуации покажет нам, какое напряжение необходимо для создания определенной напряженности электрического поля. Это также покажет более фундаментальную взаимосвязь между электрическим потенциалом и электрическим полем.
Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): соотношение между V и E для параллельных проводящих пластин равно \ (E = V / d \). (Обратите внимание, что по величине \ (\ Delta V = V_ {AB} \). Для заряда, который перемещается от пластины A при более высоком потенциале к пластине B при более низком потенциале, необходимо включить знак минус следующим образом : \ (- \ Delta V = V_A – V_B = V_ {AB} \).)С точки зрения физика, \ (\ Delta V \) или \ (\ vec {E} \) можно использовать для описания любого взаимодействия между зарядами. Однако \ (\ Delta V \) является скалярной величиной и не имеет направления, тогда как \ (\ vec {E} \) является векторной величиной, имеющей как величину, так и направление. (Обратите внимание, что величина электрического поля, скалярная величина, представлена как E .) Связь между \ (\ Delta V \) и \ (\ vec {E} \) выявляется путем вычисления работы, выполняемой электрическая сила при перемещении заряда из точки A в точку B .Но, как отмечалось ранее, произвольное распределение заряда требует расчетов. Поэтому мы рассматриваем однородное электрическое поле как интересный частный случай.
Работа, совершаемая электрическим полем на рисунке \ (\ PageIndex {3} \) по перемещению положительного заряда q от A , положительная пластина, более высокий потенциал, к B , отрицательная пластина, более низкий потенциал. , это
\ [W = – \ Delta U = – q \ Delta V. \]
Разница потенциалов между точками A и B равна
\ [- \ Delta V = – (V_B – V_A) = V_A – V_B = V_ {AB}.\]
Если ввести это в выражение для работы, получится
\ [W = qV_ {AB}. \]
Работа равна \ (W = \ vec {F} \ cdot \ vec {d} = Fd \, cos \, \ theta \): здесь \ (cos \, \ theta = 1 \), поскольку путь параллелен поле. Таким образом, \ (W = Fd \). Поскольку \ (F = qE \), мы видим, что \ (W = qEd \).
Подстановка этого выражения для работы в предыдущее уравнение дает
\ [qEd = qV_ {AB}. \]
Заряд отменяется, поэтому для напряжения между точками A и B получаем .
Только в однородном E-поле: \ [V_ {AB} = Ed \] \ [E = \ dfrac {V_ {AB}} {d} \], где d – это расстояние от A до B , или расстояние между пластинами на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Обратите внимание, что это уравнение подразумевает, что единицы измерения электрического поля – вольт на метр. Мы уже знаем, что единицы измерения электрического поля – ньютоны на кулон; таким образом, верно следующее соотношение между единицами:
\ [1 \, N / C = 1 \, В / м. \]
Кроме того, мы можем продолжить это до интегральной формы.B \ vec {E} \ cdot d \ vec {l}. \]
В качестве демонстрации из этого мы можем вычислить разность потенциалов между двумя точками ( A и B ), равноудаленными от точечного заряда q в начале координат, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {4} \) . 2} \ hat {r} \).6 В / м \). Выше этого значения поле создает достаточную ионизацию в воздухе, чтобы сделать воздух проводником. Это допускает разряд или искру, которые уменьшают поле. Каково же максимальное напряжение между двумя параллельными проводящими пластинами, разделенными 2,5 см сухого воздуха?
Стратегия
Нам дано максимальное электрическое поле E между пластинами и расстояние между ними d . Мы можем использовать уравнение \ (V_ {AB} = Ed \) для вычисления максимального напряжения.4 \, V \] или \ [V_ {AB} = 75 \, kV. \]
(Ответ состоит только из двух цифр, поскольку максимальная напряженность поля является приблизительной.)
Значение
Одним из следствий этого результата является то, что требуется около 75 кВ, чтобы совершить скачок искры через зазор размером 2,5 см (1 дюйм), или 150 кВ для искры 5 см. Это ограничивает напряжения, которые могут существовать между проводниками, возможно, на линии электропередачи. Меньшее напряжение может вызвать искру, если на поверхности есть шипы, поскольку острые точки имеют большую напряженность поля, чем гладкие поверхности.Влажный воздух разрушается при более низкой напряженности поля, а это означает, что меньшее напряжение заставит искру проскочить через влажный воздух. Наибольшие напряжения могут создаваться статическим электричеством в засушливые дни (Рисунок \ (\ PageIndex {5} \)).
Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Искровая камера используется для отслеживания траектории частиц высоких энергий. Ионизация, создаваемая частицами при прохождении через газ между пластинами, позволяет искре прыгнуть. Искры расположены перпендикулярно пластинам, следуя силовым линиям электрического поля между ними.Разность потенциалов между соседними пластинами недостаточно высока, чтобы вызвать искры без ионизации, производимой частицами из экспериментов с ускорителем (или космическими лучами). Эта форма детектора сейчас устарела и больше не используется, кроме как в демонстрационных целях. (кредит b: модификация работы Джека Коллинза)Пример \ (\ PageIndex {1B} \): Поле и сила внутри электронной пушки
Электронная пушка (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)) имеет параллельные пластины, разделенные расстоянием 4,00 см, и дает 25 электронов.0 кэВ энергии. а) Какова напряженность электрического поля между пластинами? б) Какую силу это поле окажет на кусок пластика с зарядом \ (0,500- \ мкКл), который проходит между пластинами?
Стратегия
Поскольку напряжение и расстояние между пластинами указаны, напряженность электрического поля может быть вычислена непосредственно из выражения \ (E = \ frac {V_ {AB}} {d} \). Как только мы узнаем напряженность электрического поля, мы можем найти силу, действующую на заряд, используя \ (\ vec {F} = q \ vec {E} \).Поскольку электрическое поле имеет только одно направление, мы можем записать это уравнение в терминах величин, \ (F = qE \).
Решение
а. Выражение для величины электрического поля между двумя однородными металлическими пластинами равно
.\ [E = \ dfrac {V_ {AB}} {d}. \] Поскольку электрон является однозарядным и ему дается энергия 25,0 кэВ, разность потенциалов должна составлять 25,0 кВ. Вводя это значение для \ (V_ {AB} \) и расстояния между плитами 0,0400 м, получаем \ [E = \ frac {25.5 В / м) = 0,313 \, Н. \]
Значение Обратите внимание, что единицы измерения – ньютоны, поскольку \ (1 \, V / m = 1 \, N / C \). Поскольку электрическое поле между пластинами однородно, сила, действующая на заряд, одинакова независимо от того, где находится заряд между пластинами.
Пример \ (\ PageIndex {4C} \): расчет потенциала точечного заряда
Учитывая точечный заряд \ (q = + 2,0-n C \) в начале координат, вычислите разность потенциалов между точкой \ (P_1 \) на расстоянии \ (a = 4,0 \, см \) от q и \ (P_2 \) расстояние \ (b = 12.2} \ hat {r} \ cdot r \ hat {\ varphi} d \ varphi \), но \ (\ hat {r} \ cdot \ hat {\ varphi} = 0 \) и, следовательно, \ (\ Delta V = 0 \). Складывая две части вместе, получаем 300 В.
Значение
Мы продемонстрировали использование интегральной формы разности потенциалов для получения численного результата. Обратите внимание, что в этой конкретной системе мы могли бы также использовать формулу для потенциала из-за точечного заряда в двух точках и просто взять разницу.
Упражнение \ (\ PageIndex {4} \)
Из приведенных примеров, как энергия удара молнии зависит от высоты облаков над землей? Считайте систему облако-земля двумя параллельными пластинами.
- Ответ
При фиксированной максимальной напряженности электрического поля потенциал, при котором происходит удар, увеличивается с увеличением высоты над землей. Следовательно, каждый электрон будет переносить больше энергии. Определение влияния на общее количество электронов – дело будущего.
Прежде чем описывать проблемы, связанные с электростатикой, мы предлагаем стратегию решения проблем, которой следует придерживаться для этой темы.
Стратегия решения проблем: электростатика
- Изучите ситуацию, чтобы определить, присутствует ли статическое электричество; это может касаться отдельных стационарных зарядов, сил между ними и создаваемых ими электрических полей.
- Укажите интересующую систему. Это включает в себя указание количества, местоположения и типов взимаемых сборов.
- Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные). Письменный список полезен. Определите, следует ли рассматривать кулоновскую силу напрямую – если да, может быть полезно нарисовать диаграмму свободного тела, используя силовые линии электрического поля.
- Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные).Например, важно отличать кулоновскую силу F от электрического поля E .
