Физика для чайников с нуля электричество: Электротехника для чайников |

Электротехника для чайников |

Видео версия статьи:

Начнем пожалуй с понятия электричества. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля. В качестве частиц могут выступать свободные электроны металла, если ток течет по металлическому проводу, или ионы, если ток течет в газе или жидкости.
Есть ещё ток в полупроводниках, но это отдельная тема для разговора. Как пример можно привести высоковольтный трансформатор из микроволновки – сначала электроны бегут по проводам, затем ионы движутся между проводами, соответственно сначала ток идет через металл, а потом через воздух. Вещество называются проводником или полупроводником, если в нём есть частицы, способные переносить электрический заряд. Если таких частиц нет, то такое вещество называется диэлектриком, оно не проводит электричество. Заряженные частицы несут на себе электрический заряд, который измеряется обозначается q в кулонах.
Единица измерения силы тока называется Ампер и обозначается буковой I, ток величиной в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда величиной 1 Кулон за 1 секунду, то есть грубо говоря сила тока измеряется в кулонах секунду. И по сути сила тока это количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем больше заряженных частиц бежит по проводу, тем соответственно больше ток.
Чтобы заставить заряженные частицы перемещаться от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквой V или U. Чтобы получить напряжение величиной 1 Вольт нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж. Согласен, немного непонятно.
Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под действием силы тяжести вытекает через трубу. Пусть вода – это электрический заряд, высота водяного столба – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток. Точнее не скорость потока, а количество вытекающей за секунду воды. Вы понимаете, что чем выше уровень воды, тем больше будет давление внизу А чем выше давление внизу, тем больше воды вытечет через трубу, потому что скорость будет выше.. Аналогично чем выше напряжение, тем больший ток будет течь в цепи.
Зависимость между всеми тремя рассмотренными величинами в цепи постоянного  тока определяет закон ома, который выражается вот такой формулой, и звучит как сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению. Чем больше сопротивление, тем меньше ток, и наоборот.
Добавлю ещё пару слов про сопротивление. Его можно измерить, а можно посчитать. Допустим у нас есть проводник, имеющий известную длину и площадь поперечного сечения. Квадратный, круглый, неважно. Разные вещества имеют разное удельное сопротивление, и для нашего воображаемого проводника существует вот такая формула, определяющая зависимость между длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением. Удельное сопротивление веществ можно найти в интернете в виде таблиц. Можно опять же провести аналогию с водой: вода течёт по трубе, пусть труба имеет удельную шершавость. Логично предположить, что чем длиннее и уже труба, тем меньше воды будет по ней протекать за единицу времени. Видите, как всё просто? Формулу даже запоминать не нужно, достаточно представить себе трубу с водой.
Что касается измерения сопротивления, то нужен прибор, омметр. В наше время более популярны универсальные приборы – мультиметры, они измеряют и сопротивление, и ток, и напряжение, и ещё кучу всего. Давайте проведём эксперимент. Я возьму отрезок нихромовой проволоки известной длины и площади сечения, найду удельное сопротивление на сайте где я её купил  и посчитаю сопротивление. Теперь этот же кусочек измерю при помощи прибора. Для такого маленького сопротивления мне придется вычесть сопротивление щупов моего прибора, которое равно 0.8 Ом. Вот так вот!
Шкала мультиметра разбита по размерам измеряемых величин, это сделано для более высокой точности измерения. Если я хочу измерить резистор с номиналом 100 кОм, я ставлю рукоятку на большее ближайшее сопротивление. В моём случае это 200 килоом. Если хочу измерить 1 килоом, то ставлю на 2 ком. Это справедливо для измерения остальных величин. То есть на шкале отложены пределы измерения, в который нужно попасть.
Давайте продолжим развлекаться с мультиметром и попробуем измерить остальные изученные величины. Возьму несколько разных источников постоянного тока. Пусть это будет блок питания на 12 вольт, юсб порт и трансформатор, который в своей молодости сделал мой дед. Напряжение на этих источниках мы можем измерить прямо сейчас, подключив вольтметр параллельно, то есть непосредственно к плюсу и к минусу источников. С напряжением всё понятно, его можно взять и измерить. А вот чтобы измерить силу тока, нужно создать электрическую цепь, по которой будет протекать ток. В электрической цепи обязательно должен быть потребитель, или нагрузка. Давайте подключим потребитель к каждому источнику. Кусочек светодиодной ленты, моторчик и резистор на (160 ом).
Давайте измерим ток, протекающий в цепях. Для этого переключаю мультиметр в режим измерения силы тока и переключаю щуп во вход для тока. Амперметр подключается в цепь последовательно измеряемому объекту. Вот схема, её тоже следует помнить и не путать с подключением вольтметра. Кстати существует такая штуковина как токовые клещи. Они позволяют измерять силу тока в цепи без подключения непосредственно к цепи. То есть не нужно отсоединять провода, просто накидываешь их на провод и они измеряют. Ну ладно, вернёмся к нашему обычному амперметру.
Итак, я измерил все токи. Теперь мы знаем, какой ток потребляется в каждой цепи. Здесь у нас светятся светодиоды, здесь крутится моторчик а здесь…. Так стоять, а че делает резистор? Он не поёт нам песни, не освещает комнату и не вращает никакой механизм. Так на что он тратит целых 90 миллиампер? Так не пойдёт, давайте разбираться. Слышь ты! Ау, он горячий! Так вот куда расходуется энергия! А можно ли как-то посчитать, что здесь за энергия? Оказывается – можно. Закон, описывающий тепловое действие электрического тока был открыт в 19 веке двумя учеными, джеймсом джоулем и эмилием ленцем. Закон назвали закон джоуля ленца. Он выражается вот такой формулой, и численно показывает, сколько джоулей энергии выделяется в проводнике, в котором течёт ток, за единицу времени. Из этого закона можно найти мощность, которая выделяется на этом проводнике, мощность обозначается английской буквой Р и измеряется в ваттах. Я нашёл вот такую очень крутую табличку, которая связывает все изученные нами на этот момент величины.
Таким образом у меня на столе электрическая мощность идёт на освещение, на совершение механической работы и на нагрев окружающего воздуха. Кстати именно на этом принципе работают различные нагреватели, электрочайники, фены, паяльники и прочее. Там везде стоит тоненькая спираль, которая нагревается под действием тока.
Этот момент стоит учитывать при подведении проводов к нагрузке, то есть прокладка проводки к розеткам по квартире тоже входит в это понятие. Если вы возьмете для подведения к розетке слишком тонкий провод и подключите в эту розетку компьютер, чайник и микроволновку, то провод может нагреться вплоть до возникновения пожара. Поэтому есть вот такая табличка, которая связывает площадь поперечного сечения проводов с максимальной мощностью, которая по этим проводам будет идти. Если вздумаете тянуть провода – не забудьте об этом.
Также в рамках этого выпуска хотелось бы напомнить особенности параллельного и последовательного соединения потребителей тока. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех потребителях, напряжение разделилось на части, а общее сопротивление потребителей представляет собой сумму всех сопротивлений. При параллельном соединении напряжение на всех потребителях одинаково, сила тока разделилась, а общее сопротивление вычисляется вот по такой формуле.
Из этого вытекает один очень интересный момент, который можно использовать для измерения силы тока. Допустим нужно измерить силу тока в цепи около 2 ампер. Амперметр с этой задачей не справляется, поэтому можно использовать закон ома в чистом виде. Знаем, что сила тока одинакова при последовательном соединении. Возьмём резистор с очень маленьким сопротивлением и вставим его последовательно нагрузке. Измерим на нём напряжение. Теперь, пользуясь законом ома, найдём силу тока. Как видите, она совпадает с расчётом ленты. Здесь главное помнить, что этот добавочный резистор должен быть как можно меньшего сопротивления, чтобы оказывать минимальное влияние на измерения.
Есть ещё один очень важный момент, о котором нужно знать. Все источники имеют максимальный отдаваемый ток, если этот ток превысить – источник может нагреться, выйти из строя, а в худшем случае ещё и загореться. Самый благоприятный исход это когда источник имеет защиту от перегрузки по току, в таком случае он просто отключит ток. Как мы помним из закона ома, чем меньше сопротивление, тем выше ток. То есть если взять в качестве нагрузки кусок провода, то есть замкнуть источник самого на себя, то сила тока в цепи подскочит до огромных значений, это называется короткое замыкание. Если вы помните начало выпуска, то можете провести аналогию с водой. Если подставить нулевое сопротивление в закон ома то мы получим бесконечно большой ток. На практике такое конечно не происходит, потому что источник имеет внутреннее сопротивление, которое подключено последовательно. Этот закон называется закон ома для полной цепи. Таким образом ток короткого замыкания зависит от величины внутреннего сопротивления источника.
Сейчас давайте вернёмся к максимальному току, который может выдать источник. Как я уже говорил, силу тока в цепи определяет нагрузка. Многие писали мне вк и задавали примерно вот такой вопрос, я его слегка утрирую: саня, у меня есть блок питания на 12 вольт и 50 ампер. Если я подключу к нему маленький кусочек светодиодной ленты, она не сгорит? Нет, конечно же она не сгорит. 50 ампер – это максимальный ток, который способен выдать источник. Если ты подключишь к нему кусочек ленты, она возьмёт свои ну допустим 100 миллиампер, и все. Ток в цепи будет равен 100 миллиампер, и никто никуда не будет гореть. Другое дело, если возьмёшь километр светодиодной ленты и подключишь его к этому блоку питания, то ток там будет выше допустимого, и блок питания скорее всего перегреется и выйдет из строя. Запомните, именно потребитель определяет величину тока в цепи. Этот блок может выдать максимум 2 ампера, и когда я закорачиваю его на болтик, с болтиком ничего не происходит. А вот блоку питания это не нравится, он работает в экстремальных условиях. А вот если взять источник, способный выдать десятки ампер, такая ситуация не понравится уже болтику.
Давайте для примера произведём расчёт блока питания, который потребуется для питания известного отрезка светодиодной ленты. Итак, закупили мы у китайцев катушку светодиодной ленты и хотим запитать три метра этой самой ленты. Для начала идём на страницу товара и пытаемся найти, сколько ватт потребляет один метр ленты. Эту информацию я найти не смог, поэтому есть вот такая табличка. Смотрим, что у нас за лента. Диоды 5050, 60 штук на метр. И видим, что мощность составляет 14 ватт на метр. Я хочу 3 метра, значит мощность будет 42 ватта. Блок питания желательно брать с запасом на 30% по мощности, чтобы он не работал в критическом режиме. В итоге получаем 55 ватт. Ближайший подходящий блок питания будет на 60 ватт. Из формулы мощности выражаем силу тока и находим её, зная, что светодиоды работают при напряжении 12 вольт. Выходит, нам нужен блок с током 5 ампер. Заходим, например, на али, находим, покупаем.
Очень важно знать потребляемый ток при изготовлении всяких USB самоделок. Максимальный ток, который можно взять от USB, составляет 500 миллиампер, и его лучше не превышать.
И напоследок коротенько о технике безопасности. Здесь вы можете видеть, до каких значений электричество считается неопасным для жизни человека.

Изучение электричества с нуля — Инженер ПТО

Предлагаем небольшой материал по теме: «Электричество для начинающих». Он даст первоначальное представление о терминах и явлениях, связанных с движением электронов в металлах.

Особенности термина

Электричество представляет собой энергию маленьких заряженных частиц, движущихся в проводниках в определенном направлении.

При постоянном токе не наблюдается изменения его величины, а также направления движения за определенный промежуток времени. Если в качестве источника тока выбирается гальванический элемент (батарейка), в таком случае заряд движется упорядоченно: от отрицательного полюса к положительному концу. Процесс продолжается до тех пор, пока он полностью не исчезнет.

Переменный ток периодически изменяет величину, а также направление движения.

Схема передачи переменного тока

Попробуем понять, что такое фаза в электричестве. Это слово слышали все, но далеко не всем понятен его истинный смысл. Не будем углубляться в детали и подробности, выберем только тот материал, который необходим домашнему мастеру.

Трехфазная сеть является способом передачи электрического тока, при котором по трем разным проводам протекает ток, а по одному идет его возврат. Например, в электрической цепи есть два провода.

По первому проводу к потребителю, например, к чайнику, идет ток. Второй провод используется для его возвращения. При размыкании такой цепи, прохождения электрического заряда внутри проводника не будет. Данная схема описывает однофазную цепь. Что такое фаза в электричестве? Фазой считают провод, по которому протекает электрический ток. Нулевым называют провод, по которому осуществляется возврат. В трехфазной цепи присутствует сразу три фазных провода.

Электрический щиток в квартире необходим для распределения электрического тока по всем помещениям. Трехфазные сети считают экономически целесообразными, поскольку для них не нужны два нулевых провода. При подходе к потребителю, идет разделение тока на три фазы, причем в каждой есть по нолю. Заземлитель, который используется в однофазной сети, не несет рабочей нагрузки.

Он является предохранителем.

К примеру, при возникновении короткого замыкания появляется угроза удара током, пожара. Для предотвращения такой ситуации, величина тока не должна превышать безопасный уровень, избыток уходит в землю.

Пособие «Школа для электрика» поможет начинающих мастерам справляться с некоторыми поломками бытовых приборов. Например, если возникли проблемы при функционировании электрического двигателя стиральной машины, ток будет попадать на внешний металлический корпус.

При отсутствии заземления заряд будет распределяться по машине. При прикосновении к ней руками, в роли заземлителя выступит человек, получив удар электрическим током. При наличии провода заземления такой ситуации не возникнет.

Особенности электротехники

Пособие «Электричество для чайников» пользуется популярностью у тех, кто далек от физики, но планирует использовать эту науку в практических целях.

Датой появления электротехники считают начало девятнадцатого века. Именно в это время был создан первый источник тока. Открытия, сделанные в области магнетизма и электричества, сумели обогатить науку новыми понятиями и фактами, обладающими важным практическим значением.

Пособие «Школа для электрика» предполагает знакомство с основными терминами, касающимися электричества.

Советы начинающим

Во многих сборниках по физике есть сложные электрические схемы, а также разнообразные непонятные термины. Для того чтобы новички могли разобраться во всех тонкостях данного раздела физики, было разработано специальное пособие «Электричество для чайников». Экскурсию в мир электрона необходимо начинать с рассмотрения теоретических законов и понятий. Наглядные примеры, исторические факты, используемые в книге «Электричество для чайников», помогут начинающим электрикам усваивать знания. Для проверки успеваемости можно использовать задания, тесты, упражнения, связанные с электричеством.

Если вы понимаете, что у вас недостаточно теоретических знаний для того, чтобы самостоятельно справиться с подключением электрической проводки, обратитесь к справочникам для «чайников».

Безопасность и практика

Для начала нужно внимательно изучить раздел, касающийся техники безопасности. В таком случае во время работ, связанных с электричеством, не будет возникать чрезвычайных ситуаций, опасных для здоровья.

Для того чтобы на практике реализовать теоретические знания, полученные после самостоятельного изучения основ электротехники, можно начать со старой бытовой техники. До начала ремонта обязательно ознакомьтесь с инструкцией, прилагаемой к прибору. Не забывайте, что с электричеством шутить не нужно.

Электрический ток связан с передвижением электронов в проводниках. Если вещество не способно проводить ток, его называют диэлектриком (изолятором).

Для движения свободных электронов от одного полюса к другому между ними должна существовать определенная разность потенциалов.

Интенсивность тока, проходящего через проводник, связана с количеством электронов, проходящих через поперечное сечение проводника.

На скорость прохождения тока влияет материал, длина, площадь сечения проводника. При увеличении длины провода, увеличивается его сопротивление.

Заключение

Электричество является важным и сложным разделом физики. Пособие «Электричество для чайников» рассматривает основные величины, характеризующие эффективность работы электрических двигателей. Единицами измерения напряжения являются вольты, ток определяется в амперах.

У любого источника электрической энергии существует определенная мощность. Она подразумевает количество электричества, вырабатываемое прибором за определенный промежуток времени. Потребители энергии (холодильники, стиральные машины, чайники, утюги) также имеют мощность, расходуя электричество во время работы. При желании можно провести математические расчеты, определить примерную плату за каждый бытовой прибор.

Существует множество понятий, которые нельзя увидеть собственными глазами и потрогать руками. Наиболее ярким примером служит электротехника, состоящая из сложных схем и малопонятной терминологии. Поэтому очень многие просто отступают перед трудностями предстоящего изучения этой научно-технической дисциплины.

Получить знания в этой области помогут основы электротехники для начинающих, изложенные доступным языком. Подкрепленные историческими фактами и наглядными примерами, они становятся увлекательными и понятными даже для тех, кто впервые столкнулся с незнакомыми понятиями. Постепенно продвигаясь от простого к сложному, вполне возможно изучить представленные материалы и использовать их в практической деятельности.

Понятия и свойства электрического тока

Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.

Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит.

Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении.

Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специфические признаки:

• Нагревание проводника, по которому протекает ток.
• Изменение химического состава проводника под действием тока.
• Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.

Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором – периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах

Основные токовые величины

При возникновении в цепи электрического тока, происходит постоянный перенос заряда через поперечное сечение проводника.

Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, называется силой тока, измеряемой в амперах.

Для того чтобы создать и поддерживать движение заряженных частиц, необходимо воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такого действия, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как напряженность электрического поля. Именно она вызывает разность потенциалов или напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется специальная единица – вольт. Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который будет рассмотрен подробно.

Важнейшей характеристикой проводника, непосредственно связанной с электрическим током, является сопротивление, измеряемое в омах. Данная величина является своеобразным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В результате воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления увеличивается. Величина в 1 Ом возникает, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока – 1 А.

Закон Ома

Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и мощность. Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.

Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:

1. Сила тока: I = U/R (ампер).
2. Напряжение: U = I x R (вольт).
3. Сопротивление: R = U/I (ом).

Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким – на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов – напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.

Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.

Энергия и мощность в электротехнике

В электротехнике существуют еще и такие понятия, как энергия и мощность, связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, тепловой, ядерной и электрической форме. В соответствии с законом сохранения энергии, ее невозможно уничтожить или создать. Она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Например, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.

Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии на протяжении установленного промежутка времени. Эта величина индивидуальна для каждого прибора и представляет собой мощность, то есть объем энергии, который может потребить тот или иной прибор. Этот параметр вычисляется по формуле P = I x U, единицей измерения служит ватт. Он означает перемещение одного ампера одним вольтом через сопротивление в один ом.

Таким образом, основы электротехники для начинающих помогут на первых порах разобраться с основными понятиями и терминами. После этого будет значительно легче использовать полученные знания на практике.

Электрика для чайников: основы электроники

Древние греки наблюдали электрические явления задолго до начала изучения электричества. Достаточно потереть шерстью или мехом полудрагоценный камень янтарь, как он начинает притягивать кусочки сухой соломы, бумаги или пух и перья.

