Как ток идет по проводам: Каким образом течет электричество?

Разное

Содержание

Каким образом течет электричество?

Электрический ток может приводит в действие машины только тогда, когда он циркулирует в цепи. Электрическая цепь — это канал, по которому течет электричество. Начинается цепь в источнике питания (например, в батарейке), к которому соединительным проводом подключен потребитель, например, лампа накаливания.

Цепь не оканчивается на потребителе, а возвращается по кольцу снова к источнику питания. Сила, поддерживающая течение электрического тока в цепи, называется электродвижущей силой, или напряжением. Так как потребители ослабляют ток в цепи, они называются сопротивлениями.

Понимание взаимосвязи между электрическим током, напряжением и сопротивлением может быть облегчено путем проведения аналогии между электрическим током и водой, текущей по каналу (рисунок вверху). Батарейка может быть представлена в виде водяного насоса, а электрический ток — в виде определенного объема воды. Аналогами двух электрических сопротивлений (двух ламп накаливания) являются два водослива в канале.

В такой модели каждый раз, когда вода (электрический ток) встречает водослив (сопротивление), она падает на более низкий уровень (меньшее напряжение). Объем воды остается неизменным, однако ее уровень (энергия) уменьшается. То же самое происходит с электрическим током. Когда электрический ток проходит через сопротивление, его энергия отводится в окружающую среду, а напряжение уменьшается.

Вычисление падения напряжения

Когда электрический ток проходит через сопротивление, например, через лампу накаливания, силовое воздействие на заряды (напряжение) уменьшается. Это уменьшение называется падением напряжения. Изменение напряжения может быть определено численно, путем умножения величины сопротивления на силу тока.

Электрический ток и поток электронов

Электроны (синие шарики) текут по направлению к положительному полюсу источника тока, т.е. навстречу электрическому току, который движется от положительного полюса к отрицательному (большая голубая стрелка). Сила тока зависит от того, сколько электронов пройдет через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Электрический ток в параллельной цепи

В параллельной цепи электрический ток (синие стрелки), прежде чем вернуться к своему источнику (красная батарейка), разделяется на две отдельные ветви.

Вид цепи и напряжение

Последовательная цепь содержит два сопротивления (R), которые поочередно снижают напряжение (V). Падение напряжения определяется суммой сопротивлений.

В параллельной цепи электрический ток проходит по различным путям. Такое расположение сопротивлений (R) вызывает одновременное падение напряжения.

Скорость электрического тока



Жизнь современного человека полна комфорта. Сегодня мы имеем все блага цивилизации в свободном доступе. Главным достижением, которое совершенствовалось в течение долгого времени, является электрическая энергия, доступная практически в любой части мира. Мы привыкли к тому, что электроэнергия повсюду и задумываемся о ней лишь в тот момент, когда она внезапно пропадает. На самом деле явление электричества таит в себе много интересного, что желательно было бы знать каждому человеку.


Например, одним из вопросов, которым нужно задаться, является скорость электрического тока. Мало кто думал о том, как быстро зажжется лампочка, находящаяся в сотне километров от источника энергии. Этот вопрос актуален для населенных пунктов, которые находятся вдали от цивилизации.


Опытным путем учеными и исследователями было доказано, что электрический сигнал движется по кабелю со скоростью света, а именно 300 тысяч км/сек.


Важно отметить, что электроны и ионы в проводнике при этом движутся совсем не с такой скоростью. Они просто на просто не могут иметь столь высокую скорость в проводящем материале. 


Под скоростью света в случае с электрическим током понимается показатель скорости, с которым заряженные частицы приходят в движение друг за другом, а не движутся относительно друг друга. Носители заряда при этом обладают средней скоростью, равной, как правило, нескольким миллиметрам за 1 сек.


Более подробно объясним данную ситуацию примером:


К заряженному конденсатору присоединяются провода большой длины, идущие к лампе, что находится на расстоянии около 100 км. Замыкание цепи происходит вручную. После этого носители зарядов приходят в движение на том отрезке провода, который подключен к конденсатору. При этом начинается покидание электронами минусовой обкладки конденсатора, следовательно, происходит уменьшение электрического поля в конденсаторе параллельно с уменьшением плюсовой обкладки.


Таким образом, между обкладками сокращается разность потенциалов. При этом электроны, пришедшие в движение, приходят на место тех, что ушли. То есть, запущен процесс перераспределения электронов внутри провода за счет влияния электрического поля. Данный процесс растет, как снежный ком, и переходит дальше по всей длине провода, достигая в итоге нити накаливания лампы.


Получается, что перемены в состоянии электрического поля распространяются внутри проводника со скоростью, равной скорости света. При этом происходит активация электронов в электрической цепи с аналогичной скоростью. Хотя сами электроны движутся друг за другом по проводнику с гораздо меньшей скоростью.


Теперь разберемся в явлении гидравлической аналогии. Рассмотрим это понятие на примере движения водного потока из пункта А в пункт Б.


Допустим, что из небольшого населенного пункта по трубе в город поступает вода. Для этого функционирует специальный насос, который повышает давление внутри трубы, и вода под влиянием давления движется гораздо быстрее. Малейшие перемены в давлении по трубе распространяются очень быстро (приблизительно 1400 км/сек). Скорость распространения данных перемен напрямую зависит от показателя плотности жидкости, ее температуры и степени оказываемого давления. Через совсем короткий промежуток времени (доля секунды) вода уже поступила в город. Но это уже совсем другая вода. Ведь молекулы в ее составе провоцируют движение друг друга из-за столкновений между собой. При этом скорость движения данных молекул гораздо меньше, ведь дрейфовая скорость имеет прямую связь с силой напора. То есть, столкновения молекул друг с другом распространяются очень быстро, а скорость одной молекулы при этом не увеличивается.


Абсолютно аналогичный процесс происходит с электрическим током. Проведем параллели: скорость распространения поля есть скорость распространения давления, а скорость движения молекул, следовательно, есть скорость электронов, создающих ток.


Дрейфовая скорость – это скорость последовательного движения заряженных частиц. Электронами данная скорость приобретается за счет действия внешнего электрического поля.


В случае, если внешнее электрическое поле отсутствует, то движение электронов внутри проводника происходит хаотично. Иными словами, конкретного направления у электрического тока нет, а дрейфовая скорость при этом нулевая.


При наличии внешнего электрического поля у проводника носители заряда приходят в движение, скорость которого зависит от ряда факторов (концентрация свободных электронов, площадь сечения провода, величины тока).


Таким образом, электрический ток имеет скорость распространения по проводнику равную скорости света. При этом скорость  движения тока в проводнике – очень мала.


Вам будут интересны такие познавательные статьи, как:

Откуда берется ноль в электричестве — советы электрика

Ответы@Mail.Ru: фаза и ноль. Куда что течет, откуда что берется? Ликбез

Ток течет из за разности потенциалов. В один период потенциал больше чем у земли, в другой период, потенциал меньше чем у земли. Деньги платишь за то, что создается эта самая разность потенциалов в фазе относительно земли или нуля. Это так же с водой по сути.

Вода тоже из земли берется, а если бы не строили водонапорные башни, или насосные станции, которые создают разность уровней (по сути потенциалов) , то и вода не текла бы.

Так что не важно откуда ток берется из земли или с электростанции, важно то, за счет чего он движется, А движется он за счет разности потенциалов, которая создается за счет работы всяких устройств на электростанции. По другому из земли ток никак не получить))

Обратите внимание

Каша у вас – даже разгребать не хочется. Из основного: из ноля ничего не течет; “ноль” и “земля” – разное. Почитайте внимательно еще раз ключевые понятия.

