101 ключевая идея: Физика - Страница 23

См. также статьи «Ядерная модель атома», «Ядерный синтез».

Для хранения электрического заряда применяют конденсаторы. Емкостью конденсатора называется количество заряда, которое он может удерживать на единицу разности потенциалов. Для конденсатора емкостью С и потенциалом V удерживаемый заряд Q = CV. Единицей емкости служит фарад (Ф), равный 1 кулону на вольт (Кл/В). Емкость обычных конденсаторов, используемых в цепях, в основном варьируется от 0,001 Ф до миллионных долей фарада. Часто электроемкость измеряют в микрофарадах (мкФ), при этом 1 мкФ = 10 ^-6Ф.

Простейший конденсатор состоит из двух изолированных пластин, параллельных друг другу. Если пластины подсоединить к батарее, то с одной на другую потекут электроны. Одна пластина приобретет отрицательный заряд, поскольку получит электроны, а другая приобретет положительный заряд, потеряв их. Таким образом, пластины приобретут заряды, равные по величине, но противоположные по знаку. Количество накопленного конденсатором заряда равно количеству заряда на любой из пластин.

Энергия хранится в конденсаторе до тех пор, пока он заряжен. Она освобождается, когда конденсатор разряжается. К примеру, если заряженный конденсатор подсоединить к электрической лампе, электроны с отрицательно заряженной пластины потекут через лампу на положительно заряженную пластину. Накопленного заряда может хватить на то, чтобы лампа на некоторое время загорелась. Для конденсатора емкостью С с потенциалом V накопленная энергия равна ¹ / ₂CV ².

Конденсаторы применяют в цепях задержки (реле времени), в блоках настройки, сетевых фильтрах и блоках питания. Усиление и ослабление тока, заряда и напряжения в цепях с постоянным током, таких, как реле времени, контролируется конденсатором, последовательно соединенным с резистором и переключателем. Конденсатор разряжается со скоростью, зависящей от емкости С и сопротивления R резистора. Постоянной времени RC называется промежуток времени, за который сила тока уменьшается на 37 % по сравнению с начальным уровнем при разрядке конденсатора в цепи постоянного тока.

См. также статью «Разность потенциалов и мощность».

Электрическое поле представляет собой область, окружающую заряженный объект, в которой на другой заряженный объект действует сила притяжения или отталкивания. Силовые линии электрического поля — линии, вдоль которых двигались бы точечные заряды в свободном состоянии.

Напряженностью электрического поля Е в данной точке электрического поля называется отношение силы, действующей на точечный положительно заряженный объект, к величине его заряда. Напряженность электрического поля измеряют в ньютонах на кулон (Н/К) или в вольтах на метр (В/м). Отсюда следует, что сила F, действующая на точечный заряд q в данной точке поля, равна произведению qE, где Е — напряженность электрического поля в данной точке.

Между двумя противоположно заряженными пластинами, расположенными на определенном расстоянии, существует однородное электрическое поле. Силовые линии параллельны друг другу и перпендикулярны пластинам. Поскольку поле однородно, его напряженность везде одинакова по абсолютной величине и направлению. Потенциал увеличивается равномерно от отрицательной до положительной пластины вдоль силовой линии. Для разности потенциалов Vp между пластинами работа по переносу точечного заряда q от одной пластины к другой равна qVp, отсюда сила F, действующая на q, равна отношению проделанной работы к расстоянию qVp /d, где d — расстояние между пластинами. Отсюда получаем формулу для напряженности электрического поля:

E = F/q = vp/d

Точечный заряд окружает радиальное электрическое поле. Силовые линии направлены от заряда, если он положителен, и к заряду, если он отрицателен. Представим себе частицу с зарядом q, расположенную в электрическом поле, созданном частицей с гораздо большим зарядом Q. Сила взаимодействия двух зарядов согласно закону Кулона: F = Qq/4πr ²,

где ε ₀— абсолютная диэлектрическая проницаемость, r — расстояние между двумя частицами. Следовательно, напряженность электрического поля заряда Q в данной точке по отношению к заряду q:

Е = F/q = Q/4πε ₀r ².