В современных школьных опытах используются стеклянные и эбонитовые стержни натертые шелком или шерстью. При этом считается, что на стеклянном стержне сохраняется положительный заряд, а на эбонитовом отрицательный. Эти стержни также могут притягивать к себе мелкие кусочки бумаги и т.п. мелкие предметы. Именно это притяжение и есть воздействие электрического поля, которое изучал Шарль Кулон.

По-гречески янтарь называется электрон, поэтому для описания такой силы притяжения Уильям Гильберт (1540 – 1603 гг.) предложил термин «электрический» .

В 1891 году английский ученый Стоней Джордж Джонстон выдвинул гипотезу о существовании в веществах электрических частиц, которые и назвал электронами. Такое утверждение существенно облегчило понимание электрических процессов в проводниках .

Электроны в металлах достаточно свободны и легко отрываются от своих атомов, а под действием электрического поля, точнее разности потенциалов перемещаются между атомами металла, создавая электрический ток. Таким образом, электрический ток в медном проводе представляет собой поток электронов, протекающий вдоль провода, от одного конца к другому.

Электрический ток способны проводить не только металлы. При определенных условиях электропроводны жидкости, газы и полупроводники. В этих средах носителями зарядов являются ионы, электроны и дырки. Но пока речь только о металлах, ведь даже и в них все не так просто.

Пока что речь идет о постоянном токе, направление и величина которого не меняется. Поэтому на электрических схемах возможно стрелками указать, куда же течет ток. Считается, что ток течет от положительного полюса к отрицательному, к такому выводу пришли на ранней стадии изучения электричества.

Позднее выяснилось, что на самом деле электроны движутся как раз в обратном направлении – от минуса к плюсу. Но, тем не менее, от «ошибочного» направления не отказались, более того именно оно называется техническим направлением тока. Какая разница, если лампочка все равно горит. Направление движения электронов получило название истинного и применяется чаще всего в научных исследованиях.

Сказанное иллюстрирует рисунок 1.

Если переключатель на некоторое время «перебросить» в сторону батарейки, то зарядится электролитический конденсатор C, на нем накопится некоторый заряд. После того, как конденсатор зарядился, переключатель повернули в сторону лампочки. Лампа вспыхнула и погасла – конденсатор разрядился. Совершенно очевидно, что длительность вспышки зависит от величины электрического заряда, запасенного в конденсаторе.

Гальваническая батарея тоже хранит электрический заряд, но намного больший, нежели конденсатор. Поэтому время вспышки достаточно велико, — лампочка может гореть до нескольких часов.

Электрический заряд, ток, сопротивление и напряжение

Изучением электрических зарядов занимался французский ученый Ш. Кулон, который в 1785 году открыл закон, названный его именем.

В формулах электрический заряд обозначается как Q или q. Физический смысл этой величины — способность заряженных тел вступать в электромагнитные взаимодействия: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Сила взаимодействия между зарядами прямо пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Если в виде формулы, то это выглядит вот так:

Электрический заряд электрона очень мал, поэтому на практике пользуются величиной заряда под названием Кулон . Именно эта величина используется в международной системе СИ (Кл). В одном кулоне содержится ни много ни мало 6,24151*10 18 (десять в восемнадцатой степени) электронов. Если из этого заряда выпускать по 1 млн. электронов в секунду, то этот процесс продлится целых 200 тысяч лет!

За единицу измерения тока в системе СИ принят Ампер (А) , по имени французского ученого Андре Мари Ампера (1775 — 1836). При силе тока в 1А через поперечное сечение проводника за 1 секунду протекает заряд ровно в 1 Кл. Математическая формула в этом случае получается вот такая: I = Q/t.

В этой формуле ток в Амперах, заряд в Кулонах, время в секундах. Все единицы должны соответствовать системе СИ.

Другими словами получается один кулон в секунду. Очень напоминает скорость автомобиля в километрах в час. Поэтому сила электрического тока есть не что иное, как скорость протекания электрического заряда.

Чаще в быту используется внесистемная единица Ампер*час. Достаточно вспомнить автомобильные аккумуляторы, емкость которых указывается как раз в ампер часах. И это всем известно и понятно, хотя про какие-то кулоны в магазинах авто запчастей никто и не вспоминает. Но при этом все-таки существует соотношение: 1 Кл = 1*/3600 ампер*часа. Возможно, что такое количество можно было бы назвать ампер * секундой.

По-другому определению ток в 1 А протекает в проводнике сопротивлением 1 Ом при разности потенциалов (напряжении) на концах проводника 1 В. Соотношение между этими величинами определяется по закону Ома. Это, пожалуй, самый главный электрический закон, недаром народная мудрость гласит: «Не знаешь закон Ома – сиди дома!».

Проверка закона Ома

Этот закон сейчас известен всем: «Ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению». Казалось бы всего три буквы, — I = U/R, любой школьник скажет: «Ну и что?». А на самом деле путь к этой короткой формуле был достаточно тернист и долог.

Для проверки закона Ома можно собрать простейшую схему, показанную на рисунке 2.

Исследование достаточно простое, — увеличивая напряжение источника питания по точкам на бумаге построить график, показанный на рисунке 3.

Казалось бы, что график должен получиться идеально прямой линией, поскольку зависимость I = U/R можно представить в виде U = I*R, а в математике это прямая линия. На самом же деле в правой части линия загибается вниз. Может не очень сильно, но загибается и почему-то весьма разнообразно. При этом загиб будет зависеть от того, как будет нагреваться исследуемое сопротивление. Не зря оно сделано из длинной медной проволоки: можно намотать плотно виток к витку, можно закрыть слоем асбеста, может температура в помещении сегодня одна, а вчера была другая или в помещении гуляет сквозняк.

Это к тому, что температура влияет на сопротивление так же, как на линейные размеры физических тел при нагревании. Каждый металл имеет свой температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Вот только про расширение знают и помнят практически все, а про изменение электрических свойств (сопротивление, емкость, индуктивность) забывают. А ведь именно температура в этих опытах является самым стабильным источником нестабильности.

С литературной точки зрения получилась достаточно красивая тавтология, но именно она в данном случае очень точно выражает суть проблемы.

Многие ученые в середине девятнадцатого века пытались открыть эту зависимость, но мешала нестабильность опытов, вызывала сомнения в истинности полученных результатов. Удалось это сделать только Георгу Симону Ому (1787-1854), который сумел отбросить все побочные эффекты или, как говорится, увидеть за деревьями лес. Единица измерения сопротивления 1Ом до сих пор носит имя этого гениального ученого.

Из закона Ома можно выразить любую составляющую: I=U/R, U=I*R, R=U/I.

Для того, чтобы эти соотношения не забывать существует так называемый треугольник Ома , или что-то в этом роде, показанный на рисунке 4.

Рисунок 4. Треугольник Ома

Пользоваться им очень просто: достаточно закрыть пальцем искомую величину и две оставшиеся буквы покажут, что с ними надо делать.

Еще осталось вспомнить, какую роль играет во всех этих формулах напряжение, каков его физический смысл. Обычно под напряжением понимается разность потенциалов в двух точках электрического поля. Чтобы это было легче понять, пользуются аналогиями, как правило, с баком, водой и трубами.

В этой «водопроводной» схеме расход воды в трубе (литры/сек) это как раз есть ток (кулон/сек), а разность между верхним уровнем в баке и открытым краном разность потенциалов (напряжение). При этом если кран открыт, то давление на выходе равно атмосферному, которое можно принять за условный нулевой уровень.

В электрических схемах такая условность позволяет принять какую-то точку за общий провод («землю»), относительно которого производятся все измерения и настройки. Чаще всего за этот провод принимают минусовой вывод источника питания, хотя это и не всегда так.

Разность потенциалов измеряется в вольтах (В) по имени итальянского физика Алессандро Вольта (1745-1827). По современному определению при разности потенциалов в 1 В на перемещение заряда в 1 Кл расходуется энергия в 1 Дж. Пополнение израсходованной энергии производится от источника питания, по аналогии с «водопроводной» схемой это будет насос, поддерживающий уровень воды в баке.

Электрический ток — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Электрический ток. Сила тока. Сопротивление

К оглавлению…

В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.

Средняя сила тока находится как отношение всего заряда ко всему времени (т. е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):

Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I₁ до значения I₂, то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:

Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:

При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:

где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.

Сопротивление проводника зависит и от его температуры:

где: R₀ – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.

Диод в цепи постоянного тока

Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:

Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.

 

Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников

К оглавлению…

Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R, пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно. У каждого способа есть свои закономерности.

1. Закономерности последовательного соединения:

Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R₀ находится по формуле:

2. Закономерности параллельного соединения:

Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R₀ находится по формуле:

Электроизмерительные приборы

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_B. Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R_A. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

 

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

К оглавлению…

Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:

Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).

Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника):

Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.

Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

Несколько источников ЭДС в цепи

Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно, то:

1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:

Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.

2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:

В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.

При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:

В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.

 

Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

К оглавлению. ..

Работа A электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в теплоту Q, выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца. Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:

Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

 

Энергобаланс замкнутой цепи

К оглавлению…

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:

Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:

Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R₁ и R₂ на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:

Мощность потерь или мощность внутри источника тока:

Полная мощность, развиваемая источником тока:

КПД источника тока:

 

Электролиз

К оглавлению…

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Он может быть рассчитан по формуле:

где: n – валентность вещества, N_A – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:

 

Электрический ток в газах и в вакууме

К оглавлению…

Электрический ток в газах

В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов — электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов.

Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием — ионизатором. Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α-частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов — электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).

Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.

Электрический ток в вакууме

Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.

Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.

Что такое ноль и фаза в электричестве и зачем он нужен?

Очень немного людей  понимают суть электричества. Такие понятия как «электрический ток», «напряжение» «фаза» и «ноль» для большинства являются  темным лесом, хотя с ними мы сталкиваемся каждый день. Давайте же получим крупицу полезных знаний и разберемся, что такое фаза и ноль в электричестве. Для обучения электричеству с «нуля» нам нужно разобраться с фундаментальными понятиями. В первую очередь нас интересуют электрический ток и электрический заряд.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Электрический ток и электрический заряд

Электрический заряд – это физическая скалярная величина, которая определяет способность тел быть источником электромагнитных полей. Носителем наименьшего или элементарного электрического заряда является электрон. Его заряд равен примерно -1,6 на 10 в минус девятнадцатой степени Кулон.

Заряд электрона — минимальный электрический заряд (квант, порция заряда), который встречается в природе у свободных долгоживущих частиц.

Заряды условно делятся на положительные и отрицательные. Например, если мы потрем эбонитовую палочку о шерсть, она приобретет отрицательный электрический заряд (избыток электронов, которые были захвачены атомами палочки при контакте с шерстью).

Такую же природу имеет статическое электричество на волосах, только в этом случае заряд является положительным (волосы теряют электроны).

Кстати, о том, что такое ток, напряжение и сопротивление можно дополнительно почитать в нашей отдельной статье, посвященной закону Ома.

 

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (носителей заряда) по проводнику. Само движение заряженных частиц возникает под действием электромагнитного поля – одного из фундаментальных физических полей.

Электрический ток может быть постоянным и переменным. При постоянном токе направление и величина тока не меняются. Переменный ток – это ток, изменяющийся во времени.

Источником постоянного тока является, например, батарейка. Но именно переменный ток используется в бытовых розетках, которые стоят в наших домах. Причина в том, что переменные токи гораздо проще получать и передавать на большие расстояния.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Основным видом переменного тока является синусоидальный ток. Это такой ток, который сначала нарастает в одном направлении, достигая максимума (амплитуды) начинает спадать, в какой-то момент становится равным нулю и снова нарастает, но уже в другом направлении.

 

Непосредственно о таинственных фазе и нуле

Все мы слышали про фазу, три фазы, ноль и заземление.

Простейший случай электрической цепи – однофазная цепь. В ней всего три провода. По одному из проводов ток течет к потребителю (пусть это будет утюг или фен), а по другому – возвращается обратно. Третий провод в однофазной сети – земля (или заземление).

Провод заземления не несет нагрузки, но служит как бы предохранителем. В случае, когда что-то выходит из-под контроля, заземление помогает предотвратить удар электрическим током. По этому проводу избыток электричества отводится или «стекает» в землю.

Провод, по которому ток идет к прибору, называется фазой, а провод, по которому ток возвращается – нулем.

Итак, зачем нужен ноль в электричестве? Да за тем же, что и фаза! По фазному проводу ток поступает к потребителю, а по нулевому — отводится в обратном направлении. Сеть, по которой распространяется переменный ток, является трехфазной. Она состоит из трех фазовых проводов и одного обратного.

Именно по такой сети ток идет до наших квартир. Подходя непосредственно к потребителю (квартирам), ток разделяется на фазы, и каждой из фаз дается по нулю. Частота изменения направления тока в странах СНГ — 50 Гц.

В разных странах действуют разные стандарты напряжений и частот в сети. Например, в обычной домашние розетки в США подается переменный ток напряжением 100-127 Вольт и частотой 60 Герц.

Провода фазы и нуля нельзя путать. Иначе можно устроить короткое замыкание в цепи. Чтобы этого не произошло и Вы ничего не перепутали, провода приобрели разную окраску.

Каким цветом фаза и ноль обозначены в электричестве? Ноль, как правило, синего или голубого цвета, а фаза — белого, черного или коричневого. Провод заземления также имеет свой окрас — желто-зеленый.

 

Итак, сегодня мы узнали, что же значат понятия «фаза» и «ноль» в электричестве. Будем просто счастливы, если для кого-то эта информация была новой и интересной. Теперь, когда вы услышите что-то про электричество, фазу, ноль и землю, вы уже будете знать, о чем идет речь. Напоследок напоминаем, если вам вдруг понадобится произвести расчет трехфазной цепи переменного тока, вы можете смело обращаться в студенческий сервис. С помощью наших специалистов даже самая дикая и сложная задача станет вам «по зубам».

Физика для чайников. Урок 23. Электромагнетизм | Александр Шуравин.

Изображение взято из открытых источников

Изображение взято из открытых источников

Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 22. Закон Ома.

На уроке Физика для чайников. Урок 18. Электрическое поле мы узнали, что такое электрическое поле. Но электрическое взаимодействие – это частный случай электромагнитного взаимодействия. Вообще, магнитное поле является порождением электрического тока. В 1820 году Х. Эрстед провел опыт, доказывающий, что электрический ток создает магнитное поле. Его опыт заключался в помещении над магнитной стрелкой прямолинейного металлического проводника, направленного параллельно стрелке. При пропускании через проводник электрического тока стрелка поворачивалась почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180 градусов. Аналогичный разворот наблюдался, если провод переносился на другую сторону, располагаясь не над, а под стрелкой:

Изображение взято из открытых источников

Изображение взято из открытых источников

Вокруг неподвижного заряда создается исключительно электрическое поле. Но если этот заряд движется, то он порождает еще и магнитное поле. Если магнит лежит на столе, вокруг него есть только магнитное поле. Но если двигаться относительно магнита, то такой вот движущийся наблюдатель зафиксирует и электрическое поле. Таким образом утверждение о существовании электрического или магнитного полей в заданной точке имеет смысл только при указании системы отсчёта, относительно которой они рассматриваются. Оба поля являются проявлением единого электромагнитного поля.

Итак, движущиеся заряды создают магнитное поле. С другой стороны, если заряд поместить в магнитное поле, то он будет двигаться. Таким образом, магнитное поле, может создавать электрический ток. Это явление используется для генерации электричества, которое имеет у все у нас в розетках. Генератор представляет собой вращающийся магнит и катушку с намотанным на нем проводником. Магнит вращается, например, за счет падающей на лопасти огромного колеса воды (гидроэлектростанция).

Направление силовых линий магнитного поля и движения зарядов определяются так называемым правилом буравчика:

Изображение взято из открытых источников

Изображение взято из открытых источников

Формулируется оно «Если направление поступательного движения буравчика (винта) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции поля, создаваемого этим током».

Если говорить по русский, то представьте себе вкручиваемый куда-либо винт. Направление вкручивания – это электрический ток. Направление вращения – это магнитное поле.

Физика для чайников. Выпуск 24. Почему в грозу сверкают молнии.

«Физика для чайников» СГУ ТВ. Серия фильмов 36-40 «Электричество»

«Физика для чайников» СГУ ТВ. Серия фильмов 36-40 «Электричество»

Подробности

Категория: «Физика для чайников» от СГУ ТВ

Не так уж твёрд гранит науки. Физика для начинающих. Борис Бояршинов.

Первый образовательный канал. © Телекомпания СГУ ТВ.

 

 

Конденсаторы

 

Игры с конденсаторами

 

Пироэлектрики, сигнетоэлектрики и другие электрики

 

Закон Ома

 

Закон Джоуля — Ленца и правила Кирхгофа

 

 

 

10 каналов о физике, на которые стоит подписаться

«Афиша Daily» рекомендует лучшие видеоблоги на русском и английском языках, за которыми стоит следить, чтобы начать разбираться в физике.

Физика от Побединского

174 000 подписчиков

Канал ведет молодой популяризатор науки, выпускник МФТИ Дмитрий Побединский. Он коротко и увлекательно рассказывает о физических явлениях и наглядно показывает, как знание физики может пригодиться в повседневной жизни. Например, объясняет феномен популярности спиннеров и рассказывает о физических лайфхаках — как налить колу без пены, где лучше всего установить колонки и как быстро сделать лед.

Vsauce

12 000 000 подписчиков

Авторы Vsauce с точки зрения физики и других естественных наук отвечают на любопытные, забавные, а порой и парадоксальные вопросы. Что будет, если все жители Земли одновременно подпрыгнут? Каково разрешение человеческого глаза? Сколько весит тень? Отличный канал для повзрослевших почемучек, которые хотят больше узнать о нашем мире. Другие видео от создателей Vsauce можно посмотреть на каналах-последователях Vsauce2 и Vsauce3.

minutephysics

3 900 000 подписчиков

Один из самых популярных каналов англоязычного YouTube о физике: minutephysics идеально подойдет тем, кто хочет быстро разобраться в азах этой науки. В коротких видео авторы при помощи рисунков объясняют сложные на первый взгляд темы — принцип параллельных вселенных, основы гравитации и природу темной материи. Более продвинутым пользователям могут понравиться забавные ролики про то, как путешествовать во времени или почему существование дождевых капель невозможно с точки зрения математики.

Physics Girl

692 000 подписчиков

Молодой ученый из США Дайанна Коверн делится своими знаниями и любовью к физике. Сама Дайанна специализируется на астрофизике, поэтому многие видео посвящены именно этому разделу науки и связанным с ним темам. Среди прочего девушка рассказывает о том, как работает невесомость и в чем разница между солнечным и лунным затмением. Также Дайанна делает видео с простыми и забавными физическими экспериментами, которые зрители при желании могут повторить самостоятельно — скажем, создать ураган на поверхности мыльного пузыря.

PBS Space Time

942 000 подписчиков

Если вы интересуетесь астрофизикой, глубже в тему можно погрузиться благодаря видео с канала PBS Space Time. Создатели разбирают фундаментальные вопросы — уровня «откуда взялись время и пространство», — рассказывают о квантовой теории поля и разъясняют идеи физика Ричарда Фейнмана. Содержание роликов рассчитано на более или менее подготовленного зрителя. Если вы совсем ничего не понимаете в физике, лучше сначала ознакомиться с основами.