Лампочка светиться не будет, хотя напруга, возожно, будет. Ток течет по замкнутой цепи, т. е.

второй “нулевой” вывод розетки должен быть воткнут в землю, а величина тока будет определяться сопротивлением земли промеж ломом и воткнутым в землю выводом. Правда, “нулевой” вывод ужо “воткнут” в землю изначально. Ессно, ответ некорректный, но.. .

но такой уж и сам вопрос. P.S. Все переменные розетки запитываются от транчформатора.. . с которым Вам все ясно.. . что, судя по вопросу, сомнительно.

Так воткните два лома, а между ними подключите лампочку и пользуйтесь дармовой электоэнергией)) ) В вашем случае земля является проводником

Для того чтобы в этом разбираться нужно как минимум прослушать курс по энергетике. На электростанции “О” заземлен, на подстанции “О” заземлен, жилой многоквартирный дом заземлен. Все это заземлено на специальный контур заземления. Это сделано для того чтобы не было разности потенциалов между домами, между этажами, между квартирами.

И если вас бьет слегка током когда вы набираете воду в ванную или умываетесь, то это не всегда значит что кто то ворует электроэнергию, это и есть разность потенциалов между нулями. Она блуждает по земле и проедает оболочки и броню кабелей и делает еще много, много нехороших вещей.

PS если воткнуть хорошо два лома, то работает транзисторный радиоприемник, я в детстве так пробовал.

Тогда вопрос. Вода вытекает из трубы, втекает в другую трубу обратно к источнику. Между этими двумя трубами стоит потребитель и жадно пьёт вытекающую водичку.

Откуда в источнике восполняется выпитая водица!?! (Если система замкнутая по контуру, как в случае в вашими генераторами и ломами?) а потребитель сливает воду вне цикла системы потребления. Т, е.

Важно

откуда в системе электроснабжения генератором появляются Электроны с неизрасходованным зарядом.

Источник: https://touch.otvet.mail.ru/question/88372225

Фаза, ноль и земля – что это такое?

Электрическая энергия, которой мы пользуемся, вырабатывается генераторами переменного тока на электростанциях. Их вращает энергия сжигаемого топлива (угля, газа) на ТЭС, падающей воды на ГЭС или ядерного распада на АЭС.

До нас электричество добирается через сотни километров линий электропередач, претерпевая по дороге преобразования с одной величины напряжения в другую. От трансформаторной подстанции оно приходит в распределительные щитки подъездов и далее – в квартиру.

Или по линии распределяется между частными домами поселка или деревни.

Разберемся, откуда берутся понятия «фаза», «ноль» и «земля». Выходной элемент подстанции — понижающий трансформатор, с его обмоток низкого напряжения идет питание потребителю.

Обмотки соединяются в звезду внутри трансформатора, общая точка которой (нейтраль) заземляется на трансформаторной подстанции. Отдельным проводником она идет к потребителю. Идут к нему и проводники трех выводов других концов обмоток.

Эти три проводника называются «фазами» (L1, L2, L3), а общий проводник – нулем (PEN).

Система с глухозаземленной нейтралью

Поскольку нулевой проводник заземлен, то такая система называется «системой с глухозаземленной нейтралью». Проводник PEN называется совмещенным нулевым проводником.

До выхода в свет 7-го издания ПУЭ ноль в таком виде доходил до потребителя, что создавало неудобства при заземлении корпусов электрооборудования. Для этого их соединяли с нулем, и это называлось занулением.

Но через ноль шел и рабочий ток, и его потенциал не всегда равнялся нулю, что создавало риск поражения электрическим током.

Совет

Теперь из вновь вводимых трансформаторных подстанций выходят два нулевых проводника: нулевой рабочий (N) и нулевой защитный (РЕ).

Функции их разделены: по рабочему протекает ток нагрузки, а защитный соединяет подлежащие заземлению токопроводящие части с контуром заземления подстанции.

На отходящих от нее линиях электропередачи нулевой защитный проводник дополнительно соединяют с контуром повторного заземления опор, содержащих элементы защиты от перенапряжений. При вводе в дом его соединяют с контуром заземления.

Напряжения и токи нагрузки в системе с глухозаземленной нейтралью

Напряжение между фазами трехфазной системы называют линейным, а между фазой и рабочим нулем – фазным. Номинальные фазные напряжения равны 220 В, а линейные – 380 В.

Провода или кабели, содержащие в себе все три фазы, рабочий и защитный ноль, проходят по этажным щиткам многоквартирного дома. В сельской местности они расходятся по поселку при помощи самонесущего изолированного провода (СИП).

Если линия содержит четыре алюминиевых провода на изоляторах, значит, используются три фазы и PEN. Разделение на N и РЕ в таком случае выполняется для каждого дома индивидуально во вводном щитке.

К каждому потребителю в квартиру приходит одна фаза, рабочий и защитный ноль. Потребители дома распределяются по фазам равномерно, чтобы нагрузка была одинаковой. Но на практике этого не получается: невозможно предугадать, какую мощность будет потреблять каждый аб

Электричество | Электрические токи и цепи | Как производится и транспортируется электроэнергия

Все состоит из атомов. В каждом из них частиц по три : протоны, нейтроны и электроны. Электроны вращаются вокруг центра атома . У них отрицательный заряд . Протоны, находящиеся в центре атомов, имеют положительный заряд .

Обычно в атоме столько же протонов, сколько электронов.Он стабильный или сбалансированный . Углерод , например, имеет шесть протонов и шесть электронов.

Ученые могут заставить электроны перемещаться от одного атома к другому. Атом, который теряет электроны, заряжен положительно, атом, который получает больше электронов, заряжен отрицательно.

Электричество создается, когда электроны перемещаются между атомами. Положительные атомы ищут свободные отрицательные электроны, и притягивают их , так что они могут быть сбалансированы .

Проводники и изоляторы

Электричество может проходить через одних объектов лучше, чем через другие. Проводники — это материалы, через которые электроны могут перемещаться более свободно. Медь , алюминий, сталь и другие металлы являются хорошими проводниками. Как и некоторые жидкостей , как соленая вода.

Изоляторы — это материалы, в которых электроны не могут двигаться. Они остаются на месте .Стекло, резина, пластик или сухое дерево — хорошие изоляторы. Они важны для вашей безопасности , потому что без них вы не смогли бы прикоснуться к горячей кастрюле или розетке телевизора.

Электрический ток

Когда электроны движутся по проводнику, создается электрический ток . Ток, который всегда течет в одном направлении, называется постоянным током (DC). Например, аккумулятор производит постоянный ток.Ток, который течет назад и вперед , называется переменным током (AC).

Электрические схемы

Электроны не могут свободно прыгать по воздуху к положительно заряженному атому. Им нужен контур , чтобы двигаться. Когда источник энергии , такой как батарея, подключен к лампочке , электроны могут перемещаться от батареи к лампочке и обратно. Мы называем это электрической схемой .

Иногда в электрическом устройстве есть много цепей, которые заставляют его работать. В телевизоре или компьютере могут быть миллионы частей, которые соединены друг с другом различными способами.

Вы можете остановить протекание тока , вставив в цепь переключатель . Вы можете разомкнуть цепь и остановить движение электронов.

Кусок металла или проволока также может использоваться для выработки тепла.Когда электрический ток проходит через такой металл , он может быть замедлен сопротивлением . Это вызывает трение и нагревает проволоку. Поэтому можно поджарить хлеб в тостере или высушить волосы теплым воздухом из фена.

В некоторых случаях провода могут стать слишком горячими, если через них проходит слишком много электронов. Специальные выключатели , называемые предохранителями , защищают проводку во многих зданиях.

