Электромагнитные явления (коды ОГЭ 3.1 — 3.10)

3.1., 3.2. Электризация тел. Два вида электрических зарядов. Взаимодействие электрических зарядов Заряд – скалярная физическая величина, являющаяся количественной мерой электромагнитного взаимодействия. Тело обладает электрическим зарядом, если мы знаем, что при определённых условиях оно может притягиваться к другим телам или отталкиваться от них. Существует два вида зарядов, которые условно называют положительными (например, заряд на стекле, потёртом о шёлк) и отрицательными (например, заряд на эбоните, потёртом о шерсть). Внимание! В процессе электризации переходить с одного тела на другое могут только электроны. Тело, с которого электроны уходят, заряжается положительно. Тело, на которое электроны перемещаются, заряжается отрицательно. Заряд тела положителен (+) – не хватает электронов; заряд тела отрицателен (–) – имеется избыток электронов. Одноимённо заряженные тела отталкиваются. Разноимённо заряженные тела притягиваются. Внимание! Если рассматривается взаимодействие заряженного тела с нейтральным телом, то возможны две ситуации: 1) нейтральное тело можно считать точечным; в этом случае взаимодействием можно пренебречь 2) нейтральное тело является протяжённым (нельзя считать точечным); в этом случае надо учитывать, что произойдёт смещение зарядов внутри нейтрального тела и всегда будет наблюдаться притяжение. Одноимённые Разноимённые Электризация – процесс сообщения телу электрического заряда. 1. Электризация при соприкосновении (трением, ударом, при ссыпании). Электроны переходят от тела В к телу А. 2. Электризация через влияние (электрическая индукция). Например, если поднести заряженную палочку к проводящему телу, не дотрагиваясь до него, а затем разделить тело на две части, то обе части будут заряжены противоположными по знаку зарядами. Обозначение заряда: q. Единица измерения заряда в СИ – кулон: [q] = Кл. 1 Кл – это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника Внимание! Заряд 1 Кл – очень большой в электростатике. Обычные электрические заряды, получаемые телами при электризации, составляют несколько микро– или нанокулон (мкКл, нКл). Минимально возможный заряд – элементарный заряд. Такой заряд имеет электрон (–), протон (+) и другие заряженные элементарные частицы. Делимость заряда: Любой электрический заряд, больший элементарного, выражается целым числом элементарных зарядов, то есть q = Ne. Элементарный заряд е= 1,6 • 10–19 Кл. 3.3. Закон сохранения электрического заряда Закон сохранения электрического заряда: Алгебраическая сумма зарядов, составляющих замкнутую систему, остаётся неизменной при любых взаимодействиях зарядов этой системы: q = qx + q2 + q3 + q4 +… = const. Говоря о замкнутой системе, подразумевают, что в систему не добавляются извне новые заряды (нет внешних источников заряда), а имеющиеся заряды взаимодействуют только с телами, входящими в систему (заряды не выходят из системы). Примеры выполнения закона сохранения заряда (на рисунках заряды выражены в единицах элементарного электрического заряда). 1. Заряженная капля делится на две одинаковые капли: 2. Соединение одинаковых заряженных шариков: ЭЛЕКТРОСКОП ЭЛЕКТРОМЕТР Приборы для измерения электрического заряда 3.4. Электрическое поле. Действие электрического поля на электрические заряды. Проводники и диэлектрики Для объяснения механизма электромагнитного взаимодействия используется понятие электрического поля (впервые введено М. Фарадеем). Электрическое поле – особый вид материи, существующий вокруг любого электрического заряда и проявляющий себя в действии на другие заряды. Графическое представление электростатического поля Силовые линии – непрерывные (воображаемые) линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряжённости. Способ описания с помощью силовых линий введён Фарадеем. Свойства силовых линий: – начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах; – не пересекаются; – густота линий тем больше, чем больше напряжённость; напряжённость поля прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих через единицу площади поверхности. а) б) Электрическое поле разноимённых (а) и одноимённых (положительных) зарядов (б) Обычно по договорённости изображают поля так, что количество проведённых линий пропорционально величине заряда. Проводниками называют вещества, в которых в обычном состоянии имеется значительное количество «свободных» электрически заряженных частиц, которые могут свободно перемещаться между ионами кристаллической решётки (электроны в металлах) или внутри растворов электролитов (положительно и отрицательно заряженные ионы). В обычных условиях свободные заряженные частицы движутся подобно молекулам в газах, совершающим тепловое движение. В присутствии электрического поля, действующего на заряженные частицы в определённом направлении, возникает движение в этом выделенном направлении – электрический ток. Диэлектрики – вещества, в которых свободных заряженных частиц так мало, что ими можно пренебречь. В таких веществах под действием электрического поля происходит смещение (поляризация) электронов в составе атомов в направлении силы, действующей на отрицательно заряженные частицы. При этом электроны не покидают свои атомы и не могут создать ток. 3.5. Постоянный электрический ток. Действия электрического тока. Сила тока. Напряжение Направленное (упорядоченное) движение свободных заряженных частиц под действием электрического поля называется электрическим током. Условия существования тока: 1) наличие свободных зарядов; 2) наличие электрического поля. Свободные заряды имеются в проводниках. Электрическое поле создаётся источниками тока. При прохождении тока через проводник он оказывает следующие действия: 1) тепловое (нагревание проводника током); 2) магнитное (возникновение магнитного поля вокруг проводника с током); 3) химическое (химические реакции при прохождении тока через некоторые вещества); 4) световое (сопровождает тепловое действие); 5) механическое (сопровождает магнитное или тепловое действие); 6) биологическое (физиологическое). Примеры: работа электрического чайника, утюга и т. д.; работа электродвигателя, электроизмерительных приборов; электролиз; свечение нити накала электрической лампочки; поворот рамки с током в магнитном поле; поражение человека током; использование действия тока в медицине. Основные величины, описывающие процесс прохождения тока по проводнику 1. Сила тока I– скалярная величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени, в течение которого шёл ток. Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за 1 с: . Единица измерения силы тока в СИ – ампер (А). Ток называют постоянным, если сила тока не меняется со временем. Прибор для измерения силы тока называется амперметром. Он включается в электрическую цепь последовательно с тем участком цепи, на котором измеряется сила тока. 2. Напряжение U. Напряжение численно равно работе электрического поля по перемещению единичного положительного заряда вдоль силовых линий поля внутри проводника: U = Единица измерения напряжения в СИ – вольт (В). Прибор для измерения напряжения называется вольтметром. Он включается в электрическую цепь параллельно тому участку цепи, на котором измеряется сила тока. 3.6. Электрическое сопротивление. Удельное электрическое сопротивление Электрическое сопротивление (R) – физическая величина, равная отношению напряжения (разности потенциалов) на концах проводника к силе тока, проходящего через проводник. Единица измерения электрического сопротивления в СИ: Сопротивление проводника равно 1 Ом, если при разности потенциалов на его концах в 1 В по нему протекает ток силой 1 А. Внимание! Сопротивление – характеристика электрических свойств проводника! Определяется только формой, размерами и материалом проводника. Зависимость сопротивления от материала и размеров проводника: , где £ – длина, S– площадь поперечного сечения, р – удельное сопротивление. Удельное сопротивление показывает, чему равно сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2 . Единицы измерения удельного сопротивления в СИ: [р] = Ом–м, практическая. 3.7. Закон Ома для участка электрической цепи. Последовательное соединение проводников. Параллельное соединение проводников. Смешанные соединения проводников Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка: . Выполняется для металлов и электролитов. Последовательное соединение 1. Сила тока во всех последовательно соединённых участках цепи одинакова: Rn 2. Напряжение в цепи, состоящей из нескольких последовательно соединённых участков, равно сумме напряжений на каждом участке: U 3. Сопротивление цепи, состоящей из нескольких последовательно соединённых участков, равно сумме сопротивлений каждого участка:. Если все сопротивления в цепи одинаковы, то R = . При последовательном соединении общее сопротивление увеличивается (становится больше большего). Параллельное соединение 1. Сила тока в неразветвлённом участке цепи равна сумме сил токов во всех параллельно соединённых участках: . 2. Напряжение на всех параллельно соединённых участках цепи одинаково: 3. При параллельном соединении проводников проводимости складываются (складываются величины, обратные сопротивлению): Если все сопротивления в цепи одинаковы, то R = –. При параллельном соединении общее сопротивление уменьшается (становится меньше меньшего). 3.8. Работа и мощность электрического тока Электрическое поле действует на заряд силой, под действием которой заряд перемещается, и следовательно, электрическое поле совершает работу. Работа электрического тока: Мощность электрического тока (работа за 1 с): Р = . В электричестве иногда применяется внесистемная единица работы – кВт • ч (киловатт–час): 1 кВт • ч = 3,6 • 106 Дж. 3.9. Закон Джоуля – Ленца В электрической цепи происходит преобразование энергии упорядоченного движения заряженных частиц во внутреннюю (тепловую) энергию. Согласно закону сохранения энергии работа тока равна количеству выделившегося тепла. Закон Джоуля – Ленца: Количество теплоты, выделившееся при прохождении электрического тока по проводнику, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого шёл ток: Q = I2Rt. 3.10. Опыт Эрстеда. Магнитное поле прямого проводника с током. Линии магнитной индукции. Электромагнит В 1820 г. датский физик X. Эрстед открыл магнитное действие тока. (Опыт: действие электрического тока на магнитную стрелку.) Магнитное действие удобно рассматривать, используя понятие магнитного поля: 1) магнитное поле порождается током, то есть движущимися электрическими зарядами; 2) магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку или на электрический ток (движущиеся электрические заряды). Поле изображают с помощью линий магнитной индукции. Они обладают следующими свойствами: 1) магнитные линии (линии магнитной индукции) магнитного поля всегда замкнуты; 2) снаружи магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный, внутри магнита они замыкаются, то есть идут от южного полюса к северному; 3) магнитные линии не пересекаются. Направление магнитных линий определяется правилом буравчика (правого винта): если поворачивать головку винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль тока в проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий магнитной индукции поля прямого проводника с током: Расположение железных опилок вокруг прямого проводника с током