DoodleScience

21 000 подписчиков

На этом канале нет видео с забавными экспериментами и ответами на экстраординарные вопросы — зато есть короткие скетчи, которые помогут в кратчайшие сроки вспомнить школьный курс физики и заново усвоить основные формулы. Скетчи минималистичны и наглядны: ничего лишнего, только фундаментальные научные законы.

GetAClass — Физика в опытах и экспериментах

49 000 подписчиков

Русскоязычный канал о физике, который лучше всего подойдет для быстрого изучения науки с нуля. В 4–5-минутных видео авторы емко и доступно объясняют, как работают те или иные физические явления. Есть удобное разделение роликов на тематические плейлисты в соответствии с разделами физики — от аэродинамики и звука до света и тепловых явлений. Новые видео появляются каждую неделю.

CrashCourse — Physics

6 200 000 подписчиков

«Физическая» подборка видео от образовательного канала CrashCourse подойдет тем, кому недостаточно просто освежить в памяти школьную программу. Плейлист состоит из сорока шести 10-минутных видео, в которых последовательно раскрываются все ключевые физические законы и явления. CrashCourse проводит зрителя от движения по прямой линии до теории относительности и квантовой механики.

Veritasium

4 300 000 подписчиков

Канал был создан в 2011 году популяризатором науки Дереком Мюллером и с тех пор неоднократно получал положительные отзывы от критиков, а видео Veritasium попадали на Scientific American и CBS News. Создатели Veritasium регулярно развеивают распространенные мифы о науке и проводят эксперименты, чтобы наглядно продемонстрировать те или иные физические эффекты. На Veritasium порой появляются и забавные околонаучные ролики вроде пародии на песню Jet «Are You Gonna Be My Girl?» о том, что такое электричество.

brusspup

2 500 000 подписчиков

Автор канала ставит захватывающие физические эксперименты, записывает их на видео и делится с подписчиками. Практического применения большинство из его трюков не имеет, но фанатам оптических иллюзий канал наверняка понравится. Некоторые опыты автора несложно повторить в домашних условиях при помощи подручных средств. Пользы вы из этого, скорее всего, не извлечете, зато интересно проведете время.

Что такое электричество? — learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 67

Начало работы

Электричество окружает нас повсюду, питая такие технологии, как наши сотовые телефоны, компьютеры, фонари, паяльники и кондиционеры. В современном мире от этого трудно спастись. Даже когда вы пытаетесь избежать электричества, оно все еще действует в природе, от молнии во время грозы до синапсов внутри нашего тела.Но что такое — это электричество ? Это очень сложный вопрос, и по мере того, как вы копаете глубже и задаете больше вопросов, на самом деле нет окончательного ответа, только абстрактные представления о том, как электричество взаимодействует с нашим окружением.

Электричество — это природное явление, которое встречается в природе и принимает множество различных форм. В этом уроке мы сосредоточимся на современной электроэнергии: на том, что питает наши электронные гаджеты. Наша цель — понять, как электричество течет от источника питания по проводам, зажигает светодиоды, вращающиеся двигатели и питает наши коммуникационные устройства.

Электричество кратко определяется как поток электрического заряда , , но за этим простым утверждением стоит так много всего. Откуда берутся обвинения? Как мы их перемещаем? Куда они переезжают? Как электрический заряд вызывает механическое движение или заставляет вещи загораться? Так много вопросов! Чтобы начать объяснять, что такое электричество, нам нужно приблизиться, за пределы материи и молекул, к атомам, из которых состоит все, с чем мы взаимодействуем в жизни.

Это руководство основано на некотором базовом понимании физики, силы, энергии, атомов и [полей] (http: // en. wikipedia.org/wiki/Field_(physics)), в частности. Мы рассмотрим основы каждой из этих физических концепций, но, возможно, также будет полезно обратиться к другим источникам.

Going Atomic

Чтобы понять основы электричества, нам нужно начать с рассмотрения атомов, одного из основных строительных блоков жизни и материи. Атомы существуют в более чем сотне различных форм в виде химических элементов, таких как водород, углерод, кислород и медь. Атомы многих типов могут объединяться, чтобы образовать молекулы, из которых состоит материя, которую мы можем физически увидеть и потрогать.

Атомы — это крошечных , максимальная длина которых составляет около 300 пикометров (это 3х10 ^-10 или 0,0000000003 метра). Медный пенни (если бы он на самом деле был сделан из 100% меди) имел бы 3,2х10 ²² атома (32 000 000 000 000 000 000 000 атомов) меди внутри.

Даже атом недостаточно мал, чтобы объяснить работу электричества. Нам нужно погрузиться еще на один уровень и посмотреть на строительные блоки атомов: протоны, нейтроны и электроны.

Строительные блоки атомов

Атом состоит из трех различных частиц: электронов, протонов и нейтронов. У каждого атома есть центральное ядро, в котором протоны и нейтроны плотно упакованы вместе. Ядро окружает группа вращающихся электронов.

Очень простая модель атома. Это не масштабно, но полезно для понимания того, как устроен атом. Ядро ядра протонов и нейтронов окружено вращающимися электронами.

В каждом атоме должен быть хотя бы один протон. Число протонов в атоме важно, потому что оно определяет, какой химический элемент представляет собой атом. Например, атом с одним протоном — это водород, атом с 29 протонами — это медь, а атом с 94 протонами — это плутоний. Это количество протонов называется атомным номером атома .

Ядро-партнер протона, нейтроны, служат важной цели; они удерживают протоны в ядре и определяют изотоп атома. Они не критичны для нашего понимания электричества, поэтому давайте не будем о них беспокоиться в этом уроке.

Электроны критически важны для работы электричества (обратите внимание на общую тему в их названиях?) В наиболее стабильном, сбалансированном состоянии атом будет иметь такое же количество электронов, что и протоны. Как и в модели атома Бора ниже, ядро ​​с 29 протонами (что делает его атомом меди) окружено равным числом электронов.

По мере развития нашего понимания атомов развивались и наши методы их моделирования.Модель Бора — очень полезная модель атома при изучении электричества.

Не все электроны атома навсегда связаны с атомом. Электроны на внешней орбите атома называются валентными электронами. При наличии достаточной внешней силы валентный электрон может покинуть орбиту атома и стать свободным. Свободные электроны позволяют нам перемещать заряд, в чем и заключается вся суть электричества. Кстати о зарядке . ..

Текущие расходы

Как мы упоминали в начале этого урока, электричество определяется как поток электрического заряда. Заряд — это свойство материи, такое же как масса, объем или плотность. Это измеримо. Точно так же, как вы можете количественно определить, сколько у чего-то массы, вы можете измерить, сколько у него заряда. Ключевой концепцией заряда является то, что он может быть двух типов: положительный (+) или отрицательный (-) .

Чтобы переместить заряд, нам нужно носителей заряда , и именно здесь наши знания об атомных частицах — в частности, об электронах и протонах — пригодятся. Электроны всегда несут отрицательный заряд, а протоны — положительно.Нейтроны (верные своему названию) нейтральны, у них нет заряда. И электроны, и протоны несут одинаковую величину заряда , только другого типа.

Модель атома лития (3 протона) с обозначенными зарядами.

Заряд электронов и протонов важен, потому что он дает нам возможность воздействовать на них силой. Электростатическая сила!

Электростатическая сила

Электростатическая сила (также называемая законом Кулона) — это сила, действующая между зарядами.В нем говорится, что заряды одного типа отталкиваются друг от друга, а заряды противоположных типов притягиваются друг к другу. Противоположности притягивают, а любит отталкивать .

Величина силы, действующей на два заряда, зависит от того, как далеко они находятся друг от друга. Чем ближе подходят два заряда, тем больше становится сила (сдвигающая или отталкивающая).

Благодаря электростатической силе электроны отталкивают другие электроны и притягиваются к протонам.Эта сила является частью «клея», удерживающего атомы вместе, но это также инструмент, который нам нужен, чтобы заставить электроны (и заряды) течь!

Поток начислений

Теперь у нас есть все инструменты, чтобы заставить заряды течь. Электроны в атомах могут действовать как наш носитель заряда , потому что каждый электрон несет отрицательный заряд. Если мы сможем освободить электрон от атома и заставить его двигаться, мы сможем создать электричество.

Рассмотрим атомную модель атома меди, одного из предпочтительных источников элементов для потока заряда.В сбалансированном состоянии медь имеет 29 протонов в ядре и такое же количество электронов, вращающихся вокруг нее. Электроны вращаются на разных расстояниях от ядра атома. Электроны, расположенные ближе к ядру, испытывают гораздо более сильное притяжение к центру, чем электроны на далеких орбитах. Крайние электроны атома называются валентными электронами , , для их освобождения от атома требуется наименьшее количество силы.

Это диаграмма атома меди: 29 протонов в ядре, окруженные полосами вращающихся электронов.Электроны, расположенные ближе к ядру, трудно удалить, в то время как валентный электрон (внешнее кольцо) требует относительно небольшой энергии для выброса из атома.

Используя достаточную электростатическую силу на валентный электрон — либо толкая его другим отрицательным зарядом, либо притягивая его положительным зарядом — мы можем выбросить электрон с орбиты вокруг атома, создав свободный электрон.

Теперь рассмотрим медную проволоку: вещество, заполненное бесчисленными атомами меди. Поскольку наш свободный электрон плавает в пространстве между атомами, он тянется и подталкивается окружающими зарядами в этом пространстве.В этом хаосе свободный электрон в конце концов находит новый атом, за который он цепляется; при этом отрицательный заряд этого электрона выбрасывает другой валентный электрон из атома. Теперь новый электрон дрейфует в свободном пространстве, пытаясь сделать то же самое. Этот цепной эффект может продолжаться и продолжаться, создавая поток электронов, называемый электрическим током , .

Очень упрощенная модель зарядов, протекающих через атомы для создания тока.

Электропроводность

Некоторые элементарные типы атомов лучше других выделяют свои электроны.Чтобы получить наилучший возможный поток электронов, мы хотим использовать атомы, которые не очень крепко держатся за свои валентные электроны. Проводимость элемента измеряет, насколько сильно электрон связан с атомом.

Элементы с высокой проводимостью, которые имеют очень подвижные электроны, называются проводниками . Это типы материалов, которые мы хотим использовать для изготовления проводов и других компонентов, которые способствуют электронному потоку. Металлы, такие как медь, серебро и золото, обычно являются нашим лучшим выбором в качестве хороших проводников.

Элементы с низкой проводимостью называются изоляторами . Изоляторы служат очень важной цели: они предотвращают поток электронов. Популярные изоляторы включают стекло, резину, пластик и воздух.

Статическое или текущее электричество

Прежде чем мы продолжим, давайте обсудим две формы, которые может принимать электричество: статическое или текущее. При работе с электроникой гораздо чаще встречается текущее электричество, но также важно понимать статическое электричество.

Статическое электричество

Статическое электричество возникает, когда на объектах, разделенных изолятором, накапливаются противоположные заряды. Статическое (как в «состоянии покоя») электричество существует до тех пор, пока две группы противоположных зарядов не найдут путь между собой, чтобы сбалансировать систему.

Когда заряды все же находят способ уравновешивания, происходит статический разряд . Притяжение зарядов становится настолько большим, что они могут проходить даже через лучшие изоляторы (воздух, стекло, пластик, резину и т. Д.).). Статические разряды могут быть вредными в зависимости от того, через какую среду проходят заряды и на какие поверхности переносятся заряды. Выравнивание зарядов через воздушный зазор может привести к видимому сотрясению, поскольку бегущие электроны сталкиваются с электронами в воздухе, которые возбуждаются и выделяют энергию в виде света.

Запальные устройства с искровым разрядником используются для создания управляемого статического разряда. Противоположные заряды накапливаются на каждом из проводников, пока их притяжение не станет настолько сильным, что заряды могут течь по воздуху.

Один из самых ярких примеров статического разряда — молния . Когда облачная система накапливает достаточно заряда относительно другой группы облаков или земли, заряды будут пытаться уравновеситься. Когда облако разряжается, огромное количество положительных (а иногда и отрицательных) зарядов проходит по воздуху от земли к облаку, вызывая видимый эффект, с которым мы все знакомы.

Статическое электричество также существует, когда мы терем воздушные шары о голову, чтобы волосы встали дыбом, или когда мы шаркали по полу в пушистых тапочках и шокировали семейную кошку (конечно, случайно).В каждом случае трение от трения о разные типы материалов переносит электроны. Объект, теряющий электроны, становится положительно заряженным, а объект, получающий электроны, становится отрицательно заряженным. Два объекта притягиваются друг к другу, пока не найдут способ уравновесить их.

Работая с электроникой, мы обычно не сталкиваемся со статическим электричеством. Когда мы это делаем, мы обычно пытаемся защитить наши чувствительные электронные компоненты от статического разряда.Профилактические меры против статического электричества включают ношение браслетов ESD (электростатический разряд) или добавление специальных компонентов в схемы для защиты от очень высоких скачков заряда.

Текущее электричество

Текущее электричество — это форма электричества, которая делает возможными все наши электронные штуковины. Эта форма электричества существует, когда заряды могут постоянно течь . В отличие от статического электричества, когда заряды собираются и остаются в покое, текущее электричество является динамическим, заряды всегда находятся в движении.Мы сосредоточимся на этой форме электричества на протяжении всего урока.

Цепи

Для протекания электрического тока требуется цепь: замкнутая, бесконечная петля из проводящего материала. Схема может быть такой же простой, как проводящий провод, соединенный встык, но полезные схемы обычно содержат смесь проводов и других компонентов, которые контролируют поток электричества. Единственное правило, когда дело доходит до создания цепей, — в них не должно быть изоляционных промежутков .

Если у вас есть провод, полный атомов меди, и вы хотите вызвать поток электронов через него, все свободных электронов должны где-то течь в том же общем направлении. Медь — отличный проводник, идеальный для протекания зарядов. Если цепь из медного провода разорвана, заряды не смогут проходить через воздух, что также предотвратит перемещение любого из зарядов к середине.

С другой стороны, если бы провод был соединен встык, у всех электронов был бы соседний атом, и все они могли бы течь в одном и том же общем направлении.

---

Теперь мы понимаем , как может течь электронов, но как мы вообще можем заставить их течь? Затем, когда электроны текут, как они производят энергию, необходимую для освещения лампочек или вращающихся двигателей? Для этого нам нужно понимать электрические поля.

Электрические поля

Мы знаем, как электроны проходят через материю, чтобы создать электричество. Это все, что касается электричества. Ну почти все.Теперь нам нужен источник, чтобы вызвать поток электронов. Чаще всего источником электронного потока является электрическое поле.

Что такое поле?

Поле — это инструмент, который мы используем для моделирования физических взаимодействий, которые не включают никаких наблюдаемых контактов . Поля нельзя увидеть, поскольку они не имеют физического внешнего вида, но эффект, который они оказывают, очень реален.

Мы все подсознательно знакомы с одной областью, в частности: гравитационным полем Земли, эффектом притяжения массивного тела другими телами.Гравитационное поле Земли можно смоделировать с помощью набора векторов, направленных в центр планеты; независимо от того, где вы находитесь на поверхности, вы почувствуете силу, толкающую вас к ней.

Сила или напряженность поля неодинакова во всех точках поля. Чем дальше вы находитесь от источника поля, тем меньшее влияние поле оказывает. Величина гравитационного поля Земли уменьшается по мере удаления от центра планеты.

По мере того, как мы переходим к изучению электрических полей, в частности, вспомним, как работает гравитационное поле Земли, оба поля имеют много общего.Гравитационные поля действуют на объекты массы, а электрические поля действуют на объекты заряда.

Электрополя

Электрические поля (е-поля) — важный инструмент в понимании того, как начинается и продолжает течь электричество. Электрические поля описывают тянущую или толкающую силу в пространстве между зарядами . По сравнению с гравитационным полем Земли, электрические поля имеют одно важное отличие: в то время как поле Земли обычно привлекает только другие объекты массы (так как все , поэтому значительно менее массивны), электрические поля отталкивают заряды так же часто, как и притягивают их.

Направление электрических полей всегда определяется как направление , положительный тестовый заряд переместился бы на , если бы он был сброшен в поле. Испытательный заряд должен быть бесконечно малым, чтобы его заряд не влиял на поле.

Мы можем начать с построения электрических полей для отдельных положительных и отрицательных зарядов. Если вы уроните положительный тестовый заряд рядом с отрицательным зарядом, тестовый заряд будет притягиваться к отрицательному заряду . Итак, для одиночного отрицательного заряда мы рисуем стрелки электрического поля, направленные внутрь во всех направлениях.Тот же самый испытательный заряд, падающий рядом с другим положительным зарядом , приведет к отталкиванию наружу, что означает, что мы рисуем стрелки , выходящие из положительного заряда.

Электрические поля одиночных зарядов. Отрицательный заряд имеет внутреннее электрическое поле, потому что он притягивает положительные заряды. Положительный заряд имеет внешнее электрическое поле, отталкиваясь, как заряды.

Группы электрических зарядов могут быть объединены для создания более полных электрических полей.

Равномерное электронное поле сверху направлено от положительных зарядов к отрицательным. Представьте себе крошечный положительный тестовый заряд, сброшенный в электронное поле; он должен следовать в направлении стрелок. Как мы видели, электричество обычно включает в себя поток электронов — отрицательных зарядов — которые текут против электрических полей .

Электрические поля дают нам толкающую силу, необходимую для протекания тока. Электрическое поле в цепи похоже на электронный насос: большой источник отрицательных зарядов, который может толкать электроны, которые будут течь по цепи к положительному сгустку зарядов.

Электрический потенциал (энергия)

Когда мы используем электричество для питания наших цепей, устройств и устройств, мы действительно преобразуем энергию. Электронные схемы должны иметь возможность накапливать энергию и передавать ее другим формам, таким как тепло, свет или движение. Накопленная энергия цепи называется электрической потенциальной энергией.

Энергия? Потенциальная энергия?

Чтобы понять потенциальную энергию, нам нужно понять энергию в целом. Энергия определяется как способность объекта выполнять работы над другим объектом, что означает перемещение этого объекта на некоторое расстояние.Энергия имеет множество форм , некоторые из которых мы можем видеть (например, механическая), а другие — нет (например, химическая или электрическая). Независимо от того, в какой форме она находится, энергия существует в одном из двух состояний : кинетическом или потенциальном.

Объект имеет кинетическую энергию , когда он движется. Количество кинетической энергии объекта зависит от его массы и скорости. Потенциальная энергия , с другой стороны, представляет собой запасенную энергию , когда объект находится в состоянии покоя. Он описывает, сколько работы мог бы сделать объект, если бы он был приведен в движение.Это энергия, которую мы обычно можем контролировать. Когда объект приводится в движение, его потенциальная энергия превращается в кинетическую.