Виды электроэнергии

Статическое электричество
  • происходит, когда происходит накопление электронов
  • он остается на одном месте, а затем перескакивает на объект
  • не требуется замкнутый контур для подачи
  • — это вид электричества, который вы чувствуете, когда натираете пуловером какой-либо предмет или когда тащите ног по ковру.
  • молния представляет собой форму статического электричества
Текущая электроэнергия
  • происходит, когда электроны свободно перемещаются между объектами
  • ему нужен проводник — нечто, в чем он может течь, например, провод.
  • текущая электроэнергия требует замкнутой цепи
  • это во многих электрических приборах в наших домах — тостеры, телевизоры, компьютеры.
  • батарея — это форма электрического тока

Как работают аккумуляторы

Аккумулятор содержит жидких или пасты , которые помогают ему производить электрических зарядов . Плоский конец батареи имеет отрицательный заряд , а конец с выступом имеет положительный заряд.

При соединении провода между обоими концами протекает ток . Когда ток проходит через лампочку , электрическая энергия преобразуется в свет.

Химические вещества в батарее поддерживают концов заряженными и батарею в рабочем состоянии. Со временем химическое вещество становится все слабее и слабее, и батарея не может производить больше энергии.

Как производится электричество

Генераторы используются для преобразования механической энергии в электрическую. Магнит вращает внутри катушки из проволоки . Когда магнит движется, в проводе возникает электрический ток.

На большинстве электростанций используются турбины для вращения генератора. Вода нагревается до пара , который толкает лопаток турбины. Для нагрева воды можно использовать газ, нефть или уголь. Некоторые страны строят электростанции на реках, где движущаяся вода толкает лопасти турбины .

Как измеряется электричество

Электричество — это , измеренное в ваттах, названо в честь Джеймса Ватта, который изобрел паровой двигатель .Чтобы получить , равное на одну лошадиную силу, потребуется около 750 Вт.

Киловатт-час — это энергия 1000 ватт, которые работают в течение одного часа. Если, например, вы используете 100-ваттную лампочку в течение 10 часов, вы израсходовали 1 киловатт электроэнергии.

Как транспортируется электроэнергия

Электроэнергия, произведенная генератором, проходит по кабелям к трансформатору , который изменяет напряжение электричества. Линии электропередач несут высоковольтную электричество на очень большие расстояния.Когда он достигает вашего родного города, другой трансформатор понижает напряжение, а более мелкие линии электропередач доставляют его в дома, офисы и фабрики.

Электробезопасность

Важно понимать, почему и как можно защитить себя от поражения электрическим током .

Удар электрическим током происходит , когда электрический ток проходит через ваше тело.Это может привести к сердечной недостаточности и может повредить другие части вашего тела. Он также может обжечь кожу и другие тела тканей .

Очень слабый электрический объект, например, батарея, не может причинить вам вреда, но внутри дома у вас есть устройств и машины, которые используют 220 вольт.

Большинство машин в вашем доме имеют устройств безопасности , чтобы защитить вас. Что-то идет не так, специальный провод выводит электричество на землю, где ничего не может случиться.

Также существует опасность поражения электрическим током за пределами вашего дома. Деревья, которые касаются линий электропередачи , могут быть опасными. У молнии более чем достаточно электричества, чтобы убить человека. Если вы попали в грозу, держитесь подальше от открытых полей и возвышенностей. Одно из самых безопасных мест — это ваша машина, потому что молния ударит только по внешнему металлу машины.

Загружаемый текст и рабочие листы в формате PDF

Связанные темы

слов

  • прибор = электрическая машина, которую вы обычно используете в доме, например плита или стиральная машина
  • притягивать = притягивать к объекту
  • вперед и назад = идти в одном направлении, а затем в другом
  • сбалансированный = то же, что и стабильный
  • лезвие = плоская часть объекта, которая отталкивается от воды
  • накопление = увеличение
  • выступ = небольшой участок, который выше остальных
  • углерод = химический материал, содержащийся в угле или бензине. В чистом виде в бриллиантах
  • заряд = электричество, которое подводится к объекту, например, к батарее, чтобы дать ему энергию
  • цепь = полный круг, по которому проходит электрический ток
  • катушка = провод, который огибает объект по кругу и излучает свет или тепло, когда электричество проходит через
  • подключиться = присоединиться
  • преобразовать = изменить
  • медь = мягкий красно-коричневый металл, который легко пропускает электричество и тепло
  • шнур = кабель
  • ток = поток электричества через кусок металла
  • ток = поток электричества через кусок металла
  • уменьшить = уменьшить
  • устройство = станок или инструмент, который делает что-то особенное
  • распределительные линии = провода или кабели, по которым передается электричество
  • перетащить = тянуть
  • равно = то же, что
  • поток = переместить
  • трение = когда вы трете что-то о что-то другое, оно становится горячим
  • Предохранитель = короткий кусок провода внутри машины, который отключает электричество при слишком большой мощности
  • сердечная недостаточность = когда ваше сердце перестает биться
  • высокое напряжение = высокая электрическая сила
  • на месте = где они
  • увеличить = стать больше
  • травма = если вы поранились
  • оставить = остаться, остаться
  • лампочка = стеклянный объект внутри лампы. Дает свет
  • молния = мощная вспышка света в небе во время грозы
  • жидкость = жидкость, водянистый объект
  • измерено = единица чего-то
  • происходит = происходит
  • противень = круглый металлический контейнер, который вы используете для готовки
  • частица = очень маленькая часть атома
  • пройти через = пройти через
  • паста = липкое вещество, похожее на клей
  • розетка = для подключения электрического объекта к электросети дома
  • линия электропередачи = большой провод, по которому идет электричество над или под землей
  • сопротивление = материал, препятствующий прохождению через него электричества
  • повернуть = обойти
  • безопасность = безопасность, защита
  • средство безопасности = элементы в машинах или электрических объектах, которые защищают вас от травм
  • ученый = человек, имеющий научную подготовку
  • розетка = место в стене, где вы можете подключить электрический объект к основному источнику электроэнергии
  • источник = место, где вы что-то получаете от
  • spin = что-то быстро развернуть
  • пар = белый газ, который выделяется при нагревании воды
  • паровой двигатель = двигатель или мотор, работающий от пара
  • сталь = прочный металл, который можно формовать
  • переключатель = объект, который запускает или останавливает поток электричества при нажатии на него
  • ткань = материал, из которого формируются клетки животных или растений
  • преобразование = изменение
  • трансформатор = машина, которая переключает электричество с одного напряжения на другое
  • турбина = двигатель, который вращает специальное колесо вокруг
  • напряжение = электрическая сила, измеряемая в вольтах
  • провод = очень тонкий кусок металла, через который может проходить электричество
  • проводка = сеть проводов в доме или доме

10 способов увидеть теорию относительности Эйнштейна в реальной жизни

В 1905 году Альберт Эйнштейн разработал свою теорию относительности. Эта новаторская работа изменила то, как мы думаем и воспринимаем окружающий мир, опрокинув вековое общепринятое научное мышление.

Моя любимая аналогия теории исходит от самого мужчины:

«Когда вы сидите с хорошей девушкой два часа, вы думаете, что это всего лишь минута, но когда вы сидите на горячей плите минуту, вы думаете, что это два часа. Это относительность »- Альберт Эйнштейн

О самой теории

Большинству это может показаться сложным математическим решением эзотерической проблемы.Но насколько хорошо он объясняет то, что мы видим в повседневной жизни?

Сначала нужно уточнить кое-какие пояснения. Когда мы говорим о теории относительности, нам нужно быть немного яснее.