Отметим, что закон Кулона является примером закона обратного квадрата, поскольку сила F обратно пропорциональна квадрату расстояния r.

См. также статьи «Законы обратных квадратов», «Электрическое поле 2».

Диэлектриком называется изолирующее вещество, которое, будучи помещенным между заряженными объектами, ослабляет силу их взаимодействия. Если между заряженными объектами поместить диэлектрик, их можно легче сблизить или удалить друг от друга. В электрическом поле молекулы диэлектрика поляризуются и образуют поле обратной поляризации, существенно ослабляющее действие внешнего поля. В конденсаторах это явление увеличивает количество заряда, способное накопиться при той же разности потенциалов; таким образом увеличивается емкость конденсаторов. Вода является эффективным диэлектриком, поэтому многие твердые вещества распадаются в ней на ионы.

Если диэлектрик поместить между двумя разноименно заряженными параллельными пластинами, подсоединенными к батарее, количество заряда, накопленного на пластинах, увеличится. Это происходит потому, что диэлектрик ослабляет электрическое поле между пластинами и батарея может передать больший заряд пластинам. Отношение количества заряда, накопленного на пластинах плоскопараллельного конденсатора при наличии диэлектрика, к количеству заряда при отсутствии диэлектрика (в вакууме) называется относительной диэлектрической проницаемостью в вещества (среды).

Емкость пары параллельных пластин С = Q/V, где Q — заряд, накопленный при разности потенциалов V. При той же разности потенциалов и наличии между пластинами диэлектрика заряд увеличивается за счет фактора в. Следовательно, емкость пластин повышается. На практике, в большинстве конденсаторов «пластины» представляют собой две полоски металлической фольги, разделенные диэлектриком и завернутые в трубку. Чем больше относительная диэлектрическая проницаемость вещества, тем больше емкость конденсатора. Напряжение источника, к которому подсоединяют для зарядки конденсатор с диэлектриком, не должно превышать предельно допустимого напряжения (обычно указываемого на конденсаторе), иначе возникнет пробой, т. е. диэлектрик станет пропускать ток.

См. также статьи «Электрическая емкость», «Электрическое поле 1».

Электрический ток — это поток заряда, вызванный разностью потенциалов; передача тепла при теплопроводности — это поток тепла, вызванный разностью температур, а поток жидкости или газа — их перемещение, вызванное разностью давлений. Следовательно, общей характеристикой этих потоков является наличие некоей разности, которая заставляет частицы или энергию перемещаться из одного места в другое.

Скоростью потока

Скоростью потока называется скорость течения или перемещения заряда, энергии или частиц в определенном направлении.

В электрической цепи сила тока в проводнике зависит от разности потенциалов на его концах, а также от сопротивления самого проводника согласно уравнению: сила тока = разность потенциалов / сопротивление.

В проводнике тепла с одинаковой площадью поперечного сечения интенсивность теплового потока зависит от разницы температур и от теплового сопротивления проводника согласно уравнению: передача тепла в секунду = разница температур / тепловое сопротивление. Последнее в данном случае эквивалентно электрическому сопротивлению и равно произведению термического удельного сопротивления на длину проводника к площади поперечного сечения. В трубе, по которой течет жидкость или газ, скорость потока зависит от разности давлений на концах трубы и от гидравлического сопротивления. Можно составить уравнение, эквивалентное предыдущим: скорость потока в трубе (масса в секунду) = разность давлений / гидравлическое сопротивление . Последнее зависит от вязкости жидкости, а также от размеров трубы. Если пренебречь вязкостью жидкости, то поток не встречает сопротивления и для продолжения движения не требуется разности давлений. Внутренняя поверхность трубы затормаживает движение вязкой жидкости. Сопротивление резко повышается при уменьшении диаметров трубы, чего не наблюдается при уменьшении диаметра электрического или теплового проводника.