Давайте вернемся к использованию гравитации в качестве примера. Шар для боулинга, неподвижно сидящий на вершине башни Халифа, имеет много потенциальной (запасенной) энергии. После падения мяч, притягиваемый гравитационным полем, ускоряется по направлению к земле. По мере ускорения мяча потенциальная энергия преобразуется в кинетическую (энергию движения). В конце концов вся энергия мяча превращается из потенциальной в кинетическую, а затем передается всему, в что он попадает.Когда мяч находится на земле, у него очень низкая потенциальная энергия.

Электрический потенциал энергии

Подобно тому, как масса в гравитационном поле имеет потенциальную энергию гравитации, заряды в электрическом поле имеют электрическую потенциальную энергию . Электрическая потенциальная энергия заряда описывает, сколько у него накопленной энергии, когда она приводится в движение электростатической силой, эта энергия может стать кинетической, и заряд может выполнять работу.

Подобно шару для боулинга, сидящему на вершине башни, положительный заряд в непосредственной близости от другого положительного заряда имеет высокую потенциальную энергию; оставленный свободным для движения, заряд будет отталкиваться от аналогичного заряда.Положительный тестовый заряд, помещенный рядом с отрицательным зарядом, будет иметь низкую потенциальную энергию, как и шар для боулинга на земле.

Чтобы привить чему-либо потенциальную энергию, мы должны выполнить работу , перемещая это на расстояние. В случае шара для боулинга работа заключается в том, чтобы поднять его на 163 этажа против поля силы тяжести. Точно так же необходимо проделать работу, чтобы подтолкнуть положительный заряд к стрелкам электрического поля (либо к другому положительному заряду, либо от отрицательного заряда). Чем дальше идет заряд, тем больше работы вам предстоит сделать. Точно так же, если вы попытаетесь отвести отрицательный заряд от положительного заряда — против электрического поля — вам придется выполнять работу.

Для любого заряда, находящегося в электрическом поле, его электрическая потенциальная энергия зависит от типа (положительный или отрицательный), количества заряда и его положения в поле. Электрическая потенциальная энергия измеряется в джоулях ( Дж, ).

Электрический потенциал

Электрический потенциал основан на электрическом потенциале energy , чтобы помочь определить, сколько энергии хранится в электрических полях .Это еще одна концепция, которая помогает нам моделировать поведение электрических полей. Электрический потенциал равен , а не , как электрическая потенциальная энергия!

В любой точке электрического поля электрический потенциал — это количество электрической потенциальной энергии, деленное на количество заряда в этой точке. Он исключает количество заряда из уравнения и оставляет нам представление о том, сколько потенциальной энергии могут обеспечить определенные области электрического поля. Электрический потенциал выражается в джоулях на кулон ( Дж / К ), который мы определяем как вольт и (В).

В любом электрическом поле есть две точки электрического потенциала, которые представляют для нас значительный интерес. Есть точка с высоким потенциалом, где положительный заряд будет иметь максимально возможную потенциальную энергию, и есть точка с низким потенциалом, где заряд будет иметь минимально возможную потенциальную энергию.

Один из наиболее распространенных терминов, которые мы обсуждаем при оценке электричества, — это напряжение . Напряжение — это разница потенциалов между двумя точками электрического поля.Напряжение дает нам представление о том, сколько толкающей силы имеет электрическое поле.

---

Имея в своем арсенале потенциальную и потенциальную энергию, у нас есть все ингредиенты, необходимые для производства электричества. Давай сделаем это!

Электричество в действии!

Изучив физику элементарных частиц, теорию поля и потенциальную энергию, мы теперь знаем достаточно, чтобы заставить электричество течь. Сделаем схему!

Сначала рассмотрим ингредиенты, необходимые для производства электричества:

• Электричество определяется как поток заряда .Обычно наши заряды переносятся свободно текущими электронами.
• Отрицательно заряженные электронов слабо прикреплены к атомам проводящих материалов. Небольшим толчком мы можем освободить электроны от атомов и заставить их течь в общем однородном направлении.
• Замкнутая цепь из проводящего материала обеспечивает путь для непрерывного потока электронов.
• Заряды приводятся в движение электрическим полем . Нам нужен источник электрического потенциала (напряжения), который толкает электроны из точки с низкой потенциальной энергией в точку с более высокой потенциальной энергией.

Короткое замыкание

Батареи — распространенные источники энергии, преобразующие химическую энергию в электрическую. У них есть две клеммы, которые подключаются к остальной части схемы. На одном выводе имеется избыток отрицательных зарядов, а на другом все положительные заряды сливаются. Это разность электрических потенциалов, которая только и ждет, чтобы начать действовать!

Если мы подключим наш провод, полный проводящих атомов меди, к батарее, это электрическое поле будет влиять на отрицательно заряженные свободные электроны в атомах меди.Одновременно подталкиваемые отрицательной клеммой и притягиваемой положительной клеммой, электроны в меди будут перемещаться от атома к атому, создавая поток заряда, который мы называем электричеством.

После секунды протекания тока электроны на самом деле переместились на очень — на доли сантиметра. Однако энергия, производимая текущим потоком, составляет огромных , особенно потому, что в этой цепи нет ничего, что могло бы замедлить поток или потреблять энергию. Подключение чистого проводника напрямую к источнику энергии — плохая идея, . Энергия очень быстро перемещается по системе и превращается в тепле в проволоке, которое может быстро превратиться в плавящуюся проволоку или пожар.

Освещение лампочки

Вместо того, чтобы тратить всю эту энергию, не говоря уже о разрушении батареи и провода, давайте построим схему, которая сделает что-нибудь полезное! Обычно электрическая цепь передает электрическую энергию в другую форму — свет, тепло, движение и т. Д.Если мы подключим лампочку к батарее с помощью проводов между ними, мы получим простую функциональную схему.

Схема: батарея (слева) подключается к лампочке (справа), цепь замыкается, когда замыкается переключатель (вверху). Когда цепь замкнута, электроны могут течь, проталкиваясь от отрицательной клеммы батареи через лампочку к положительной клемме.

В то время как электроны движутся со скоростью улитки, электрическое поле почти мгновенно влияет на всю цепь (мы говорим о скорости света быстро). Электроны по всей цепи, будь то с самым низким потенциалом, с максимальным потенциалом или непосредственно рядом с лампочкой, находятся под влиянием электрического поля. Когда переключатель замыкается и электроны подвергаются воздействию электрического поля, все электроны в цепи начинают течь, по-видимому, в одно и то же время. Ближайшие к лампочке заряды сделают один шаг по цепи и начнут преобразовывать энергию из электрической в ​​световую (или тепловую).

Ресурсы и дальнейшее развитие

В этом уроке мы раскрыли лишь крохотную часть пресловутого айсберга.Остается еще масса нераскрытых концепций. Отсюда мы рекомендуем вам перейти сразу к нашему руководству по напряжению, току, сопротивлению и закону Ома. Теперь, когда вы знаете все об электрических полях (напряжении) и текущих электронах (токе), вы на правильном пути к пониманию закона, регулирующего их взаимодействие.

Для получения дополнительной информации и визуализаций, объясняющих электричество, посетите этот сайт.

Вот еще несколько концептуальных руководств для начинающих, которые мы рекомендуем прочитать:

Или, может быть, вы хотите узнать что-нибудь практическое? В этом случае ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств по навыкам базового уровня:

Основы электричества объясняются просто.

---

Мы обсудим следующие аспекты. Прокрутите вниз и начните читать.

• Почему вы должны понимать электричество
• Ток и амперы
• Разность потенциалов и вольты
• Связь между разностью потенциалов и током
• Источники разности потенциалов
• Понятие сопротивления
• Закон об омах
• Постоянный и переменный ток

---

---

Зачем нужно знать об электричестве?

Электричество везде.Вокруг вас текут миллиарды электронов: в освещении операционной, мониторах анестезии, диатермии, элементах управления вентилятором, шприцевых насосах, экране компьютера, который вы сейчас читаете, и так далее, и так далее… . .

На удивительном снимке ниже показан снимок Земли, сделанный ночью из космоса. Уличные и домашние фонари освещают страны и дают представление о том, насколько широко используется электричество во всем мире. На изображении ниже, насколько освещена ваша страна?

Немного узнать об электричестве полезно, потому что:

• Он предоставит основы для понимания электробезопасности.
• Это поможет вам лучше понять принципы работы электрического медицинского оборудования, такого как электрохирургические устройства, дефибрилляторы, измерение температуры и т. Д.

---

Электрический ток и ампер

Часто можно услышать слова «ток», «напряжение» и «сопротивление». Очень важно хорошо понимать эти три концепции. Начнем с объяснения, что такое электрический ток. Представим, что через светло-коричневый провод внизу проходит электрический ток.

Когда мы говорим, что электрический «ток» течет, что он на самом деле течет? Ток — это поток электронов. Электроны можно рассматривать как отрицательно заряженные «частицы». Движение этих электронов называется током.

Ток измеряется в единицах, называемых «амперами». Число ампер в проводе связано с тем, сколько электронов проходит через поперечное сечение провода в секунду.

Ток в один ампер относится к определенному количеству электронов, проходящих через поперечное сечение провода за одну секунду.Это огромное число, и, пожалуйста, не запоминайте его. По проводу ниже проходит ток в один ампер.

Чем выше ток (больше ампер), тем выше количество электронов, которые проходят через поперечное сечение провода за секунду.

На самом деле очень сложно сосчитать миллиарды электронов.

Поскольку так сложно подсчитать такое количество электронов, официальное определение («Международная система единиц») ампера опирается на более «практически измеримое определение».Для вас и для меня (не физика) даже это определение все равно кажется очень непрактичным, но, по крайней мере, вам не нужно считать отдельные электроны. «Практическое» определение дано ниже, но, пожалуйста, не запоминайте его (если у вас нет неограниченного объема памяти).

Итак, вкратце, ампер относится к количеству электронов, протекающих по проводу в секунду.

---

Разность потенциалов и вольт

Общеизвестно, что вода и электричество плохо сочетаются друг с другом!

Однако, что интересно, вода и электричество ведут себя «примерно одинаково».Поскольку, в отличие от электричества, воду можно увидеть, часто бывает полезно сначала понять поведение воды, а затем использовать ее для понимания электричества.

Итак, давайте представим, что вы хотите установить красивый водопад в своем саду (также представьте, что вы достаточно богаты, чтобы иметь большой сад).

Чтобы сэкономить деньги, вы решаете сами построить то, что вы считаете водопадом. Это выглядит так.

К сожалению, вода не течет совсем. Вы не можете понять почему.

Причина отсутствия потока воды в том, что в плоском пруду нет разницы в энергии. Чтобы вода текла, должна быть разница в энергии между одной областью и другой. Тогда вода потечет из области с высокой энергией в область с низкой энергией. В случае водопада эту энергию можно получить, подняв одну часть воды. Поднятая вода имеет больше энергии (из-за силы тяжести), чем вода у основания, заставляя воду течь.

Давайте рассмотрим это с точки зрения энергии.В случае с водопадом энергия определяет силу тяжести. Чем выше вода, тем выше ее потенциальная энергия. В нашем водопаде более высокий резервуар имеет более высокую потенциальную энергию, чем нижний резервуар, который имеет более низкую потенциальную энергию, и эта разница в энергии заставляет воду течь. Когда вода стекает по водопаду, она теряет потенциальную энергию. Когда он достигает нижнего резервуара, его потенциальная энергия ниже, чем у верхнего резервуара.

Когда верхний бак опустеет, вода, конечно, не будет течь обратно вверх сама по себе.Это связано с тем, что вода не течет из области с низким потенциалом энергии в область с высоким потенциалом.

По той же причине, если вы просто соединили трубу от нижнего бака к верхнему, вода не вернется в верхний бак.

Если мы хотим, чтобы водопад в саду продолжал работать, нам нужно вернуть воду в верхний резервуар. Для этого нам нужно обеспечить систему энергией. Это возможно с водяным насосом. Вода в верхнем резервуаре имеет высокую энергию и, как объяснялось ранее, стекает вниз, теряя при этом энергию.Затем насос «обеспечивает энергию для привода системы», забирая воду с более низкой потенциальной энергией и перекачивая ее в верхний резервуар. Вода, которая достигла верхнего резервуара, теперь имеет высокую потенциальную энергию и может снова стекать, повторяя цикл снова и снова. Теперь у нас наконец-то есть прекрасно работающий садовый водопад, который продолжает течь.

А теперь перейдем к чему-нибудь электрическому. Вместо водопада представим, что мы хотим зажечь лампочку.Лампочка — это то, что загорается, когда через нее проходит ток.

Давайте подключим несколько проводов к лампочке, чтобы попытаться заставить ее загореться. Но, к сожалению, мы обнаруживаем, что лампочка не загорается. Мы видим, что в проводе есть электроны, но лампочка не загорается. Почему это ?

Причина того, что лампочка не загорается, в том, что нет «потока» электронов. Электроны должны двигаться в одном направлении, чтобы лампочка загорелась. Если они просто «болтаются», не двигаясь в одном направлении, ничего не произойдет.

Давайте посмотрим на провод поближе, чтобы увидеть, почему лампочка не горит

Вы увидите, что электроны в проводе беспорядочно перемещаются во всех направлениях. Однако важно отметить, что они НЕ движутся в одном конкретном направлении, а просто «торчат». Вы помните, что ток — это поток электронов в определенном направлении. Итак, в нашем примере до сих пор, поскольку все электроны в проводе не текут в определенном направлении, ток не проходит через лампочку, и, следовательно, лампочка не загорается.

Это похоже на ситуацию, когда водопад не работал без насоса. В системе водопада есть вода, но вода не движется в определенном направлении из-за нехватки энергии.

В водопаде, как вы помните, был необходим насос для обеспечения разницы в энергии для потока воды.

Как и вода в водопаде, электрические цепи нуждаются в разности потенциалов, чтобы электроны текли.

На изображении ниже показаны два провода.Верхний провод не имеет разности потенциалов. Электроны беспорядочно движутся во всех направлениях без потока в одном конкретном направлении. Следовательно, по этому проводу нет тока. Нижний провод имеет разность потенциалов между A и B. Это заставляет электроны течь в определенном направлении, и поэтому этот провод проводит ток.

Существует множество источников, которые могут создавать разность потенциалов, которая может вызвать протекание тока в электрической цепи.Вы можете думать об «источнике разности потенциалов» как о насосе в водопаде, который мы обсуждали. Насос заставляет воду течь по системе. В электрической цепи источник разности потенциалов заставляет электроны (то есть ток) течь по цепи.

Источники разности потенциалов имеют «отрицательный полюс» и «положительный полюс». Ток покидает отрицательный полюс и возвращается к положительному полюсу.

Как упоминалось ранее, существует много типов источников разности потенциалов, и многие из них будут рассмотрены позже.А пока давайте обсудим общий источник разности потенциалов, который вы, возможно, использовали дома и в больнице. Этим источником является обычная одноразовая батарея. Вы могли поставить их на часы у себя дома. В большинстве ларингоскопов эти батареи используются для питания лампочки.

Давайте теперь подключим эту батарею к лампочке, которую мы пытались зажечь раньше. Разность потенциалов, генерируемая в батарее, заставляет электроны двигаться. Ток идет от отрицательного полюса по проводам к лампочке, проходит через лампочку и заставляет ее загораться и возвращается по проводам к положительному полюсу.

Единицей измерения разности потенциалов является «вольт». Чем больше разность потенциалов на полюсах, тем больше вольт.

Обычная домашняя аккумуляторная батарея имеет напряжение 1,5 В или сокращенно «1,5 В»

С другой стороны, разность потенциалов, выходящая из настенных розеток, может быть довольно высокой (например, 120 или 230 вольт).

Теперь я должен признаться, что рисовать все это может быть довольно утомительно. К счастью, говоря об электричестве, не нужно постоянно рисовать «настоящую» вещь.Вместо этого можно использовать символы. Например, аккумулятор имеет обозначение:

.

Более короткая вертикальная линия представляет отрицательный полюс.

Способ запомнить, какая вертикальная линия отрицательная, а какая положительная, — это помнить, что «n» короче, чем «p».

Точно так же лампочка может быть представлена ​​символом.

Вы увидите, что электрические схемы гораздо проще рисовать с помощью символов, чем с использованием реалистичных диаграмм. Например, эта схема….

… может быть легко нарисован как….

На практике схемы реального медицинского оборудования могут быть очень сложными, и использование символов становится очень удобным. Ниже представлена ​​очень простая (для инженеров!) Электрическая схема, нарисованная с использованием символов.

---

Взаимосвязь между разностью потенциалов и током.

Теперь вернемся к разности потенциалов и току. Напомним, что ток — это поток электронов. Потенциальная разница — это то, что заставляет электроны и, следовательно, течь ток.В нашем примере с водопадом мы сказали, что разность потенциалов подобна разнице в высоте верхнего и нижнего резервуара, а разница составляет поток воды.

Посмотрите на два водопада внизу. У водопада A большая разница в высоте, а у водопада B небольшая разница в высоте. Водопад A имеет большую разницу энергии, чем водопад B, и поэтому скорость потока в водопаде A намного выше, чем у водопада B. Другими словами, расход воды пропорционален разнице энергии.

То же самое и в электрических цепях. Если вы увеличите разность потенциалов, будет течь больше электронов. Возьмем пример ниже. В верхней цепи разность потенциалов составляет 1,5 В, и это приводит к определенному протеканию тока. В нижней цепи разность потенциалов увеличена вдвое до 3 вольт. Это удваивает ток, заставляя лампочку загораться ярче.

Существует известный электрический закон под названием «Закон Ома». Хотя закон Ома будет объяснен более подробно позже, то, что мы уже обсуждали, составляет «ЧАСТЬ» этого закона.

Т.е. Часть Закона Ома гласит, что «для данного провода (проводника) ток прямо пропорционален разности потенциалов на нем. «

---

Источники разности потенциалов

Есть много источников разности потенциалов.

Одноразовые батареи:

До сих пор в наших обсуждениях мы использовали батареи как источник разности потенциалов. Сначала мы обсудим батареи, а затем другие источники разности потенциалов.

Батарейки

частоты используются дома для питания небольших предметов, например, часов. В больнице лампы ларингоскопа обычно питаются от батареек. Батареи бывают самых разных форм и размеров.

В батареях химическая реакция создает разность потенциалов. После того, как химическая реакция «закончилась», аккумулятор больше не генерирует полезную разность потенциалов, и аккумулятор выбрасывается.

Аккумуляторы:

Эти батареи имеют «обратимые» химические реакции.Если вы приложите разность потенциалов и ток к перезаряжаемой батарее, химические реакции в батарее «сохранят» эту энергию. Когда требуется энергия, дальнейшие химические реакции могут высвободить ранее накопленную энергию. Эти батареи можно перезаряжать много раз, что экономически выгодно в долгосрочной перспективе. Перезаряжаемые батареи очень часто используются в бытовых товарах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки. Они также очень часто используются во многих больничных устройствах, таких как шприцевые насосы, портативные мониторы, дефибрилляторы, моторизованные операционные столы и т. Д.Чрезвычайно важно, чтобы устройства, использующие аккумуляторные батареи, оставались «заряженными». Если вы не держите вещи правильно заряженными (например, забываете подключить устройство к сетевой розетке), батареи могут разрядиться раньше и неожиданно вывести из строя критически важное оборудование, такое как шприцевой насос, во время транспортировки пациента.