Специальная теория относительности утверждает, что законы физики во Вселенной равны неподвижному или неподвижному объекту или наблюдателю. В вакууме скорость света постоянна, независимо от наблюдателей. Он представил новую основу для всей физики и предложил новые концепции пространства и времени.

Но возникла проблема, а как насчет ускорения и силы тяжести? Следующие 10 лет Эйнштейн пытался включить ускорение в теорию и в 1915 году опубликовал свою общую теорию относительности. В ней он определил, что массивные объекты вызывают искажение пространства-времени, которое ощущается как гравитация.

Эти две теории можно рассматривать вместе как теорию относительности. Это помогает объяснить движение планет, влияние гравитации на свет и существование черных дыр.

Какой бы сложной ни казалась теория, на самом деле она удивительно проста. Во-первых, не существует «абсолютной» системы отсчета, отсюда и относительности. Каждый раз, когда вы измеряете скорость, импульс или время прохождения объекта, это всегда связано с чем-то еще. Во-вторых, скорость света — это постоянная величина, которую можно измерить, независимо от того, движется она или нет. В-третьих, ничто не может двигаться быстрее света.

Учитывая все это, как мы можем увидеть эффекты теории относительности в реальной жизни? Давайте узнаем.

1. Глобальная система позиционирования

Без компенсации релятивистских эффектов устройство GPS, которое сообщает вам, что, скажем, 0,8 км до следующей заправочной станции, будет удалено на 5 миль (8 км) всего за один день.

«Поскольку наблюдатель на земле видит спутники, движущиеся относительно них, Специальная теория относительности предсказывает, что мы должны увидеть, как их часы тикают медленнее», — объяснили исследователи из Университета штата Огайо.

[Источник изображения: Pixabay ]

Почему? Хотя спутники GPS не носятся со скоростью света, они движутся довольно быстро (около 6000 миль в час или 10 000 км / ч).Фактор в том, что они посылают сигналы к поверхности Земли, которая находится под большим влиянием земной гравитации. Это вызывает небольшое, но не незаметное релятивистское замедление времени, которое добавляет около 4 микросекунд каждый день. Добавьте сюда влияние силы тяжести, и цифра увеличится примерно до 7 микросекунд.

2. Не все то золото, что блестит.

Большинство металлов «блестят», потому что большая часть света отражается, а часть поглощается и переизлучается, когда электроны «прыгают и падают» в пределах орбиталей.

Золото, однако, очень тяжелый атом. Внутренние электроны движутся так быстро (почти вдвое медленнее света), что их масса увеличивается, а длина сокращается под действием теории относительности. Это дает им больше импульса и короче.

Эти электроны обладают почти такой же энергией, как и электроны во внешних оболочках, и поэтому длина поглощаемой и отраженной волны больше. Это означает, что поглощается больше света, чем «нормальный», что находится в синем конце спектра.

Это означает, что свет, отраженный от золота, имеет меньше синего и фиолетового, что придает золоту желтоватый цвет, поскольку эта часть спектра имеет более длинную волну, чем синий.

Это отличная статья, если вы хотите узнать больше.

4. Возвращение к золоту

Теория относительности влияет не только на привлекательный цвет золота. Это также влияет на способность золота вступать в реакцию с другими материалами.

Золото имеет только один электрон во внешней оболочке (согласно наивной модели Бора), что должно сделать его очень реактивным (подумайте о кальции или литии).Поскольку золото — такой массивный или тяжелый атом, эти электроны удерживаются ближе к ядру. Это означает, что электроны с меньшей вероятностью будут подвержены влиянию других атомов, поскольку они с большей вероятностью будут веселиться со своими собратьями-электронами золота, расположенными рядом с ядром.

3. Электромагниты

Электромагниты работают на основе теории относительности. Когда постоянный ток течет по одиночному проводу, проводящий материал электрически нейтрален без чистого положительного или отрицательного заряда. Теперь давайте поместим еще один идентичный провод рядом с первым.

Предполагая, что токи одинаковой силы движутся в одном направлении, электроны в первом проводе «видят» электроны во втором проводе как неподвижные. С точки зрения электронов, протоны в обоих проводах кажутся движущимися. Из-за релятивистского сокращения длины они кажутся более близко расположенными, поэтому на длину провода больше положительного заряда, чем отрицательного. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, два провода также отталкиваются.

Поменяйте местами один из токов в одном из проводов, и вы получите противоположный эффект, они будут притягивать вас, создавая вам электромагнит — круто.

[Источник видео: Veritasium]

5. Меркурий

Меркурий, как и золото, является очень тяжелым атомом. Как и в случае с золотом, электроны удерживаются ближе к ядру (и, следовательно, имеют большую скорость и массу, чем следовало бы ожидать). Это означает, что межатомные связи достаточно слабы, чтобы Меркурий имел более низкую температуру плавления, чем другие металлы, и, таким образом, существовал на Земле в жидком состоянии.

6. Ваш старый телевизор

Старые телевизоры содержат элемент, называемый электронно-лучевой трубкой.Они работают, выстреливая электронами на поверхность люминофора с помощью большого магнита. Каждый электрон соответствует освещенному пикселю на экране. Эти электроны движутся со скоростью примерно 30 процентов от скорости света, и релятивистские эффекты должны быть компенсированы при проектировании форм магнитов.

7. Свет

Исаак Ньютон предположил, что во Вселенной существует система абсолютного покоя. Если это правда, то света вообще не должно быть.

Эндрю Мур из Помона-колледжа объяснил это так:

«Не только магнетизм не существовал бы, но и свет не существовал бы, потому что относительность требует, чтобы изменения в электромагнитном поле двигались с конечной скоростью, а не мгновенно, если бы теория относительности не применялась это требование… изменения в электрических полях будут передаваться мгновенно… вместо электромагнитных волн, и ни магнетизм, ни свет будут ненужными.

8. Само ваше существование

Вся масса в нашей солнечной системе образовалась от сверхновой до рождения нашего Солнца. Мы — дети этой давно мертвой Звезды, и все более тяжелые атомы создаются и производятся в сверхновых.

Сверхновые возникают, когда релятивистские эффекты преодолевают квантовые эффекты в огромных звездах. Внешние слои звезды коллапсируют на ядро. Затем оно взрывается, создавая элементы тяжелее железа. Фактически, почти все тяжелые элементы, с которыми мы знакомы сегодня.

9. (и 10) * Ядерная энергия и солнечный свет

* (Хорошо, мы немного обманули)
От атомных электростанций до нашей домашней звезды, E = MC2 описывает явление, когда масса и энергия взаимосвязаны и преобразуются друг в друга. . Без этого у нас не было бы ядерной энергии и, что более важно, солнечного света.

СМОТРИ ТАКЖЕ: одна карта объясняет, как взаимосвязана целостность физики

Источники Живая наука, Джон Уокер, Veritasium

Магнитное поле, связанное с током | Электромагнетизм

10. 2 Магнитное поле, связанное с током (ESBPS)

Если вы держите компас рядом с проводом, через который проходит ток
течет, стрелка компаса отклоняется.

Поскольку компасы работают, указывая вдоль силовых линий магнитного поля, это означает, что рядом с проводом, по которому течет ток, должно быть магнитное поле.

Магнитное поле, создаваемое электрическим током, всегда
ориентированы перпендикулярно направлению тока. Ниже приведен эскиз того, как выглядит магнитное поле вокруг провода, когда в нем течет ток.Мы используем \ (\ vec {B} \) для обозначения магнитного поля и стрелки на силовых линиях, чтобы показать направление магнитного поля.
Обратите внимание на , что при отсутствии тока магнитного поля не будет.

Направление тока в проводе (проводе) показано центральной стрелкой. Кружки являются линиями поля, и они также имеют направление, указанное стрелками на линиях. Как и в случае с силовыми линиями электрического поля, чем больше количество линий (или чем они ближе друг к другу) в области, тем сильнее магнитное поле.

Важно: Все наши обсуждения направлений полевых работ предполагают, что мы имеем дело с условным током .

Чтобы визуализировать эту ситуацию, поставьте ручку или карандаш прямо на стол. Круги центрируются вокруг карандаша или ручки и должны быть нарисованы параллельно поверхности стола. Кончик ручки или карандаша должен указывать в направлении тока.

Вы можете посмотреть на карандаш или ручку сверху, и карандаш или ручка будут точкой в ​​центре кругов.Направление силовых линий магнитного поля в этой ситуации — против часовой стрелки.

Чтобы было легче увидеть, что происходит, мы нарисуем только один набор круговых линий полей, но учтите, что это только для иллюстрации.

Если вы положите лист бумаги за карандаш и посмотрите на него сбоку, то увидите, что круговые линии поля расположены сбоку, и трудно понять, что они круглые. Они проходят через бумагу. Помните, что линии поля имеют направление, поэтому когда вы смотрите на лист бумаги сбоку, это означает, что круги входят в бумагу с одной стороны карандаша и выходят из бумаги с другой стороны.

Когда
рисуем направления магнитных полей и токов, используем
символы \ (\ odot \) и \ (\ otimes \).
Символ
\ (\ odot \)
представляет собой
стрелка, выходящая со страницы, и символ
\ (\ время \)
представляет собой стрелку, ведущую на страницу.

Значения символов легко запомнить, если вспомнить
стрела с острым концом на голове и хвост с перьями в форме креста.

Датский физик Ганс Кристиан Эрстед однажды в 1820 году читал лекцию о возможности связи электричества и магнетизма друг с другом и в процессе убедительно продемонстрировал это с помощью эксперимента перед всем своим классом.Пропуская электрический ток через металлический провод, подвешенный над магнитным компасом, Эрстед смог вызвать определенное движение стрелки компаса в ответ на ток. То, что начиналось как предположение в начале урока, в конце подтвердилось как факт. Излишне говорить, что Эрстеду пришлось пересматривать свои конспекты лекций для будущих занятий. Его открытие открыло дорогу совершенно новой отрасли науки — электромагнетизму.

Теперь мы рассмотрим три примера токоведущих проводов.Для каждого примера мы определим магнитное поле и проведем силовые линии магнитного поля вокруг проводника.

Магнитное поле вокруг прямого провода (ESBPT)

Направление магнитного поля вокруг токоведущей
проводник показан на рисунке 10.1.

Рисунок 10.1:
Магнитное поле вокруг проводника, когда вы смотрите на
проводник с одного конца. (а) Ток течет со страницы и
магнитное поле против часовой стрелки. (б) Ток течет в
страницы и магнитное поле по часовой стрелке.Рисунок 10.2:
Магнитные поля вокруг проводника, смотрящего на проводник. (а) Ток течет по часовой стрелке. (б) ток течет против часовой стрелки.

Направление магнитного поля

Используя направления, указанные на рисунках 10.1 и 10.2, попытайтесь найти правило, которое легко подскажет вам направление магнитного поля.

Подсказка: используйте пальцы. Возьмите проволоку в руки и попытайтесь найти связь между направлением большого пальца и направлением, в котором они сгибаются.

Существует простой способ найти взаимосвязь между направлением тока, протекающего в проводнике, и направлением магнитного поля вокруг того же проводника. Метод называется Правило правой руки . Проще говоря, Правило правой руки гласит, что силовые линии магнитного поля, создаваемые токоведущим проводом, будут ориентированы в том же направлении, что и скрученные пальцы правой руки человека (в положении «автостоп»), при этом большой палец должен указывать внутрь. направление тока.

Ваша правая и левая рука уникальны в том смысле, что вы не можете повернуть одну из них, чтобы она находилась в том же положении, что и другая. Это означает, что правая часть правила важна. Вы всегда получите неправильный ответ, если воспользуетесь не той рукой.

Правило правой руки

Используйте Правило правой руки, чтобы нарисовать направления магнитных полей для следующих проводников, при этом токи текут в направлениях, показанных стрелками. Первая задача выполнена за вас.

1.

2.

3.

4.

6.928

7.

8.

9.

10.

11.

12.

Магнитное поле вокруг проводника с током

Аппарат

  1. один \ (\ text {9} \) \ (\ text {V} \)
    аккумулятор с держателем

  2. два соединительных провода с зажимами типа «крокодил»

  3. компас

  4. секундомер

Метод

  1. Подключите провода к батарее, оставив один конец каждого провода неподключенным, чтобы цепь не замкнулась.

  2. Обязательно ограничивайте ток до \ (\ text {10} \) \ (\ text {seconds} \) за раз (вы можете спросить, у провода очень маленькое сопротивление, поэтому батарея разряжается квартира очень быстро). Это сделано для продления срока службы батареи, а также для предотвращения перегрева проводов и контактов батареи.

  3. Поднесите компас к проводу.

  4. Замкните цепь и посмотрите, что происходит с компасом.

  5. Поменяйте полярность батареи и замкните цепь. Понаблюдайте, что происходит с компасом.

Выводы

Используйте свои наблюдения, чтобы ответить на следующие вопросы:

  1. Создает ли ток, протекающий по проводу, магнитное поле?

  2. Магнитное поле присутствует, когда ток не течет?

  3. Зависит ли направление магнитного поля, создаваемого током в проводе, от направления тока?

  4. Как направление тока влияет на магнитное поле?

Магнитное поле вокруг токоведущей петли (ESBPV)

До сих пор мы рассматривали только прямые провода, по которым проходит ток, и магнитные поля вокруг них. Мы собираемся изучить магнитное поле, создаваемое кольцевыми витками провода, по которому проходит ток, потому что это поле имеет очень полезные свойства. Например, вы увидите, что мы можем создать однородное магнитное поле.

Магнитное поле вокруг петли проводника

Представьте себе две петли из проволоки, по которым течет ток (в противоположных направлениях) и которые параллельны странице вашей книги. Используя правило правой руки, нарисуйте то, что, по вашему мнению, будет выглядеть магнитное поле в разных точках вокруг каждой из двух петель.В петле 1 ток течет против часовой стрелки, а в петле 2 ток течет по часовой стрелке.

Если вы сделаете петлю из проводника с током, то направление магнитного поля определяется применением правила правой руки к разным точкам петли.

Обратите внимание, что есть разновидность правила правой руки. Если вы заставите пальцы правой руки следовать за направлением тока в петле, ваш большой палец будет указывать в том направлении, где выходят силовые линии. Это похоже на северный полюс (где силовые линии выходят из стержневого магнита) и показывает, какая сторона петли будет притягивать северный полюс стержневого магнита.

Магнитное поле вокруг соленоида (ESBPW)

Если мы теперь добавим еще одну петлю с током в том же направлении, то магнитное поле вокруг каждой петли можно будет сложить вместе, чтобы создать более сильное магнитное поле. Катушка из множества таких петель называется соленоидом . Соленоид — это цилиндрическая катушка с проволокой, действующая как магнит, когда электрический ток течет по проволоке.Картина магнитного поля вокруг соленоида аналогична картине магнитного поля вокруг стержневого магнита, который вы изучали в 10-м классе, у которого были определенные северный и южный полюсы, как показано на рисунке 10.3.