Электрический генератор:

Энергия в наших домах и больницах поступает от огромных электрических генераторов. Это устройства, преобразующие вращательное движение в электричество.

Есть много разных способов обеспечить вращательное движение генератору. Например, воду в плотине можно использовать для включения генератора (гидроэлектростанции).

Многие электростанции используют пар для вращения генератора. Пар производится путем нагрева воды, что может происходить из источников энергии, таких как нефть, газ, уголь или ядерная энергия.

Многие электростанции соединены друг с другом сетью проводов, которая называется «электрическая сеть».Сеть позволяет системе совместно использовать ресурсы и обеспечивать резервное питание в случае отказа одной электростанции. Сеть распределяет электроэнергию по больницам, домам и другим потребителям.

Сеть тщательно контролируется для удовлетворения потребностей потребителей в электроэнергии. Например, сетевые инженеры внимательно изучают телевизионные программы, потому что они знают, что, когда популярные телевизионные программы заканчиваются (например, после важного спортивного события), миллионы людей встают и нагревают воду в электрических чайниках для приготовления кофе или чая.Сетевые инженеры планируют это и быстро активируют специальные электростанции, которые могут быстро увеличить подачу электроэнергии в сеть, чтобы удовлетворить этот спрос. Например, во время Королевской свадьбы в Соединенном Королевстве спрос на электроэнергию увеличился на 2 400 000 ватт, что эквивалентно одновременному включению почти одного миллиона чайников.

Аварийный генератор:

Как и все остальные, больницы также получают электроэнергию от электросети. Если сеть не обеспечивает подачу электроэнергии, необходимо использовать важнейшее вспомогательное оборудование для пациентов, такое как мониторы, вентиляторы, наркозные аппараты и т. Д.может перестать работать. По этой причине в больницах есть собственные источники аварийного питания. На короткие периоды перебоев в электроснабжении огромные аккумуляторные батареи могут обеспечить необходимую мощность. На более длительный период в больнице будет генератор, который обычно приводится в действие дизельным двигателем. Этот генератор включается автоматически при обнаружении сбоя питания.

---

Концепция сопротивления

В мире электричества есть три друга, которые всегда находятся вместе и влияют друг на друга.Мы уже обсуждали два из них: ток (в амперах) и разность потенциалов (в вольтах). Теперь давайте обсудим третьего друга, называемого сопротивлением,

.

В цепи электрическое сопротивление — это то, что «сопротивляется» потоку электронов (то есть сопротивляется потоку тока). Вернемся к нашему примеру с водопадом. Однако теперь мы заменим водопад трубой, соединяющей два резервуара. Вода течет по трубе из верхнего бака в нижний из-за разницы в потенциальной энергии.

Давайте теперь рассмотрим два таких устройства. В обоих случаях высота резервуара для воды одинакова. Т.е. обе системы имеют одинаковую потенциальную энергию. Однако в схеме «А» имеется узкая труба, а в схеме «В» — широкая труба.

Скорость потока воды в трубе A ниже, чем скорость потока воды в трубе B. Это связано с тем, что более узкая труба A имеет большее сопротивление потоку воды, чем более широкая труба B.

Итак, в приведенном выше примере скорость потока и сопротивление имеют «противоположную» взаимосвязь.Когда один увеличивается, другой уменьшается. Говоря техническим языком, можно сказать, что скорость потока обратно пропорциональна сопротивлению.

Электричество аналогично. Возьмем провод и лампочку, подключенные к разности потенциалов 1,5 вольта. Эта разность потенциалов заставляет ток течь по проводам и лампочке.

Предположим, теперь мы делаем две похожие электрические цепи с батареями, проводами и лампочками. В обеих схемах мы сохраняем разность потенциалов одинаковой.(1,5 вольта). Однако в одной цепи мы используем тонкие провода с высоким сопротивлением, а в другой — толстые провода с низким сопротивлением. Видно, что в толстых проводах с низким сопротивлением протекает больше тока (более яркая лампочка), чем в тонких проводах с высоким сопротивлением.

Таким образом, высокое сопротивление приводит к слабому току, и, наоборот, низкое сопротивление приводит к сильному току. Мы можем выразить это в уравнении, в котором ток обратно пропорционален сопротивлению провода, по которому он проходит.

---

---

---

Закон Ома

Некоторое время назад мы видели часть Закона Ома, который гласил, что ток, протекающий по проводу, прямо пропорционален разности потенциалов на этом проводе.

И совсем недавно мы узнали, что ток обратно пропорционален сопротивлению.

Теперь вы готовы к «полному» закону Ома! Давайте объединим эти два отношения, которые вы только что узнали.

Закон Ома гласит, что:

Ток, протекающий через проводник между двумя точками, прямо пропорционален разности потенциалов между двумя точками и обратно пропорционален сопротивлению между ними.Закон Ома можно показать уравнением в желтом квадрате.

Итак, вы можете видеть, что три друга, вольт (разность потенциалов), сопротивление и ток — лучшие друзья. И, как и друзья, если вы соберетесь вдвоем, они будут говорить о третьем друге.

Точно так же, переставив уравнение закона Ома, если вы знаете два значения, вы можете узнать, что такое третье.

Пора использовать в уравнениях международные сокращения.Обратите внимание, что международное сокращение Current — это не «C». Вместо этого это «я» (капитолий 1). Эта причудливая аббревиатура имеет отношение к истории, где современное раньше было представлено на французском языке.

Теперь вот уравнения, которые мы видели раньше, с использованием сокращений.

Вам не нужно запоминать все три приведенных выше уравнения. Просто запомните одно, а остальное вы сможете отработать при необходимости.

Закон Ома — очень важный закон в мире электричества.Это было обнаружено мистером Ом.

Отряд сопротивления назван его именем. Единица измерения сопротивления называется «Ом», и ее символ показан ниже.

Давайте рассмотрим пример Закона Ома в клинической практике.

Представим, что вы прикрепили к пациенту отведения электрокардиограммы (ЭКГ). Затем вы вставляете вилку отведения ЭКГ в соответствующее гнездо на мониторе.

К сожалению, при этом в вилку попадает кусок грязи.Из-за этого желтый провод плохо контактирует со своей ответной частью, что увеличивает его сопротивление.

Согласно закону Ома высокое сопротивление влияет на напряжение и ток в проводе, нарушая запись ЭКГ.

Вытащена вилка из розетки и удалена грязь. Теперь контакт хороший, а сопротивление низкое.

Низкое сопротивление облегчает прохождение тока и позволяет лучше отслеживать ЭКГ.

---

Постоянный и переменный ток

Как вы помните, ток — это поток электронов.

Электроны (т. Е. Ток) текут от «отрицательного» полюса к «положительному» полюсу. Следовательно, у тока есть «направление» потока.

Направление тока изменится, если поменять местами отрицательный и положительный полюса источника.

Существует два основных типа протекания тока: «Постоянный ток (DC)» и «Переменный ток (AC)».

В основном, при постоянном токе «направление» тока остается постоянным во времени, тогда как при переменном токе направление протекания тока продолжает меняться от одного направления к другому.Позвольте мне попытаться прояснить вам ситуацию.

Чтобы сделать диаграммы менее загруженными, я их немного упростил. Источник разности потенциалов обозначен знаком минус и плюс. Зеленая стрелка покажет направление тока. Помните, ток всегда течет от отрицательного к положительному.

Теперь я опишу вам разницу между постоянным и переменным током. Начнем с DC. Ниже приведена серия изображений, показывающих схему с источником питания постоянного тока. Повторяющиеся изображения показывают, что происходит в течение определенного периода времени.Вы заметите, что со временем ток НЕ изменил направление (зеленая стрелка остается в том же направлении). Это фундаментальное свойство постоянного тока: ток не меняет направления.

AC — это довольно странно по сравнению с постоянным током. В переменном токе отрицательный полюс и положительный полюс источника постоянно меняются местами.

Поскольку ток перемещается с отрицательного на положительный, это означает, что ток также неоднократно меняет направление.

На приведенных ниже изображениях показано изменение переменного тока во времени.Положительный полюс и отрицательный полюс продолжают чередоваться. В ответ на это направление тока также постоянно меняется.

Это повторяющееся изменение направления тока происходит довольно быстро. Во многих странах это происходит 50 или 60 раз в секунду (то есть с частотой 50 или 60 Гц). Например, в США это происходит 60 раз в секунду (60 Гц), а в Великобритании, Индии и Шри-Ланке это происходит с частотой 50 Гц. Приведенная ниже анимация может помочь вам оценить, насколько это быстро.Отрицательный и положительный полюса чередуются 50 раз в секунду. Если вы страдаете светочувствительной эпилепсией, пропустите эту анимацию.

Вы можете задаться вопросом, почему кто-то производит странный ток в форме переменного тока. Есть веские инженерные причины, по которым у нас есть кондиционер, и об этом мы поговорим позже. А пока мы продолжим обсуждение того, как ведет себя AC.

Прежде чем продолжить, позвольте мне познакомить вас с научным прибором, называемым «осциллографом».Осциллограф имеет экран, на котором отображаются изменения напряжения во времени. Вертикальная ось представляет напряжение, а горизонтальная ось представляет время. Это помогает нам визуализировать, как ток ведет себя с течением времени, и будет очень полезно, когда мы продолжим обсуждение переменного и постоянного тока.

Если «осциллограф» звучит сложно, не волнуйтесь, потому что я уверен, что вы использовали его каждый день в своей профессиональной жизни. Монитор ЭКГ (ЭКГ) — это разновидность осциллографа. Он измеряет разность потенциалов сердца с течением времени.Выглядит знакомо ?

Ниже представлен упрощенный осциллограф. Прямо сейчас к щупам осциллографа ничего не подключено (черный и красный щупы), поэтому кривая (синяя линия) остается на базовой линии.

Подключим осциллограф к источнику постоянного тока. Осциллограф показывает прямую линию (синяя линия) над базовой линией (пунктирная линия).

Осциллографы

показывают изменение направления тока по кривой, пересекающей базовую линию. Поменяем местами положительный и отрицательный полюса источника (т.е. меняем полярность). Вы увидите, что кривая пересекает базовую линию сверху вниз.

Давайте снова поменяем полярность, чтобы она вернулась к прежней. Вы снова увидите, что осциллограф показывает это изменение, заставляя кривую пересекать базовую линию, в данном случае снизу вверх.

Теперь давайте исследуем постоянный и переменный ток с помощью осциллографа.

Сначала мы подключаем его к источнику постоянного тока, например, к батарее. Вы получите устойчивый график выше базовой линии.Поскольку с постоянным током направление тока не меняется, трассировка не пересекает базовую линию.

Теперь рассмотрим переменный ток с помощью осциллографа. Вы знаете, что, в отличие от постоянного тока, полярность переменного тока постоянно меняется, поэтому вы ожидаете увидеть что-то подобное.

Однако квадратный сигнал выше НЕ то, что вы видите. Вместо этого вы увидите сигнал с гораздо более изящными кривыми, как показано на осциллографе справа внизу.

Причина, по которой вы видите изящные кривые вместо внезапных прямоугольных изменений, заключается в том, что полярность переменного тока НЕ ​​изменяется внезапно, как показано ниже.

Вместо этого изменение AC происходит «мягко». Потенциал сначала начинает уменьшаться и со временем становится равным нулю. Затем полярность меняется, и разность потенциалов начинает расти, пока не достигнет максимума. Таким же образом продолжаются изменения полярности.

Это плавное изменение полярности (как показано в «танце полярности») ниже объясняет красивую кривую осциллографию переменного тока.

Теперь вы готовы увидеть, как формируется осциллографическая кривая переменного тока.(Это форма волны, которую вы часто видите в учебниках)

Сейчас я покажу вам, как «плавный» переход, показанный ниже, превращается в кривую форму волны, наблюдаемую при переменном токе.

Вышеупомянутый переход будет показан поэтапно. При отображении каждого шага вы будете видеть форму волны переменного тока на осциллографе.

Обратите внимание, что у переменного тока есть периоды, когда ток отсутствует.

При изменении полярности трассировка пересекает базовую линию.

И цикл повторяется.

Вы бы заметили, что переменный ток имеет периоды, когда разность потенциалов равна нулю. В это время ток равен нулю.

Обычно эти нулевые периоды не замечаются, потому что они происходят очень быстро. Однако иногда вы можете видеть эти периоды выключения в люминесцентных лампах (ламповых лампах). В периоды выключения свет может мерцать (быстрее, чем показано ниже, компьютерная анимация недостаточно быстрая).

В физике изогнутую форму волны переменного тока можно описать как «синусоидальную волну». Математика такой волны описывается функцией «греха» в сложном уравнении, показанном ниже, которое, я надеюсь, вы не запомните.

Напомним, что на изображении ниже для сравнения показаны сигналы постоянного и переменного тока.

Ниже обычно используются символы для обозначения источников питания переменного и постоянного тока.

Если вы посмотрите вокруг, вы обнаружите, что ваш мир полон символов.Когда вам скучно, посмотрите вокруг своей операционной и вы найдете множество скрытых символов. Обычно их можно найти на электрическом оборудовании. Посмотрите, где подключаются провода мониторинга и провода питания.

Почему наши дома и больницы снабжены переменным током, а не постоянным током?

Электрический ток, который выходит из настенных розеток в домах и больницах, в основном переменный. Переменный ток выглядит сложнее, чем постоянный, так почему же они используют переменный ток для питания наших больниц и домов?

Чтобы объяснить, почему в вашу больницу и дом подается переменный ток, а не постоянный, вам необходимо понять, как работает устройство, называемое «трансформатором».Трансформатор «преобразует» напряжение в более высокое или более низкое напряжение. Если он преобразует входное напряжение в более высокое выходное напряжение, он называется «повышающим» трансформатором.

Если он преобразует входное напряжение в более низкое выходное напряжение, он называется «понижающим» трансформатором.

Давайте посмотрим, как работает трансформатор. Трансформатор использует два очень важных свойства в мире электричества.

Первое явление, используемое в трансформаторах, заключается в том, что когда по проводу проходит электрический ток, он создает магнитное поле.

В приведенном ниже примере провод (катушка) пропускает постоянный ток (DC). Магнитное поле показано синей дугой.

Ниже мы демонстрируем катушку с проводом переменного тока. Важно отметить, что, поскольку ток меняет направление, он создает «изменяющееся» магнитное поле (показано синей дугой со стрелками). Т.е. В DC ​​поле не меняется, в то время как в AC поле постоянно меняется.

Теперь давайте обсудим второе электрическое явление, заставляющее трансформаторы работать.Это называется «электромагнитная индукция», и давайте рассмотрим катушку с проволокой, чтобы продемонстрировать это.

Электромагнитная индукция — это явление, при котором, если на провод (или катушку провода, как в нашем примере) воздействовать ИЗМЕНЯЮЩИЕСЯ магнитным полем, в проводе будет индуцироваться ток. В приведенном ниже примере изменяющееся (то есть многократно увеличивающееся и уменьшающееся) магнитное поле представлено синей дугой со стрелками.

Важно, что магнитное поле меняется.Неизменяющееся магнитное поле (как показано ниже) НЕ будет индуцировать ток в катушке.

Теперь мы можем объяснить, как работает трансформатор. Входной переменный ток идет в первичную катушку (розовый). Это создает изменяющееся магнитное поле (синяя дуга со стрелками). Изменяющееся магнитное поле индуцирует ток во вторичной катушке (зеленый цвет), и, таким образом, электрическая энергия передается от первичной катушки к вторичной катушке.

Здесь вы можете видеть, что трансформатор работает только с переменным током, потому что ему требуется изменяющееся магнитное поле для передачи энергии через него.Если бы вы использовали постоянный ток, трансформатор не работал бы. Магнитное поле не будет изменяться и, следовательно, не будет передавать энергию вторичной катушке.

Работает ли трансформатор как повышающий или понижающий трансформатор, зависит от соотношения контуров в первичной и вторичной обмотках. В повышающем трансформаторе вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная обмотка. Точно так же в понижающем трансформаторе вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная обмотка.

Теперь мы понимаем, что трансформаторы могут повышать или понижать напряжение.Мы также понимаем, что нам нужен переменный ток, чтобы трансформаторы работали. Теперь вопрос в том, почему трансформаторы так важны?

Это связано с передачей электроэнергии. Ранее мы обсуждали, как на электростанции вырабатывается электроэнергия.

Эта электростанция может находиться на расстоянии многих сотен миль / километров от вашего дома или больницы, а это означает, что электричество должно пройти очень далеко, прежде чем достигнет вас. Одна большая головная боль для энергетической компании заключается в том, что, когда электричество передается по проводам, оно теряет энергию.Если это произойдет на огромных расстояниях, когда провод дойдет до вас, ничего не останется.

Согласно физическому принципу, провода с низким напряжением имеют более высокие потери, чем провода с высоким напряжением. (Объяснение этого выходит за рамки данного веб-сайта.)

Следовательно, чтобы минимизировать потери, энергокомпания передает электроэнергию под высоким напряжением.

Эти высоковольтные линии электропередач часто можно увидеть пересекающими ландшафт.В следующий раз, когда вы выйдете на улицу, поищите их.

Здесь на помощь приходят трансформаторы. Генераторы вырабатывают относительно низкое напряжение. Это низкое напряжение повышается повышающим трансформатором до высокого напряжения, которое используется для передачи электричества на большие расстояния. Когда провода доходят до вас, высокое напряжение снижается с помощью серии понижающих трансформаторов. Единственный практический способ создания высокого напряжения и последующего снижения, необходимого для экономичной передачи энергии, — это использование трансформаторов.И именно поэтому переменный ток используется для передачи электроэнергии, вплоть до розетки в вашей больнице и дома.

---

Сводка:

Важно, чтобы вы знали об электричестве. Это поможет вам лучше понять электробезопасность.

Ток связан с потоком электронов и измеряется в амперах.

Разница потенциалов — это то, что заставляет электроны течь (ток), и измеряется в «Вольтах». Существует множество источников разности потенциалов, таких как батареи, электрические розетки дома и в больнице и т. Д.Ток напрямую связан с разностью потенциалов, и это является частью закона Ома.

Сопротивление — это то, что препятствует прохождению тока и измеряется в Ом. Ток обратно пропорционален сопротивлению. Эта взаимосвязь является частью Закона Ома.

Закон

Ом определяет соотношение между напряжением, током и сопротивлением. Если вы знаете два из трех компонентов закона Ома, вы можете узнать третий.

Ток может быть постоянным или переменным. В постоянном токе электроны текут в одном направлении, в то время как в переменном токе электроны меняют направление.

Вы знаете (благодаря осциллографу), как постоянный и переменный ток ведут себя с течением времени. Вы знаете, как формируется сигнал переменного тока.

Трансформаторы

необходимы для создания высокого напряжения, необходимого для экономичной передачи тока на большие расстояния. Трансформаторы работают только с переменным током, поэтому энергокомпания снабжает ваш дом и больницу переменным током.

Теперь, когда у вас есть базовые представления об электричестве, вы можете безопасно прочитать «Электробезопасность», щелкнув меню в верхней части этой страницы.

---

электричества | Определение, факты и типы

Электростатика — это изучение электромагнитных явлений, которые происходят при отсутствии движущихся зарядов, то есть после установления статического равновесия. Заряды быстро достигают своего положения равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов.И наоборот, имея набор проводников с известными потенциалами, можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников. Электрическую энергию набора зарядов в состоянии покоя можно рассматривать с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; в качестве альтернативы, можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этой сборкой зарядов. Наконец, энергия может храниться в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, хранится в нем как электростатическая энергия электрического поля.

Изучите, что происходит с электронами двух нейтральных объектов, тренных друг о друга в сухой среде.

Объяснение статического электричества и его проявлений в повседневной жизни.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Статическое электричество — это знакомое электрическое явление, при котором заряженные частицы передаются от одного тела к другому. Например, если два предмета трутся друг о друга, особенно если они являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, предметы приобретают равные и противоположные заряды, и между ними возникает сила притяжения.Объект, теряющий электроны, становится заряженным положительно, а другой — отрицательно. Сила — это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы описаны выше; они включены в математическое соотношение, известное как закон Кулона. Электрическая сила, действующая на заряд Q ₁ в этих условиях из-за заряда Q ₂ на расстоянии r , задается законом Кулона

Жирным шрифтом в уравнении обозначается вектор характер силы, а единичный вектор r̂ — это вектор, размер которого равен единице, и который указывает от заряда Q ₂ до заряда Q ₁ .Константа пропорциональности k равна 10 ⁻⁷ c ² , где c — скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8,99 × 10 ⁹ ньютонов на квадратный метр на квадратный кулон (Нм ² / C ² ). На рисунке 1 показано усилие на Q ₁ из-за Q ₂ . Числовой пример поможет проиллюстрировать эту силу. И Q ₁ , и Q ₂ выбраны произвольно в качестве положительных зарядов, каждый с величиной 10 ⁻⁶ кулонов.Заряд Q ₁ расположен в координатах x , y , z со значениями 0,03, 0, 0 соответственно, а Q ₂ имеет координаты 0, 0,04, 0. Все координаты даны в метрах. Таким образом, расстояние между Q ₁ и Q ₂ составляет 0,05 метра.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Величина силы F при заряде Q ₁ , рассчитанная по уравнению (1), равна 3.6 ньютонов; его направление показано на рисунке 1. Сила, действующая на Q ₂ из-за Q ₁ , составляет — F , что также имеет величину 3,6 ньютона; его направление, однако, противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее компоненты по осям x и y , поскольку вектор силы лежит в плоскости x y . Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии рисунка 1, а результаты показаны на рисунке 2.Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрической силы между зарядами в состоянии покоя. Если заряды имеют противоположные знаки, сила будет притягивающей; притяжение будет указано в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора r̂. Таким образом, электрическая сила на Q ₁ будет иметь направление, противоположное единичному вектору r̂ , и будет указывать от Q ₁ к Q ₂ .В декартовых координатах это привело бы к изменению знаков компонентов силы x и y в уравнении (2).

компоненты кулоновской силы

Рисунок 2: Компоненты x и y силы F на рисунке 4 (см. Текст).

Предоставлено Департаментом физики и астрономии Университета штата Мичиган

Как можно понять эту электрическую силу на Q ₁ ? По сути, сила возникает из-за наличия электрического поля в позиции Q ₁ .Поле создается вторым зарядом Q ₂ и имеет величину, пропорциональную размеру Q ₂ . При взаимодействии с этим полем первый заряд на некотором расстоянии либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда, в зависимости от знака первого заряда.

Электромагнетизм | Физика для идиотов

Для электромагнетизма все, что вам нужно знать, это что происходит, когда у вас есть + или — заряды, что происходит, когда они приближаются, и что происходит, когда они двигаются.Это оно! Для всех неквантовых ЭМ вам нужно всего 5 формул. Четыре уравнения Максвелла и уравнение Лоренца описывают все электричество, магнетизм, свет, звук, излучение, фактически большую часть физики:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Насколько плохой может быть тема, если вы можете описать все это с помощью всего 5 уравнений, вы, вероятно, сможете уместить их все на обратной стороне пивного коврика. Теперь, когда вы ознакомились с выводом, мы можем перейти к началу и подробно прочитать всю историю.Если вы не изучаете университетский курс, вы можете обойтись без точного знания того, что уравнение означает или делает, но этот сайт объяснит их позже, сначала давайте вернемся к основам.

Заряд бывает 2 типов, положительный и отрицательный, и измеряется в кулонах (C). Если у вас есть заряд, он излучает поле во всех направлениях. Поле заряда обозначается буквой E, как в E-lectricity. Если вы поместите в поле еще один заряд, он почувствует силу. Подобные обвинения отталкиваются, а непохожие — притягиваются.Чем больше заряд, тем сильнее сила и чем дальше заряды, тем слабее сила, чего вы и ожидали. Эти отношения могут быть представлены законом Кулона;

и

‘s — это два заряда и расстояние между ними в квадрате. Другой бит — это просто константа, которая примерно равна

00000. (Точный вывод этого закона можно найти здесь). Из них вы можете видеть, что сила — это просто поле, умноженное на любой вложенный вами заряд.Используя это, вы можете определить поле или силу между частицами, атомами или чем-либо, имеющим заряд, при условии, что они не движутся. Как только вы начинаете заряжаться, происходят другие вещи.

Как только заряд начинает двигаться, он создает другое поле. Новое поле — это магнетизм и обозначается буквой B, как в B-магматизме?

Причина, по которой это буква B, заключается просто в том, что это было второе место в алфавитном списке:

• Электромагнитный векторный потенциал: A
• Магнитная индукция: B
• Полный электрический ток: C
• Рабочий объем: D
• Электродвижущая сила: E
• Механическая сила: F
• Скорость в точке: G
• Сила магнитного поля: H

(Это также объясняет, откуда берется H для тех, кто заинтересован).

Итак, теперь ваша частица или атом, или что-то еще, имеет 2 выходящих поля. Полное уравнение, описывающее, как оба поля действуют на частицу, —

.

, которая известна как сила Лоренца. Символ не означает умножение, в данном контексте он означает перекрестное произведение. По сути, это короткий способ записать «умножить на синус угла между». Это потому, что поле сдвигается под углом 90 ° в любое направление, в котором оно указывает, И в каком направлении вы двигаетесь.Теперь, если вы не изучаете ЭМ после A-level, вы можете забыть о направлениях и углах и просто написать

Если мы расширим приведенное выше выражение, мы получим

Но мы уже можем описать одну из этих частей, это просто закон Кулона. Кроме того, на уровне A или ниже ситуация, вероятно, будет упрощена, поэтому вам нужно только рассмотреть поля и отдельно. Таким образом, вам, вероятно, придется использовать только одну из следующих двух формул:

Очевидно, это сила и заряд, и два поля, описанные ранее, и скорость движущегося заряда.Электрическое поле измеряется в единицах СИ: ньютон на кулон () или, что то же самое, вольт на метр (). Магнитное поле имеет единицы СИ, равные теслам (Т), что эквивалентно Веберам на квадратный метр () или вольт-секундам на квадратный метр ()

.

Теперь я не большой поклонник схем, никогда не был, теперь, надеюсь, я буду достаточно профессионален, чтобы моя неприязнь к ним не отражалась в этом разделе, но если это произойдет, я заранее извиняюсь. Если я действительно начну бороться со своей ненавистью, мне, возможно, придется позвонить второму писателю

Цепи А в основном представляют собой серию движущихся зарядов со случайным объектом или устройством, влияющими на поток.Когда я говорю, что электроны движутся, большинство людей подумают, что их скорость приближается к скорости света, но это неверно. Настоящие электроны движутся ОЧЕНЬ медленно, это волна, которая распространяется быстро. Как сказано выше, подобные заряды отталкиваются, поэтому поместите один электрон рядом с другим, и они разойдутся. С током в проводе у вас в основном есть трубка электронов, и вы добавляете один к одному из концов, это заставляет следующий электрон двигаться вниз, который, в свою очередь, толкает следующий и так далее.Итак, у вас есть эффект мексиканской волны, который движется быстро, но сами электроны движутся медленно.

Цепи

обычно содержат всевозможные различные объекты и устройства в зависимости от того, для чего они предназначены, и в зависимости от того, как вы их все настраиваете в схеме, зависит, как вы выполняете все свои вычисления.

Что есть что?

Если вы настроили все свои компоненты в замкнутом цикле, например,

, то мы говорим, что все компоненты относятся к серии .Если вы настроите их с ветвящимися путями, например,

, то мы говорим, что компоненты находятся в Parallel . Вы также можете создавать схемы, которые представляют собой смесь последовательного и параллельного участков, например,

Амперы, вольт и омы (Боже мой!)

Мы называем движущиеся заряды током, и он измеряется в единицах СИ — амперах (А). Ампер эквивалентен количеству заряда, прошедшего за определенное время, поэтому 2 кулона за 6 секунд будут эквивалентны 0.3А. Это, как и большинство других вещей в физике, можно выразить в красивой формуле, которую вы можете усвоить.

Еще одна важная идея в схемах — это напряжение или разность потенциалов. Вольт — это в основном разница электрического потенциала в двух разных точках. Электрический потенциал между двумя точками равен

.

где — расстояние между и. Это в основном поле, умноженное на расстояние.

Еще одна важная идея, связанная с цепями, — сопротивление.Сопротивление — это в основном мера того, какое сопротивление противостоит электрическому току. Почти все объекты или устройства в цепи вызывают сопротивление, и для вычисления общего сопротивления в цепи вы используете одно или несколько из этих правил

Одним из самых важных и фундаментальных уравнений в схемах является закон Ома, который связывает ток, напряжение и сопротивление.

Вот и все. Классическая EM не идет дальше этого.Эти 4 являются фундаментальным уравнением для ВСЕХ полей в EM. Им может потребоваться немного времени, чтобы разобраться, но как только вы это сделаете, все должно иметь смысл.

Если вы не знаете об интеграции и дифференциации, я предлагаю вам перейти в раздел «Интеграция» или «Дифференциация», я попытаюсь объяснить это здесь, но в основном сосредоточусь на физике.

Закон Гаусса

Хорошо, тогда сначала у нас есть закон Гаусса.

Это говорит о том, что интеграл электрического поля через замкнутую область равен полному заряду внутри этой области, деленному на. — это константа, называемая проницаемостью свободного пространства, и она проявляется во всей физике вместе с проницаемостью свободного пространства. Это уравнение означает, что вы можете взять ЛЮБУЮ замкнутую поверхность, которая вам нравится, и найти проходящее через нее поле, при условии, что вы можете делать математику. Обычно ты не можешь. Однако есть ряд случаев, когда это приятно и просто.Случаи, когда поле выходит прямо через поверхность равномерно. Корпуса

• Сферическая поверхность вокруг точки или сферы
• A Цилиндрическая поверхность вокруг бесконечного провода
• A Правильная поверхность над сечением бесконечной плоскости

Я допускаю, что это звучит расплывчато и абстрактно, поэтому я продемонстрирую их с помощью диаграммы.

Это гауссовы поверхности. По сути, с этими поверхностями все, что вы пытаетесь сделать, — это облегчить жизнь.Просто убедитесь, что поверхность всегда находится на одинаковом расстоянии от источника заряда и что поле всегда проходит под углом 90 градусов. Затем вы можете проработать интеграл с закрытыми глазами. Это очень просто. Левая часть закона Гаусса становится в Е раз больше поверхности выбранной вами формы.

Итак, закон Гаусса для сферы принимает вид

.

Который ранее был введен как Закон Кулона, теперь вы знаете, откуда он взялся.Закон Гаусса для бесконечной линии заряда составляет всего

.

Теперь в этом было введено кое-что новое,. Если у вас есть бесконечная линия заряда, то общий заряд на ней бесконечен, и невозможно узнать, сколько этого бесконечного заряда у вас будет внутри вашей гауссовой поверхности. Вот где приходит значение заряда на единицу длины, так что если = 4 см и у вас 5 метров, то заряд будет всего 20 градусов. Вот и все, всего лишь стоимость заряда.

Для бесконечной поверхности закон Гаусса становится

Еще раз был добавлен новый символ, но такой же, как и раньше. — это просто заряд на единицу площади, поэтому, если = 5 см и у вас есть площадь 100 м, общий заряд составляет 500 С.

Заряженное кольцо

Допустим, у вас есть заряженное кольцо, и вам нужно знать поле, создаваемое им. И снова мы будем использовать один из важнейших инструментов физики, чтобы упростить работу. Сначала мы будем смотреть только на поле вдоль оси кольца, иначе все будет слишком сложно, и это не стоит усилий.Теперь давайте возьмем очень маленькую часть кольца и скажем, что это сфера. Это неправда, но чем меньше мы делаем секцию, тем больше мы можем сделать ее похожей на точечный заряд. Так у вас что-то вроде этого

Вы хотите найти поле в точке вдоль оси кольца полного заряда и радиуса. Небольшая квадратная секция вверху — это кусочек, который вы считаете заряженной сферой. Теперь мы не знаем, сколько заряда стоит в этом маленьком разделе, так как вы можете сделать его любого размера, который захотите, поэтому мы просто называем начисление, небольшое количество.Итак, теперь у нас

Теперь, если вы думаете об этом, каждый бит кольца выше оси, толкающей вниз, будет иметь равный бит ниже оси, толкающей вверх. То же самое будет и с левой, и с правой, и со всеми остальными частями кольца. Таким образом, вся сила от кольца будет действовать только вдоль оси. Чтобы проработать только этот бит, нам нужно использовать какой-то триггер. Нам нужно умножить поле, чтобы получить осевую составляющую.

Как вы можете знать или не знать, можно также описать (с использованием SOH CAH TOA) следующие отношения для нашей ситуации

As — смежная сторона и гипотенуза.Итак, теперь у нас

Однако мы можем не знать, что это такое. Мы знаем радиус диска, и расстояние, на котором мы находимся от диска,. Используя немного старого Пифагора, мы можем переписать его в терминах и

Итак, теперь наше уравнение выглядит так

Теперь мы хотим избавиться от этого, поэтому интегрируем

Теперь мы знаем из диаграммы в начале, что общий заряд на диске равен, поэтому, если мы сложим все маленькие биты от общего количества, должно быть, значит, интеграл будет справедливым.

Вот оно, поле от заряженного диска. Все, что вам нужно, это поле с точки и некоторые триггерные знания, и вы можете это решить. Я мог бы просто дать вам окончательное решение, но таким образом вы сможете увидеть, откуда оно взялось, а затем, если вы его забудете, вы сможете решить его, руководствуясь первыми принципами, как указано выше.

Закон Гаусса для магнетизма

Это красиво и легко, но имеет большое значение. Закон Гаусса для магнетизма —

.

Это похоже на обычный закон Гаусса в том, что он описывает поле, на этот раз его магнитное поле.Он говорит, что интеграл от B по замкнутой поверхности равен нулю. Ничего такого. Каждая линия поля, выходящая за пределы поверхности, имеет входящий эквивалент. Полного поля нет. Это означает, что получить источники Магнитного поля невозможно. В то время как электроны и протоны являются источниками поля, от которого силовые линии расходятся или сходятся к нему, магнитного аналога нет. Силовые линии магнитного поля — это всегда замкнутые контуры, без начала и без конца. Это, конечно, не остановило людей от подготовки на случай, если мы обнаружим магнитный монополь.

Это уравнение может показаться красивым, но оно само по себе совершенно бесполезно. Обычно нулевой результат в физике очень важен, это означает, что может происходить что-то особенное, здесь он показывает, что магнитных монополей не существует.

Закон Фарадея

Теперь все становится сложнее, вот и закон Фарадея,

Я подробно расскажу вам, что это на самом деле означает. Сначала у нас есть левая часть, что очень просто. Это похоже на закон Гаусса, только интеграл над другим.Вместо нахождения полного поля через поверхность, мы теперь находим полное поле вокруг замкнутого контура. Вот и все, что отличается от левой стороны, никаких поверхностей, только замкнутые контуры. Теперь о правой стороне. Во-первых, у нас есть минус, замечать это сложно. Почему это там, будет объяснено позже. Далее у нас есть еще один интеграл, и этот выглядит ужасно. Символ в основном означает небольшое изменение. Так происходит изменение, и это изменение в том, где время. Целое — это скорость изменения, насколько сильно изменяется () в данный момент ().И это интегрируется по области. — это область внутри замкнутого цикла, если вы нарисуете какую-то случайную волнистую фигуру, убедившись, что линия не пересекает сама себя и соединяется сама с собой, тогда длина вокруг линии — ваша, а область внутри линии — ваша. Да просто? Таким образом, сумма в цикле просто равна минусу изменения в цикле.

Что будет, если нет? Ну нет, так это ноль, что делает интеграл 0, значит, нет. Что будет, если у вас будет константа? Ну опять 0.Таким образом, равен нулю, что делает интеграл равным 0, поэтому снова нет. Вы можете вызвать поле только с помощью изменяющегося поля .

Важность знака минус проистекает из того факта, что поля создают поля, а поля создают поля (как показано в законах Фарадея и Ампера). Если бы не было минуса, поля просто продолжали бы строить и строить, в конечном итоге давая бесконечную энергию, а это недопустимо!

Закон Ампера-Максвелла

Последнее из уравнений Максвелла — это закон Ампера-Максвелла.Как первые два закона были похожи, так и последние два, в них есть шаблон в таком порядке, который может облегчить их запоминание. над областью, над областью, вокруг петли и, наконец, вокруг петли. Уравнение

Левая сторона, легкая, интегральная с B вокруг замкнутого контура. Правая сторона, не все так просто. Сначала давайте проигнорируем этот бит, я вернусь к этому. В остальном это очень похоже на закон Фарадея. У вас есть еще одно изменяющееся поле, интегрированное в область, но на этот раз его.Однако на этот раз вместо умножения на минус 1 вы умножаете на. Еще раз, это две очень важные ценности в физике, по отдельности и вместе. Они лежат в основе EM. Итак, ваше магнитное поле вокруг петли просто равно изменяющемуся полю E, проходящему через него раз, но тогда вам нужно добавить немного. Это бит. Это просто ток, который проходит через цикл раз, потому что, как сказано в Stuff Moving, если у вас есть движущийся заряд, то есть ток, тогда вы получите магнитное поле.Итак, вам нужно сложить две части вместе. Красный.

Помимо написания приведенных выше уравнений Максвелла в так называемой интегральной форме, вы также можете записать их в дифференциальной форме, например,

Запись уравнений Максвелла в одной из двух вышеперечисленных форм на самом деле является упрощением. И интегральная форма, и дифференциальная форма являются векторными уравнениями, и они избавляют вас от необходимости писать полные 8 уравнений Максвелла для полей и во всех трех измерениях.

[su_spoiler title = ”8‘ Original ’Maxwell Equations» style = »fancy»]

[/ su_spoiler]

Что ж, оказывается, вы также можете компактифицировать четыре векторных уравнения Максвелла в два тензорных уравнения, например, так

Вот вектор с четырьмя компонентами, иногда называемый 4-током, и представляет собой матрицу 4 × 4, называемую электромагнитным тензором.Они определены как

(6)

(7)

где — скорость света. Операторы and просто сообщают вам, где в векторе или матрице искать, но для некоторых сбивает с толку начало с 0, поэтому и (не путать с кубом). То же, что и

100 бесплатных онлайн-курсов по физике — Class Central

Миссия марсохода может быть завершена, но это не значит, что мы должны закрыть книги по науке и физике на год.IBM наращивает свои достижения в области квантовых вычислений с помощью Q System One, Илон Маск строит ракетный корабль из тяжелого металла, а ЦЕРН планирует усовершенствовать Большой адронный коллайдер. Что ждет суперсимметрию и физику элементарных частиц в будущем? Время покажет.

С продолжающимся ростом массовых открытых онлайн-курсов («МООК») доступ к высококачественному контенту для изучения физики как никогда велик. Так что взгляните на приведенный ниже список, и, чем бы вы ни интересовались в физике, будь то введение в физику, электричество или теорию относительности Эйнштейна, погрузитесь в глубину своего понимания основных строительных блоков окружающего нас мира.

Примечание : Чтобы понять, как работают эти курсы, прочтите наш FAQ. К сожалению, сейчас доступны не все эти курсы. Добавьте курс в MOOC Tracker, и мы сообщим вам, когда он станет доступен.

Начало физики

Как все работает: введение в физику
Университет Вирджинии через Coursera
Введение в физику в контексте повседневных объектов.
★★★★★ (23 отзыва)

Понимание Эйнштейна: специальная теория относительности
Стэнфордский университет через Coursera
Этот курс будет стремиться «понять Эйнштейна», уделяя особое внимание специальной теории относительности, которую Альберт Эйнштейн как 26-летний патентный служащий , представленный в его «чудо-году» 1905 году.
★★★★★ (16 оценок)

Введение в физику
via Udacity
Отправляйтесь в места, где в прошлом были сделаны большие открытия в области физики, и сделайте их сами. Вы посетите Италию, Нидерланды и Великобританию, изучая основы физики.
★★★★ ☆ (16 оценок)

Пространство, время и Эйнштейн
via World Science U
Присоединяйтесь к визуальному и концептуальному введению в захватывающие идеи Эйнштейна о пространстве, времени и энергии.
★★★★★ (4 отзыва)

Введение в физику твердого тела
Индийский технологический институт Канпур через NPTEL
Курс посвящен ознакомлению студентов и аспирантов с концепциями физики конденсированного состояния.

Экспериментальная физика I
Индийский технологический институт, Харагпур через NPTEL
Этот курс поможет вам понять принцип работы многих распространенных устройств через их применение в различных экспериментах с конкретными целями.

Физика плазмы: Введение
Федеральная политехническая школа Лозанны через edX
Изучите основы плазмы, одного из фундаментальных состояний материи и различных типов моделей, используемых для его описания, включая жидкие и кинетические.

От атомов к звездам: как физика объясняет наш мир
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ via edX
Исследуйте Вселенную через физику от мельчайших микрочастиц до необъятных галактик.

Введение в физику — Часть 1: Механика и волны
Сеульский национальный университет via edX
Поймите физику из повседневного опыта. Этот курс охватывает основы механики Ньютона, включая колебания и волновые явления.

Думай как физик
через сеть Canvas
Изучите природные силы, такие как плавучесть, волны и то, как гравитация заставляет все это происходить. Этот онлайн-курс Real Science Labs дает студентам практический лабораторный опыт, когда они исследуют силы природного мира.

Квантовая физика

Квантовая механика: одномерное рассеяние и центральные потенциалы
Массачусетский технологический институт через edX
Узнайте о рассеянии в одномерных потенциалах, угловом моменте, центральных потенциалах и атоме водорода.
★★★★★ (11 оценок)

Открытие бозона Хиггса
Эдинбургский университет через FutureLearn
Стоит ли нам волноваться по поводу бозона Хиггса? Узнайте больше о физике элементарных частиц и понимании Вселенной.
★★★★ ☆ (7 оценок)

Квантовая механика для ученых и инженеров
Стэнфордский университет через Stanford OpenEdx
Этот курс направлен на обучение квантовой механике всех, кто имеет достаточное понимание физических наук или инженерии на уровне колледжа. Этот курс представляет собой существенное введение в квантовую механику и способы ее использования. Он специально разработан, чтобы быть доступным не только для физиков, но также для студентов и технических специалистов с широким спектром научных и инженерных специальностей.
★★★★★ (4 отзыва)

Квантовая механика: волновые функции, операторы и ожидаемые значения
Массачусетский технологический институт через edX
Узнайте о волновых функциях и их вероятностной интерпретации, уравнении Шредингера и свойствах квантовых наблюдаемых.
★★★★★ (2 отзыва)

Топология в конденсированных средах: связывание квантовых узлов
Делфтский технологический университет через edX
Получите простой практический обзор топологических изоляторов, майоранов и других топологических явлений.
★★★★★ (1 отзыв)

Квантовая механика для ученых и инженеров 2
Стэнфордский университет через Stanford OpenEdx
Этот курс охватывает ключевые темы использования квантовой механики во многих современных приложениях в науке и технике, знакомит с основными передовыми концепциями, такими как спин, идентичные частицы, квантовая механика света, основы квантовой информации и интерпретация квантовой механики и охватывает основные способы написания и использования квантовой механики в современной практике.

Приложения квантовой механики
Массачусетский технологический институт via edX
Этот курс посвящен основным методам, необходимым для практических приложений и исследований в области квантовой механики. Мы вводим различные методы приближения, чтобы понять системы, не имеющие аналитических решений.

Квантовая механика: квантовая физика в одномерных потенциалах
Массачусетский технологический институт через edX
Узнайте, как решить уравнение Шредингера для частицы, движущейся в одномерном потенциале, подходящее для физических приложений.

Введение в уравнение Шредингера и квантовый перенос
Университет Пердью через edX
Представляет метод неравновесной функции Грина (NEGF), широко используемый для описания квантовых эффектов в устройствах нанометрового уровня, а также его приложения в устройствах спинтроники.

Квантовая механика I
Индийский технологический институт в Бомбее через NPTEL
Этот курс представляет собой курс первого уровня в обозначении бюстгальтера Дирака, который заложит основу для прохождения курсов продвинутого уровня.

Астрофизика

От Большого взрыва до темной энергии
Токийский университет через Coursera
★★★★ ☆ (15 оценок)

Astrophysics: The Violent Universe
Австралийский национальный университет via edX
Исследуйте самые смертоносные места во Вселенной, от черных дыр до сверхновых.
★ ★ ★ ★ ★ (5 оценок)

Относительность и астрофизика
Корнельский университет через edX
Изучите мощные и интригующие связи между астрономией и теорией относительности Эйнштейна.
★★★★ ☆ (5 оценок)

Введение в общую теорию относительности
Высшая школа экономики через Coursera
Общая теория относительности или теория релятивистской гравитации описывает черные дыры, гравитационные волны и расширяющуюся Вселенную. Цель курса — познакомить вас с этой теорией.

Физика плазмы: приложения
Федеральная политехническая школа Лозанны через edX
Узнайте о приложениях плазмы от ядерного синтеза, приводящего в действие солнце, создания интегральных схем и выработки электроэнергии.

Космические лучи, темная материя и тайны Вселенной
Университет Васэда via edX
Присоединяйтесь к нам в уникальном исследовании одной из самых глубоких загадок Вселенной: космических лучей

Астрофизические вестники Эйнштейна
через World Science U
Команда Габриэлы Гонсалес в LIGO использует наземные эксперименты для поиска гравитационных волн, создаваемых черными дырами. В этом мастер-классе узнайте, как они проводят эти поиски и какие тайны они надеются разгадать о нашей Вселенной.

Информационный парадокс черной дыры
via World Science U
В 1970-х годах Стивен Хокинг осознал серьезный конфликт, связанный с квантовой природой черных дыр. Теоретик струн Самир Матур много лет работал над этой еще нерешенной проблемой и нашел радикальное решение так называемого информационного парадокса.

Изучение искривленной Вселенной
через World Science U
14 сентября 2015 года детекторы гравитационных волн LIGO впервые подтвердили обнаружение гравитационной волны.Присоединяйтесь к физику Нергис Мавалвала, который отправит вас в невероятное путешествие от скромного начала LIGO до его революционного открытия.

Новые идеи о темной материи
via World Science U
Присоединяйтесь к Джастину Хури, который познакомит вас с физикой элементарных частиц и космологией темной материи в поисках ответов на одну из самых больших загадок физики.

100 лет гравитационных волн
via World Science U
Известный физик Рай Вайс известен прежде всего как один из первых создателей гравитационно-волновой обсерватории с лазерным интерферометром (LIGO).Присоединяйтесь к нему, когда он исследует историю этого удивительного проекта и технологии, которые сделали его реальностью.

Физика элементарных частиц

Физика элементарных частиц: введение
Женевский университет через Coursera
Этот курс познакомит вас с субатомной физикой, то есть физикой ядер и частиц.
★★★★ ☆ (1 отзыв)

Составляющие природы
через World Science U
С открытием частицы Хиггса в 2013 году Стандартная модель стала ближе к завершенной теории.В этом мастер-классе Мария Спиропулу, профессор физики Калифорнийского технологического института, исследует надежность Стандартной модели и смотрит на будущее физики элементарных частиц.
★★★★★ (1 отзыв)

Решение проблем больших адронных коллайдеров с помощью машинного обучения
Высшая школа экономики через Coursera
Задания этого курса дадут вам возможность применить свои навыки в поисках новой физики с использованием передовых методов анализа данных.По окончании курса вы гораздо лучше поймете принципы экспериментальной физики и машинного обучения.

Методы анализа поверхности
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ через Coursera
Этот курс описывает наиболее широко используемые методы анализа в современной науке о поверхности. В нем представлены сильные и слабые стороны каждого метода, чтобы вы могли выбрать тот, который предоставит вам необходимую информацию.Он также рассматривает то, что каждый метод не может дать вам, а также то, как интерпретировать результаты, полученные от каждого метода.

Теоретическая физика

Эффективная теория поля
Массачусетский технологический институт via edX
8.EFTx — это курс для выпускников по теории эффективного поля (EFT), который обеспечивает фундаментальную основу для описания физических систем с помощью квантовой теории поля. Для студентов-интернатов он указан как 8.851.

Теория распыления
Индийский технологический институт Мадрас через NPTEL
Цель этого курса — дать обзор физики распыления жидкости, образования и распространения брызг.

Прошлое и будущее объединения
via World Science U
На протяжении всей истории физики ученые работали над объединением многих различных областей во всеобъемлющее описание Вселенной. Теоретик струн Робберт Дейкграаф, директор и профессор Леона Леви из Института перспективных исследований, обсуждает связь между очень большим и бесконечно малым.

Фундаментальные уроки теории струн
через World Science U
Кумрун Вафа вместе со всемирно известным теоретиком струн Эндрю Строминджером разработали новый способ вычисления энтропии черной дыры на языке теории струн.Следуйте за Вафой, поскольку он проведет вас через некоторые из самых невероятных вещей, которые мы узнали с момента зарождения теории струн.

Механика и движение

Статистическая механика: алгоритмы и вычисления
École normale supérieure через Coursera
В этом курсе вы изучите много современной физики (классической и квантовой) с помощью базовых компьютерных программ, которые вы загрузите, обобщите или напишете с нуля , обсудите, а затем подайте заявку. Присоединяйтесь, если вам интересно (но не обязательно хорошо осведомлены) об алгоритмах и о глубоком понимании науки, которое вы можете получить с помощью алгоритмического подхода.
★★★★★ (3 отзыва)

Механика ReView
Массачусетский технологический институт через edX
Механика ReView — это вводный курс механики на уровне Массачусетского технологического института, в котором особое внимание уделяется стратегическому подходу к решению проблем. Он охватывает те же темы учебной программы, что и курс Advanced Placement Mechanics-C .
★★★★★ (1 отзыв)

Механика: кинематика и динамика
Массачусетский технологический институт via edX
Узнайте о кинематике и динамике в этом курсе физики, основанном на вычислениях.
★★★★★ (1 отзыв)

Кинематика: описание движений космических аппаратов
Университет Колорадо в Боулдере через Coursera
Этот курс кинематики охватывает четыре основные темы: введение в кинематику частиц, глубокое погружение в кинематику твердого тела в двух частях. Курс заканчивается рассмотрением определения статического положения с использованием современных алгоритмов для прогнозирования и выполнения относительной ориентации тел в пространстве.
★★★ ☆☆ (1 отзыв)

Механика: движение, силы, энергия и гравитация, от частиц к планетам
Университет Нового Южного Уэльса через Coursera
Этот курс по запросу рекомендуется для старшеклассников и начинающих университетов, а также для всех, кто интересуется базовыми знаниями. физика.В курсе используются мультимедийные учебные материалы для представления материала: видеоролики с ключевыми экспериментами, анимациями и рабочими примерами задач, все с дружелюбным рассказчиком.
★★★★ ☆ (1 отзыв)

Механика: простое гармоническое движение
Массачусетский технологический институт через edX
Узнайте, как решить и понять простое гармоническое движение на этом уроке физики, основанном на исчислении.

Механика: динамика вращения
Массачусетский технологический институт via edX
Узнайте о динамике вращения, твердых телах и моменте инерции в этом курсе физики, основанном на расчетах.

Механика: импульс и энергия
Массачусетский технологический институт via edX
Узнайте об импульсе и энергии в этом курсе физики, основанном на вычислениях.

Введение в механику, часть 1
Rice University via edX
Изучите физику движения вещей с помощью этого основанного на исчислении курса механики.

Кинетика: изучение движения космического корабля
Университет Колорадо в Боулдере через Coursera
После этого курса вы сможете… * Вывести из базовой формулировки углового момента уравнения вращения, а также прогнозировать и определять равновесия движения без крутящего момента и связанные с ними устойчивости * Разработайте уравнения движения для твердого тела с несколькими вращающимися компонентами, выведите и примените крутящий момент градиента силы тяжести * Примените условия статической устойчивости конфигурации с двумя вертушками и спрогнозируйте изменения по мере появления устройств обмена импульсом * Получите уравнения движения для системы, в которых присутствуют различные устройства обмена импульсом.

Управление нелинейным пространственным движением космического корабля
Университет Колорадо в Боулдере через Coursera
Этот курс обучает вас навыкам, необходимым для программирования конкретной ориентации и достижения точных целей прицеливания для космического корабля, движущегося в трехмерном пространстве. После этого курса вы сможете… * различать ряд понятий нелинейной устойчивости * применять прямой метод Ляпунова для доказательства стабильности и сходимости ряда динамических систем * разрабатывать показатели ошибок скорости и ориентации для 3-осевого управления ориентацией с использованием Теория Ляпунова * Анализ сходимости управления твердым телом с немоделированным моментом.

Как движется материал, часть 1: линейное движение
Колледж Харви Мадда через edX
Основанное на исчислении введение в механику Ньютона, в котором упор делается на решение проблем.

Как движется материал, часть 2: Угловое движение
Колледж Харви Мадда через edX
Основанное на исчислении введение в механику Ньютона с упором на решение проблем.

Как движется материал, часть 3: Волновое движение
Колледж Харви Мадда через edX
Основанное на исчислении введение в механику Ньютона с упором на решение проблем.

Электромагнетизм, лазеры и фотоны

3.15x: электрические, оптические и магнитные материалы и устройства
Массачусетский технологический институт через edX
В 3.15x мы исследуем электрические, оптические и магнитные свойства материалов и узнаем, как электронные устройства предназначены для использования эти свойства.
Перейти к классу

Электронные материалы и устройства
Массачусетский технологический институт via edX
Узнайте, как электронные устройства, такие как диоды и транзисторы, предназначены для использования электрических свойств материалов.
★★★★ ☆ (3 отзыва)

Электричество и магнетизм, часть 1
Университет Райса через edX
PHYS 102.1x служит вводным курсом по заряду, электрическому полю, электрическому потенциалу, току, сопротивлению и цепям постоянного тока с резисторами и конденсаторами.
★★★★★ (2 отзыва)

Электричество и магнетизм: электростатика
Массачусетский технологический институт через edX
Из этого вводного курса физики узнайте, как заряды взаимодействуют друг с другом и создают электрические поля и электрические потенциалы.

Электричество и магнетизм: магнитные поля и силы
Массачусетский технологический институт через edX
В этом вводном курсе физики узнайте, как заряды создаются и перемещаются в магнитных полях и как анализировать простые цепи постоянного тока.

Электричество и магнетизм: уравнения Максвелла
Массачусетский технологический институт через edX
В этой заключительной части 8.02 мы рассмотрим закон Фарадея, схемы с индукторами, уравнения Максвелла и электромагнитное излучение.Этот вводный курс физики электромагнетизма потребует использования математического анализа.

Electricity & Magnetism, Part 2
Rice University via edX
PHYS 102.2x служит введением в магнитное поле, как оно создается токами и магнитными материалами, индукцией и индукторами, а также цепями переменного тока.

Введение в фотонику
Индийский технологический институт Мадрас через NPTEL
Вводный курс по фотонике, ведущий к более продвинутым курсам, таким как лазеры, оптическая связь, оптические датчики и интегральные схемы фотоники.

Лазер: основы и приложения
Индийский технологический институт Канпур через NPTEL
Этот курс предназначен для студентов, которым необходимо понять основные принципы работы лазеров и их основные свойства. Этот курс дает студентам полное представление об основах лазеров: их уникальных свойствах, принципах работы и областях применения.

Основные шаги в магнитном резонансе
Федеральная политехническая школа Лозанны через edX
МООК, чтобы открыть для себя основные концепции и широкий спектр интересных приложений магнитного резонанса в физике, химии и биологии

Физика кремниевых солнечных элементов
École Polytechnique через Coursera
Первый МООК «Фотоэлектрическая солнечная энергия» представляет собой общую презентацию технологий солнечной фотоэлектрической энергии в глобальном энергетическом контексте без подробных деталей.В частности, описание работы солнечных элементов ограничено идеальным случаем. В отличие от этого второй MOOC позволяет глубоко понять свойства солнечных элементов на основе кристаллических полупроводников.

Начало работы в крио-EM
Калифорнийский технологический институт через Coursera
Этот класс охватывает фундаментальные принципы, лежащие в основе криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), начиная с базовой анатомии электронных микроскопов, введения в преобразования Фурье, и принципы формирования имиджа.Основываясь на этом фундаменте, класс затем охватывает вопросы подготовки образцов, стратегии сбора данных и основные рабочие процессы обработки изображений для всех трех основных методов современной крио-ЭМ: томографии, анализа отдельных частиц и двумерной кристаллографии.

Краткий курс по сверхпроводимости
Индийский технологический институт Гувахати через NPTEL
Курс посвящен основам сверхпроводимости, включая эффект Мейснера, электродинамический отклик, сверхпроводники типа I и типа II и т. Д.

Плазмоника: от основ до современных приложений
Университет ИТМО via edX
Плазмоника — это недавно появившаяся и быстрорастущая отрасль оптики. Изучите основы, а также последние достижения и современные приложения.

Термодинамика

Статистическая молекулярная термодинамика
Университет Миннесоты через Coursera
Этот вводный курс физической химии исследует связи между молекулярными свойствами и поведением макроскопических химических систем.
★★★★ ☆ (4 отзыва)

Введение в термодинамику: передача энергии отсюда сюда в другое место или форму. Понимание того, как работают энергетические системы, является ключом к пониманию того, как удовлетворить все эти потребности во всем мире. Поскольку потребности в энергии только растут, этот курс также закладывает основу для многих успешных профессиональных карьер.
★★★★ ☆ (3 отзыва)

Термодинамика
Индийский технологический институт Бомбей via edX
Введение в основные концепции и приложения термодинамики в машиностроении.
★★★★★ (3 отзыва)

Основы явлений переноса
Технологический университет Делфта via edX
Изучите основы для работы над широким спектром инженерных проблем, касающихся передачи тепла, массы и количества движения.Изучите примеры повседневных процессов дома, в лаборатории и на производстве.
★★★★ ☆ (1 отзыв)

Кондуктивная и конвекционная теплопередача
Индийский технологический институт, Харагпур через NPTEL
Это вводный курс по кондуктивной и конвекционной теплопередаче. Тема теплопередачи имеет широкую область применения и имеет первостепенное значение практически во всех областях инженерных и биологических систем. В курсе подчеркиваются основные концепции режимов теплопередачи и конвекции, а также перечислены законы и основные уравнения, относящиеся к скоростям теплопередачи, на основе основополагающих принципов.

Оптика

Атомная и оптическая физика I — Часть 2: Структура атома и атомы во внешнем поле
Массачусетский технологический институт через edX
Вторая часть курса современной атомной и оптической физики: структура атомов и их поведение в статических электромагнитных полях.
★★★★ ☆ (1 отзыв)

Атомная и оптическая физика I — Часть 1: Резонанс
Массачусетский технологический институт via edX
Первая часть курса современной атомной и оптической физики: физика резонансов, центральная тема в атомной физике.

Атомная и оптическая физика I — Часть 3: Взаимодействие атома и света 1 — Матричные элементы и квантованное поле
Массачусетский технологический институт через edX
Третья часть курса современной атомной и оптической физики: физика взаимодействия атомы с электромагнитным полем.

Атомная и оптическая физика I — Часть 4: Взаимодействие атома и света 2: Уширение линий и двухфотонные переходы
Массачусетский технологический институт через edX
Четвертая часть курса современной атомной и оптической физики: физика формы линий и двухфотонные переходы.

Атомная и оптическая физика I — Часть 5: Когерентность
Массачусетский технологический институт через edX
Пятая часть курса современной атомной и оптической физики: физика атомной когерентности.

Атомная и оптическая физика: атомно-фотонные взаимодействия
Массачусетский технологический институт через edX
Узнайте, как использовать квантовую электродинамику для описания физики взаимодействия между атомами и фотонами.

Атомная и оптическая физика: ультрахолодные атомы и физика многих тел
Массачусетский технологический институт через edX
Узнайте об ультрахолодных атомах, конденсате Бозе-Эйнштейна и приложениях в физике твердого тела и квантовой информатике.

Атомная и оптическая физика: оптические уравнения Блоха и динамика открытых систем
Массачусетский технологический институт через edX
Узнайте об оптических уравнениях Блоха и их решениях с приложениями для динамики открытых систем.

Атомная и оптическая физика: световые силы и лазерное охлаждение
Массачусетский технологический институт через edX
Узнайте о силах света, лазерном охлаждении и создании оптических ловушек для атомов.

Волны и оптика
via edX
Этот курс охватывает физику волн на струнах, электромагнитных волн, геометрической оптики, интерференции, дифракции и формирования изображений.

Звуки и акустика

Физический синтез звука для игр и интерактивных систем
Стэнфордский университет через Каденце

Этот курс знакомит с основами цифровой обработки сигналов и вычислительной акустики на основе физики колебаний реальных объектов и систем.Предоставляемое бесплатное программное обеспечение с открытым исходным кодом позволит любому использовать физические модели в своих произведениях искусства, звуке игр или фильмов или любых других приложениях.
★★★★★ (10 оценок)

Введение в акустику (часть 2)
Корейский продвинутый институт науки и технологий через Coursera
Учащиеся могли изучить основные концепции акустики из «Введение в акустику (часть 1)». применить к реальной ситуации и разработать собственное акустическое приложение.Учащиеся будут анализировать явления излучения, рассеяния и дифракции с помощью уравнения Кирхгофа – Гельмгольца. Затем учащиеся спроектируют свою собственную комнату реверберации или воздуховоды, отвечающие установленным ими условиям.
★★ ☆☆☆ (1 отзыв)

Основы волн и вибраций
École Polytechnique via Coursera
Волны повсюду. На воде, конечно, но также и в воздухе, когда вы слышите самолет, и, конечно, под ногами во время землетрясения.Вибрации тоже есть повсюду: в вашем байке, когда вы наезжаете на кочку, в вашей гитаре, когда вы играете, и, конечно же, в вашем смартфоне. Вы можете догадаться, что за всем этим есть что-то общее. В этом и состоит цель этого курса!

Лекции Ричарда Фейнмана

Лекции посланника Ричарда Фейнмана (1964)
В этих лекциях посланника «Характер физического закона», первоначально прочитанных в Корнельском университете и записанных Би-би-си 9-19 ноября 1964 года, физик Ричард Фейнман предлагает обзор избранных физических законов. законов и объединяет их общие черты в один общий принцип инвариантности.С 1945 по 1950 год Фейнман преподавал теоретическую физику в Корнелльском университете. Затем он стал профессором Калифорнийского технологического института и был назван одним из лауреатов Нобелевской премии по физике 1965 года.

Лекции Фейнмана по физике
Лекции Фейнмана по физике были основаны на двухлетнем вводном курсе физики, который Ричард Фейнман преподавал в Калтехе с 1961 по 1963 год; он был опубликован в трех томах в период с 1963 по 1965 год и почти два десятилетия использовался в Калифорнийском технологическом институте в качестве вводного учебника физики .

OpenCourseWare Physics курсы

Курсы OpenCourseWare — это записи аудиторных лекций, размещенные в Интернете.

MIT

Физика энергии
Курс предназначен для второкурсников, младших и старших курсов Массачусетского технологического института, которые хотят понять фундаментальные законы и физические процессы, которые управляют источниками, извлечением, передачей, хранением, деградацией и конечным использованием энергии.

Физика II: Электричество и магнетизм
Этот курс для новичков представляет собой второй семестр вводного курса физики.Основное внимание уделяется электричеству и магнетизму. Предмет преподается в формате TEAL (активное обучение с поддержкой технологий), в котором используется взаимодействие в малых группах и современные технологии. TEAL / Studio Project в Массачусетском технологическом институте — это новый подход к физическому образованию, разработанный, чтобы помочь студентам лучше понять интуицию и концептуальные модели физических явлений.

Квантовая физика I
Этот курс охватывает экспериментальные основы квантовой физики. Он знакомит с волновой механикой, уравнением Шредингера в одномерном и трёхмерным уравнением Шредингера.
Это первый курс по квантовой физике для студентов, за которым следуют 8.05 Quantum Physics II и 8.06 Quantum Physics III .

Теория струн
Это курс продолжительностью один семестр, посвященный дуальности калибровки и гравитации (часто называемой AdS / CFT) и ее приложениям.

Исследование черных дыр: общая теория относительности и астрофизика
Изучение физических эффектов в окрестностях черной дыры как основа для понимания общей теории относительности, астрофизики и элементов космологии.Дополнение к текущим достижениям в теории и наблюдениях. Энергия и импульс в плоском пространстве-времени; метрика; искривление пространства-времени вблизи вращающихся и невращающихся центров притяжения; траектории и орбиты частиц и света; элементарные модели Космоса.

Йель

Основы физики I
Этот курс представляет собой подробное введение в принципы и методы физики для студентов, имеющих хорошую подготовку по физике и математике.Особое внимание уделяется решению проблем и количественному мышлению. Этот курс охватывает механику Ньютона, специальную теорию относительности, гравитацию, термодинамику и волны.

Основы физики II
Это продолжение курса Основы физики I (PHYS 200), вводного курса по принципам и методам физики для студентов, имеющих хорошую физико-математическую подготовку. Этот курс охватывает электричество, магнетизм, оптику и квантовую механику.

UC Irvine

Общая теория относительности и гравитации Эйнштейна
Этот курс обозначен как Физика 255: Общая теория относительности в каталоге курсов UCI.Введение в теорию гравитации Эйнштейна. Тензорный анализ, уравнения поля Эйнштейна, астрономические проверки теории Эйнштейна, гравитационные волны.

Классическая физика
Этот курс покажет вам, как применять простые физические модели к движению объектов. UCI Physics 7C охватывает следующие темы: сила, энергия, импульс, вращение и гравитация.

Открытый, Мичиган

Лекции по физике сплошных сред
Идея этих лекций по физике сплошных сред возникла из короткой серии лекций по физике материалов в Мичиганском университете летом 2013 года.Эти беседы были нацелены на аспирантов, докторантов и коллег по факультетам. Из этой группы пришло предположение, что несколько полный набор лекций по континуальным аспектам физики материалов был бы полезен.

Введение в методы конечных элементов
Мы надеемся, что эти лекции по методам конечных элементов дополнят серию по физике сплошной среды и станут отправной точкой, с которой опытный исследователь или продвинутый аспирант сможет приступить к работе в области (континуума) вычислений. физика.

Как работает статическое электричество?

Ответ

Нарушение баланса между отрицательными и положительными зарядами в объектах.

Две девочки «наэлектризованы» во время эксперимента в Центре науки о свободе «Camp-in», 5 февраля 2002 г. «История Америки», Библиотека Конгресса.

Вы когда-нибудь шли через комнату, чтобы погладить свою собаку, но вместо этого получали шок? Возможно, вы сняли шляпу в засушливый зимний день и испытали на себе «волосы дыбом»! Или, может быть, вы прилепили воздушный шарик к стене после того, как потерлись им о свою одежду?

Почему это происходит? Это волшебство? Нет, это не волшебство; это статическое электричество!

Прежде чем понять статическое электричество, нам сначала нужно понять основы атомов и магнетизма.

Молодой человек сидит рядом с машиной для электростатического воздействия Хольца, Колледж Дикинсона, 1889 год. Каталог эстампов и фотографий, Библиотека Конгресса.

Все физические объекты состоят из атомов. Внутри атома находятся протоны, электроны и нейтроны. Протоны заряжены положительно, электроны заряжены отрицательно, а нейтроны нейтральны.

Следовательно, все состоит из зарядов. Противоположные заряды притягиваются друг к другу (от отрицательного к положительному).Одинаковые заряды отталкиваются друг от друга (от положительного к положительному или от отрицательного к отрицательному). В большинстве случаев положительный и отрицательный заряды уравновешиваются в объекте, что делает его нейтральным.

Статическое электричество является результатом дисбаланса между отрицательными и положительными зарядами в объекте. Эти заряды могут накапливаться на поверхности объекта, пока не найдут способ высвободиться или разрядиться. Один из способов разрядить их — через цепь.

Группа молодых женщин, изучающих статическое электричество в обычной школе, Вашингтон, округ Колумбия.К. Фрэнсис Бенджамин Джонстон, фотограф, около 1899 г. Отдел эстампов и фотографий, Библиотека Конгресса

При трении некоторых материалов друг о друга могут передаваться отрицательные заряды или электроны. Например, если вы потереть обувь о ковер, ваше тело собирает лишние электроны. Электроны цепляются за ваше тело до тех пор, пока их не освободят. Когда вы дотрагиваетесь до своего пушистого друга, вы испытываете шок. Не волнуйтесь, это только избыточные электроны, которые вы передаете своему ничего не подозревающему питомцу.

А как насчет того опыта «пробуждения волос»? Когда вы снимаете шляпу, электроны переходят от шляпы к волосам, создавая интересную прическу! Помните, объекты с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Поскольку у них одинаковый заряд, у вас волосы встанут дыбом. Ваши волосы просто пытаются уйти как можно дальше друг от друга!

Морской пехотинец использует жезл статического разряда для снятия избыточного статического электричества перед тем, как прикрепить гаубицу M777 к вертолету CH-53E Super Stallion во время комплексной тренировки с перегрузкой в ​​базовом лагере морской пехоты Пендлтон, 12 апреля 2017 года.Капрал Фрэнк Кордова, фотограф. Галерея изображений Министерства обороны США

Когда вы трут воздушный шар о свою одежду, и он прилипает к стене, вы добавляете избыток электронов (отрицательные заряды) на поверхность воздушного шара. Стена теперь заряжена более положительно, чем воздушный шар. Когда они соприкасаются, воздушный шар будет прилипать из-за правила притяжения противоположностей (от положительного к отрицательному).

Дополнительные сведения о статическом электричестве и экспериментах см. В разделах «Интернет-ресурсы» и «Дополнительная литература».

ВМС США выпускают пороховые фляги из латуни для предотвращения случайного воспламенения пороха из-за искр или статического электричества. Поле битвы в Уилсон-Крик, 2010 г. Служба национальных парков США, NP Gallery

Опубликовано: 19.11.2019. Автор: Справочная секция по науке, Библиотека Конгресса

Квантовая физика | New Scientist

Что такое квантовая физика? Проще говоря, это физика, которая объясняет, как все работает: лучшее описание природы частиц, из которых состоит материя, и сил, с которыми они взаимодействуют.

Квантовая физика лежит в основе того, как работают атомы, и почему химия и биология работают именно так. Вы, я и столб ворот — по крайней мере, на каком-то уровне мы все танцуем под квантовую мелодию. Если вы хотите объяснить, как электроны движутся через компьютерный чип, как фотоны света превращаются в электрический ток в солнечной панели или усиливаются в лазере, или даже просто, как солнце продолжает гореть, вам нужно будет использовать квантовую физику. .

Здесь начинаются трудности, а для физиков — самое интересное.Начнем с того, что единой квантовой теории не существует. Существует квантовая механика, основная математическая структура, лежащая в основе всего этого, которая была впервые разработана в 1920-х годах Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и другими. Он характеризует простые вещи, такие как изменение положения или импульса отдельной частицы или группы из нескольких частиц с течением времени.

Но чтобы понять, как все работает в реальном мире, квантовая механика должна быть объединена с другими элементами физики — главным образом, специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна, которая объясняет, что происходит, когда вещи движутся очень быстро, — чтобы создать то, что известно как квантовая теории поля.

Три разные квантовые теории поля имеют дело с тремя из четырех фундаментальных сил, посредством которых взаимодействует материя: электромагнетизм, который объясняет, как атомы держатся вместе; сильное ядерное взаимодействие, которое объясняет стабильность ядра в сердце атома; и слабое ядерное взаимодействие, которое объясняет, почему некоторые атомы подвергаются радиоактивному распаду.

За последние пять десятилетий или около того эти три теории были объединены в ветхую коалицию, известную как «стандартная модель» физики элементарных частиц.Несмотря на все впечатление, что эта модель слегка скреплена липкой лентой, это наиболее точно проверенная картина основной работы материи из когда-либо созданных. Его коронная слава пришла в 2012 году с открытием бозона Хиггса, частицы, придающей всем другим фундаментальным частицам их массу, существование которой было предсказано на основе квантовых теорий поля еще в 1964 году.

Обычные квантовые теории поля хорошо работают при описании результатов экспериментов на ускорителях высокоэнергетических частиц, таких как Большой адронный коллайдер ЦЕРНа, где был открыт Хиггс, который исследует материю в ее мельчайших масштабах.Но если вы хотите понять, как все работает во многих менее эзотерических ситуациях — как электроны движутся или не движутся через твердый материал и, таким образом, превращают материал в металл, изолятор или полупроводник, например, — все становится еще сложнее.

Миллиарды и миллиарды взаимодействий в этой многолюдной среде требуют разработки «эффективных теорий поля», которые затушевывают некоторые кровавые детали. Трудность построения таких теорий состоит в том, почему многие важные вопросы физики твердого тела остаются нерешенными — например, почему при низких температурах некоторые материалы являются сверхпроводниками, пропускающими ток без электрического сопротивления, и почему мы не можем заставить этот трюк работать при комнатной температуре. .

Но за всеми этими практическими проблемами кроется огромная квантовая загадка. На базовом уровне квантовая физика предсказывает очень странные вещи о том, как работает материя, которые полностью расходятся с тем, как вещи работают в реальном мире. Квантовые частицы могут вести себя как частицы, расположенные в одном месте; или они могут действовать как волны, распространяясь по всему пространству или сразу в нескольких местах. Как они выглядят, кажется, зависит от того, как мы их измеряем, и до того, как мы измерим, кажется, что они вообще не имеют определенных свойств, что приводит нас к фундаментальной загадке о природе базовой реальности.

Эта нечеткость приводит к очевидным парадоксам, таким как кошка Шредингера, в которой благодаря неопределенному квантовому процессу кошка остается мертвой и живой одновременно. Но это не все. Квантовые частицы также, кажется, могут мгновенно влиять друг на друга, даже когда они находятся далеко друг от друга. Это действительно сбивающее с толку явление известно как запутанность, или, как сказал Эйнштейн (великий критик квантовой теории), «жуткое действие на расстоянии». Такие квантовые возможности совершенно чужды нам, но они являются основой новых технологий, таких как сверхзащищенная квантовая криптография и сверхмощные квантовые вычисления.

Но что все это значит, никто не знает. Некоторые люди думают, что мы должны просто согласиться с тем, что квантовая физика объясняет материальный мир в терминах, которые мы не можем сопоставить с нашим опытом в более широком «классическом» мире. Другие думают, что должна быть какая-то лучшая, более интуитивная теория, которую нам еще предстоит открыть.

При этом в комнате несколько слонов. Для начала, существует четвертая фундаментальная сила природы, которую пока что квантовая теория не смогла объяснить.Гравитация остается территорией общей теории относительности Эйнштейна, строго неквантовой теории, которая даже не касается частиц. Десятки лет интенсивные попытки подвести гравитацию под квантовый зонтик и таким образом объяснить всю фундаментальную физику в рамках одной «теории всего» ни к чему не привели.

Между тем космологические измерения показывают, что более 95 процентов Вселенной состоит из темной материи и темной энергии, материалов, для которых у нас в настоящее время нет объяснения в рамках стандартной модели, и загадок, таких как степень роли квантовой физики в беспорядке.

No related posts.