Какие факторы влияют на ток, протекающий по проводам? Эссе

Я собираюсь исследовать, как сопротивление провода влияет на ток, протекающий по нему. Я знаю, что при изменении сопротивления меняется и ток по закону Ома: I = V / R.Если одна часть уравнения изменяется, то же самое должно быть сделано с противоположной стороной. Чтобы определить, как сопротивление влияет на ток, я должен сначала выяснить, какие факторы влияют на сопротивление. Это следующие факторы:

· Длина провода — если провод более длинный; есть больше частиц, через которые проходят электроны, и, следовательно, большее сопротивление. · Электропроводность — в зависимости от металла, из которого изготовлен провод, сопротивление будет меньше / больше. · Температура — сопротивление многих металлов изменяется при повышении температуры, поэтому мы используем проволоку из константана.· Диаметр / площадь поперечного сечения — если проволока имеет больший диаметр, у частиц больше места для движения.

Я исследую, как диаметр провода влияет на его сопротивление и, следовательно, на ток в цепи. Я буду сохранять другие переменные постоянными, чтобы убедиться, что это честный тест.

Для этого расследования мне понадобится следующее оборудование: · Блок питания
· Переменный резистор
· Амперметр
· Вольтметр
· 6 проводов разного диаметра

Я настрою схему, как показано на схеме:

Пропуская через провод постоянное напряжение, я смогу определить его сопротивление по закону Ома из-за постоянного напряжения, и то я буду знать сопротивление схемы с помощью переменного резистора.Я буду поддерживать постоянное низкое выходное напряжение от блока питания, чтобы напряжение не было слишком высоким, чтобы его показывал вольтметр. Я подключу первый провод, затем пропущу через него заданное напряжение, подождав некоторое время, пока амперметр не покажет один результат, а затем запишу этот результат. Я сниму 7 отсчетов, каждое из которых следует той же процедуре, что и первое, каждое из которых будет иметь различный диаметр проволоки. Я буду использовать следующие 7 размеров проволоки:

Чтобы убедиться, что это действительно правильный диаметр, как. ..

Продолжить чтение

Присоединяйтесь к StudyMode, чтобы прочитать полный документ

Lecture Notes Глава 1

Lecture Notes Глава 1

5.1. Магнитное поле

Рассмотрим два параллельных прямых провода, по которым течет ток.В
провода являются нейтральными, поэтому между ними отсутствует электрическая сила.
провода. Тем не менее, если ток в обоих проводах течет по одному и тому же
направление, провода притягиваются друг к другу. Если ток в одном из
провода перевернуты, провода отталкиваются друг от друга. Сила
ответственный за притяжение и отталкивание называется магнитным магнитом
сила
. Магнитная сила, действующая на движущийся заряд q , определяется в
условия магнитного поля :

Векторное произведение требуется, поскольку наблюдения показывают, что сила
действие на движущийся заряд перпендикулярно направлению движущегося
плата. В области, где есть электрическое поле и магнитное поле,
Суммарная сила на движущейся силе равна

Это уравнение называется законом силы Лоренца и дает нам
общая электромагнитная сила, действующая на q . Важное отличие
между электрическим полем и магнитным полем заключается в том, что электрическое поле
действует на заряженную частицу (вызывает ускорение или замедление), пока
магнитное поле не действует на движущийся заряд.Это прямой
Следствие закона силы Лоренца:


Мы заключаем, что магнитная сила может изменить направление, в котором
частица движется, но не может изменить свою скорость.

Пример: проблема
5.1

Частица заряда q попадает в область однородного магнитного
поле

(указывая на страницу). Поле отклоняет частицу на расстояние d
над исходной линией полета, как показано на рисунке 5.1. Заряд
положительное или отрицательное? В терминах a , d , B и q ,
найти импульс частицы.

Для производства наблюдаемых
отклонение, сила на q на входе в область поля должна быть
направлен вверх (см. рисунок 5.1). Поскольку направление движения частицы
и направление магнитного поля известны, закон силы Лоренца может быть
используется для определения направления магнитной силы, действующей на положительный
заряд и на отрицательный заряд.Векторное произведение между

а также

указывает вверх на Рисунке 5.1 (используйте правило правой руки). Это показывает, что
заряд частицы положительный.

Рисунок
1. Проблема 5.1.

Величина силы, действующей на движущийся заряд, равна
на номер

В результате действия магнитной силы заряженная частица будет следовать за
сферическая траектория. Радиус траектории определяется
требование, чтобы магнитная сила обеспечивала центростремительную силу:

В этом уравнении r — радиус окружности, описывающей
Круговая часть траектории заряда q .Уравнение можно использовать для
рассчитать r :

, где p — импульс частицы. Рисунок 5.2 показывает
следующее соотношение между r , d и a :

Это уравнение можно использовать для выражения r через d и
a :

Таким образом, импульс заряда q равен

Рисунок
2.Проблема 5.2.

Электрический ток в проводе возникает из-за движения электронов в
провод. Направление тока определяется как направление, в котором
положительные заряды движутся. Следовательно, в проводнике ток направлен
противоположно направлению электронов. Величина тока равна
определяется как общий заряд за единицу времени, проходящий через заданную точку провода
( I = дк / дт ). Если ток течет в области с ненулевым
магнитное поле, то каждый электрон будет испытывать магнитную силу.Рассмотрим
крошечный отрезок провода длиной дл . Предположим, что электронная плотность
составляет — λ Кл / м и что каждый электрон движется со скоростью
v . Магнитная сила, действующая магнитным полем на одиночный электрон
равно

Отрезок провода длиной дл содержит λ дл / э
электроны. Следовательно, магнитная сила, действующая на этом участке, равна
на номер

Здесь мы использовали определение тока I в терминах
dq и dt :


В этом выводе мы определили направление

быть равным направлению тока (и, следовательно, противоположно направлению
направление скорости электронов).Общая сила на проводе составляет
следовательно, равно


Здесь я предположил, что ток постоянен по всему проводу. Если
ток течет по поверхности, обычно это поверхность
плотность тока
,
который представляет собой ток на единицу длины, перпендикулярный потоку. Сила на
поверхностный ток равен


Если ток течет через объем, обычно это описывается в терминах
объемной плотности тока
.Магнитная сила на объемном токе равна


Поверхностный интеграл плотности тока

на поверхности объема В равно общему заряду, выходящему из
объем в единицу времени (сохранение заряда):

Используя теорему о расходимости, мы можем переписать это выражение как

Поскольку это должно выполняться для любого объема V , мы должны потребовать, чтобы


Это уравнение известно как уравнение неразрывности .

5.2. Закон Био-Савара

В этом разделе мы обсудим магнитное поле, создаваемое установкой .
Curren
т. Постоянный ток — это продолжающийся поток заряда.
навсегда, и будет продолжаться вечно. Эти токи создают магнитные поля
постоянные во времени. Магнитное поле, создаваемое постоянным линейным током
дается законом Био-Савара :


где

элемент проволоки,

— вектор, соединяющий элемент провода и P , а

— постоянная проницаемости, равная

Единицей измерения магнитного поля является тесла ( Т ).Для поверхности
и объемных токов закон Био-Савара можно переписать как

и

и


где

указывает из бумаги. Таким образом, полное магнитное поле P составляет
равно

Рисунок
5.3. Проблема 5.9.

б) Магнитное поле на P , создаваемое круглым сегментом
токовая петля равна


где

указывает из бумаги.Магнитное поле, создаваемое на P каждым
двух линейных сегментов также будут направлены по минусу z
ось. Величина магнитного поля, создаваемого каждым линейным сегментом, равна
только половина поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводом (см. Пример
5 в Гриффитсе):

Таким образом, общее поле P равно

Пример: Задача 5.12
Предположим, у вас есть два бесконечных
прямолинейные заряды λ , расстояние d друг от друга, движущиеся на
константа v (см. рисунок 5.4). Насколько быстро должно быть v ?
приказ, чтобы магнитное притяжение уравновесило электрическое отталкивание?

Рисунок
5.4. Проблема 5.12.

Когда линейный заряд движется, он выглядит как ток величиной I =
λv . Два параллельных тока притягивают друг друга, и
сила притяжения на единицу длины

и привлекательно.Электричество, генерируемое одним из проводов, можно найти
по закону Гаусса и равно

Электрическая сила на единицу длины, действующая на другой провод, равна
на номер

и является отталкивающим (как заряды). Электрические и магнитные силы равны
сбалансирован при

или

Это требует, чтобы


Для этого требуется, чтобы скорость v была равна скорости света, и
поэтому этого никогда не достичь.Следовательно, при всех скоростях электрический
сила будет преобладать.

5.3. Дивергенция и завиток B .

Использование закона Био-Савара для объемного тока

мы можем вычислить дивергенцию и ротор
:

и

Это последнее уравнение называется законом Ампера в дифференциальной форме .
Это уравнение можно переписать, используя закон Стокса, как


Это уравнение называется законом Ампера в интегральной форме.
направление вычисления линейного интеграла и направление поверхности
вектор элемента

должно соответствовать правилу правой руки.
Закон Ампера всегда верен,
но это только полезный инструмент для оценки магнитного поля, если симметрия
система позволяет тянуть

вне линейного интеграла. Конфигурации, с которыми может работать Ampere’s
закон:
1. Бесконечные прямые
2. Бесконечные плоскости
3. Бесконечные
соленоиды
4.Тороиды

Пример: Задача 5.14
Толстая плита
простираясь от z = — a до z = несет униформу
объемный ток
.
Найдите магнитное поле внутри и снаружи плиты.

Рисунок
5.5. Задача 5.14

Из-за симметрии задачи магнитное поле будет направлено
параллельно оси y . Магнитное поле в области выше
xy плоскость ( z > 0) будет зеркальным отображением поля в
область ниже плоскости xy (плоскость z xy ( z = 0) будет равна нулю.Рассмотрим амперианца
контур показан на рисунке 5.5. Ток течет из бумаги, и мы
выбрать направление

быть параллельным направлению
.
Следовательно,


Направление вычисления линейного интеграла

должны соответствовать нашему выбору направления

(правило правой руки). Для этого требуется, чтобы линейный интеграл от

должны оцениваться против часовой стрелки. Линейный интеграл от

равно


Применяя закон Ампера, получаем для
:

Таким образом

5.4. Векторный потенциал

Магнитное поле, создаваемое статическим распределением тока, однозначно
определяется так называемыми уравнениями Максвелла для магнитостатики :

Аналогичным образом электрическое поле, создаваемое распределением статического заряда, равно
однозначно определяется так называемыми уравнениями Максвелла для
электростатика
:

Дело в том, что расхождение

равен нулю, говорит об отсутствии точечных сборов за
.Поэтому силовые линии магнитного поля нигде не начинаются и не заканчиваются (в отличие от
силовые линии электрического поля, которые начинаются с положительных точечных зарядов и заканчиваются отрицательными
точечные сборы). Поскольку магнитное поле создается движущимися зарядами, магнитное поле
поле не может существовать без электрического поля. В
напротив, будет существовать только электрическое поле, если заряды не
переехать.
Уравнения Максвелла для магнитостатики показывают, что если ток
плотность известна, дивергенция и ротор магнитного поля равны
известный.Теорема Гельмгольца указывает, что в этом случае существует вектор
потенциал


такое что

Однако векторный потенциал не определен однозначно. Мы можем добавить к этому
градиент любой скалярной функции f без изменения ее
локон:


Расхождение

равно


Оказывается, всегда можно найти скалярную функцию f такую, что
векторный потенциал

без расхождения.Основная причина введения требования, чтобы

состоит в том, что он упрощает многие уравнения с векторным потенциалом. За
Например, закон Ампера переписан в терминах

это

или

Это уравнение похоже на уравнение Пуассона для распределения заряда
ρ :


Следовательно, векторный потенциал

можно рассчитать из текущего

аналогично тому, как мы получили V из ρ .Таким образом,


Примечание: эти решения требуют, чтобы токи стремились к нулю при
бесконечность (аналогично требованию, чтобы ρ стремились к нулю при
бесконечность).

Пример: Задача 5.22
Найдите магнитный вектор
потенциал конечного отрезка прямого провода, по которому течет ток I .
Убедитесь, что ваш ответ соответствует ур. (5.35) Гриффитса.

ток на бесконечности равен нулю в этой задаче, и поэтому мы можем использовать
выражение для

в терминах линейного интеграла тока I .Считайте провод
расположен вдоль оси z между z 1 и
z 2 (см. Рисунок 5.6) и используйте цилиндрические координаты. В
векторный потенциал в точке P не зависит от φ
(цилиндрическая симметрия) и равняется

Здесь мы предположили, что начало системы координат выбрано
так, что P имеет z = 0. Магнитное поле при P может быть
получена из векторного потенциала и равна

, где определены θ 1 и θ 2
на рисунке 5.6. Этот результат идентичен результату примера 5 в
Гриффитс.

Рисунок
5.6. Проблема 5.25.


поскольку

однородна, она не зависит от r , θ и φ и
поэтому второй и третий слагаемые в правой части этого уравнения равны
нуль. Первый член, выраженный в декартовых координатах, равен
.

Четвертый член, выраженный в декартовых координатах, равен


Следовательно, завиток

равно


Расхождение

равно



Пример: Задача 5.26
Найдите векторный потенциал выше и
ниже плоского поверхностного тока из примера 5.8 в Гриффитсе.

В примере
5.8 по Гриффитсу, однородный поверхностный ток течет в плоскости xy ,
направлен параллельно оси x :

В области над плоскостью xy ( z > 0) магнитная
поле равно

Следовательно,

В области ниже плоскости xy ( z <0) магнитная поле равно

Следовательно,


Мы можем убедиться, что наше решение для

правильно, вычислив ротор

(которое должно быть равно магнитному полю).Для z > 0:


Векторный потенциал

однако не определен однозначно. Например,

а также

также возможные решения, которые создают такое же магнитное поле. Эти
решения также удовлетворяют требованию, чтобы
.

5.5. Три фундаментальных количества
Магнитостатика

5.6. Граничные условия B

В главе 2 мы изучили граничные условия электрического поля и
пришли к выводу, что электрическое поле испытывает разрыв при поверхностном заряде.Точно так же магнитное поле терпит разрыв на поверхности
текущий.

Рисунок
5.7. Граничные условия для
.

Рассмотрим поверхностный ток

(см. рисунок 5.7). Поверхностный интеграл

над вафельной тонкой дот равен

, где A ​​ — это площадь верхней и нижней части таблетки для таблеток. В
поверхностный интеграл

можно переписать, используя теорему о расходимости:


поскольку

для любого магнитного поля
.Следовательно, перпендикулярная составляющая магнитного поля непрерывна при
поверхностный ток:


Линейный интеграл от

вокруг петли, показанной на рисунке 5.8 (в пределе ε → 0)
равно


Согласно закону Ампера линейный интеграл от

вокруг этого цикла равно

Рисунок
5.8. Граничные условия для
.

Следовательно, граничное условие для составляющей
, г.
параллельно поверхности и перпендикулярно току, равно


Граничные условия для

можно объединить в одно уравнение:


где

— единичный вектор, перпендикулярный поверхности и поверхностному току, а
указывая «вверх».Векторный потенциал

непрерывна при поверхностном токе, но ее нормальная производная нет:

5.7. Мультипольное расширение магнитного
Поле

Для вычисления векторного потенциала локализованного распределения тока при
на больших расстояниях мы можем использовать мультипольное разложение. Рассмотрим токовую петлю
с током I . Векторный потенциал этой токовой петли можно записать
как

На большом расстоянии только первая пара членов мультипольного разложения
необходимо учитывать:


Первый член называется монопольным членом и равен нулю.
(поскольку линейный интеграл от

равно нулю для любого замкнутого контура).Второй член, называемый диполем
термин
, обычно является доминирующим термином. Векторный потенциал, порожденный
дипольные члены равны

Это уравнение можно переписать как


где

называется магнитным дипольным моментом токовой петли. Это определено
как


Если токовая петля является плоской (ток находится на поверхности
самолет) тогда

— площадь треугольника, показанного на рисунке 5.9. Следовательно,

, где a — это площадь, ограниченная токовой петлей. В этом случае
дипольный момент токовой петли равен


где направление

должно соответствовать направлению тока в контуре (правый
правило).

Рисунок
5.9. Расчет
.

Предполагая, что магнитный диполь находится в начале нашего
система координат и что

направлен вдоль положительной оси z , получаем для
:

Соответствующее магнитное поле равно


Форма поля, создаваемого магнитным диполем, идентична форме поля.
форма поля, создаваемого электрическим диполем.

Пример: проблема
5.33

Покажите, что магнитное поле диполя можно записать в виде
в произвольной форме координат:

Рисунок
5.10. Проблема 5.33.

Рассмотрим конфигурацию, показанную на рисунке 5.10. Скалярное произведение
между

а также

равно


Скалярное произведение между

а также

равно

Следовательно,



Пример: Задача 5.34
Круглая проволочная петля с радиусом
R , лежит в плоскости xy с центром в начале координат и несет
ток I вращается против часовой стрелки, если смотреть со стороны плюса z
ось.
а) Каков его магнитный дипольный момент?
б) Что это (приблизительно)
магнитное поле в точках, удаленных от начала координат?
c) Покажите, что для точек на
z ось, ваш ответ согласуется с точным полем, вычисленным в
Пример 6 Гриффитса.

a) Поскольку токовая петля является плоской, ее
дипольный момент легко вычислить. Равно

б) Магнитное поле на больших расстояниях примерно равно
на номер

c) Для точек на положительной оси z θ = 0 °.
Следовательно, для z > 0

Передние точки на отрицательной оси z θ = 180 °.Следовательно, для z <0


Точное решение для

на положительной оси z

Для z » R поле примерно равно


что согласуется с дипольным полем тока
петля.

Пример: Задача 5.35
Фонографическая запись радиуса
R , несущий однородный поверхностный заряд σ , вращается на
постоянная угловая скорость ω .Найдите его магнитный диполь
момент.

Период вращения диска равен

Считайте, что диск состоит из большого количества тонких колец. Рассмотрим
одинарное кольцо внутреннего радиуса r и dr . Заряд на такой
кольцо равно

Поскольку заряд вращается, движущийся заряд соответствует току
dI :

Следовательно, дипольный момент этого кольца равен

Полный дипольный момент диска равен

Понимание того, как электричество течет по контуру

Существует очень опасный миф, который на самом деле может привести к серьезным травмам и даже смерти — «Электричество всегда следует по пути наименьшего сопротивления».Это один из тех мифов, которые возникли в результате несоразмерного раздува общего факта.

Забудьте о колледжах и инженерных школах, большинство старшеклассников узнают, что электричество действительно ведет себя таким образом, что является частью основ электричества и сопротивлений. Вызывает тревогу тот факт, что этот миф не просто констатируется как факт, это общепринятая практика во многих конструкциях электрических цепей, особенно когда дело касается заземления.

Зайдите на любой промышленный завод, где используются двигатели или насосы, и вы обнаружите, что все они подключены к заземляющим стержням.Спросите любого, почему это сделано, и вы, вероятно, получите одинаковый ответ повсюду (даже от людей, отвечающих за обслуживание электрооборудования) — это для устранения разницы потенциалов.

Вернуться к основам

Двигатель, подключенный к заземляющему кабелю, должен быть безопасным, поскольку электрический путь будет иметь меньшее сопротивление, и электричество будет идти по нему, но здесь чего-то не хватает. Теория не согласуется с законом параллельных цепей Кирхгофа.Правильно, тот же закон, который используют студенты-электрики в первый год обучения для расчета сопротивления одного резистора, подключенного параллельно другим.

Давайте посмотрим на базовый сценарий, когда два резистора 100 Ом подключены параллельно, и вам нужно рассчитать общее сопротивление. Вот как это сделать:

Общее сопротивление = 1 / (1 / R1 + 1 / R2)
Rt = 50 Ом

На самом деле все просто, но чтобы понять, почему миф об электричестве идет по пути наименьшего Сопротивление не совсем верно, вам нужно вникнуть в это немного глубже.Если бы был один резистор, сопротивление было бы 100 Ом, но добавление еще одного параллельно дает 50 Ом, что составляет половину сопротивления. Это потому, что теперь электричество течет по двум путям, а не по одному.

Думайте об этом как о воде, протекающей по 4-дюймовой трубе. Добавьте еще одну трубу параллельно, и вы получите удвоенный поток.

Как это можно применить к сценариям реального мира?

Давайте возьмем для примера схему с 3 резисторами с разным сопротивлением (20 Ом, 300 Ом и 600 Ом), подключенными параллельно, через которые проходит ток 33 А.Вот как будет распределяться ток по закону:

  • Резистор 1 (2 Ом) — 30 А
  • Резистор 2 (300 Ом) — 2 А
  • Резистор 3 (600 Ом) — 1 А

Теперь, если электричество принимает только путь наименьшего сопротивления, полное сопротивление цепи должно быть всего 2 Ом, и все 33 ампера должны протекать через резистор 1.

Вот почему это происходит — Электричество будет течь по каждому доступному пути, обратно пропорционально сопротивлению каждого пути.

Итак, что это означает?

Проще говоря, заземление может снизить вероятность поражения электрическим током, и большая часть тока будет направлена ​​от вашего тела. Однако это еще не все — далеко не все! Даже правильное заземление — это лишь один из нескольких путей, по которым может проходить электричество, и учтите, что:

Подшипники двигателя тоже могут проводить электричество, поэтому, если кто-то коснется двигателя, поставив одну ногу на землю кабель, доступен другой путь — тот, который проходит прямо через его или ее сердце.

Электричество всегда пытается найти путь обратно к источнику, которым в данном случае является трансформатор питания. Человеческое тело обычно имеет сопротивление 100 Ом, что намного ниже, чем сопротивление грязи между трансформатором и заземляющим стержнем. Если блуждающего тока достаточно, человек, стоящий ногой на заземляющем стержне, все равно может получить удар током.

Учитывая, сколько раз мы все слышали именно этот миф, разобраться в этой концепции может быть немного сложно.Если вы все еще не уверены, попробуйте записать все это на бумаге, чтобы вы могли проследить рассуждения. Нарисуйте схему с двигателем, заземляющим стержнем и трансформатором питания, введите значения всех сопротивлений, нарисуйте различные параллельные пути, доступные для тока, и тогда вы получите картину!

D&F Liquidators обслуживает потребности в строительных материалах для электротехники более 30 лет. Это международная информационная служба площадью 180 000 квадратных метров, расположенная в Хейворде, Калифорния.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *