Проводник это в физике: Проводник — это… Что такое Проводник?

Урок 26. Лекция 26. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Конденсаторы.

По электрическим свойствам все вещества разделяют на два больших класса — вещества, которые проводят электрический ток (проводники) и вещества, которые не проводят электрический ток (диэлектрики, или изоляторы). 

Мы знаем, что все вещества состоят из атомов, которые, в свою очередь, состоят из заряженных частиц. Если внешнее поле вокруг вещества отсутствует, то его частицы распределяются так, что суммарное электрическое поле внутри вещества равно нулю. Если вещество поместить во внешнее электрическое поле, то поле начет действовать на заряженные частицы и они перераспределяться так, что в веществе возникнет собственное электрическое поле. Полное электрическое поле  складывается из внешнего поля  и внутреннего поля  создаваемого заряженными частицами вещества.

Проводник — это тело или материал, в котором электрические заряды начинают перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому эти заряды называют свободными.

В металлах свободными зарядами являются электроны, в растворах и расплавах солей (кислот и щелочей) — ионы.

Диэлектрик — это тело или материал, в котором под действием сколь угодно больших сил заряды смещаются лишь на малое, не превышающее размеров атома расстояние относительно своего положения равновесия. Такие заряды называются связанными.

Рассмотрим подробнее эти классы веществ.

Проводники в электрическом поле.

Проводниками называют вещества, проводящие электрический ток.

Типичными проводниками являются металлы.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов ( в металлах это электроны), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

   Явление перераспределения зарядов внутри проводника под действием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией.

  Заряды, появляющиеся на поверхности проводника, называются индукционными зарядами. 

   Индукционные заряды создают свое собственное поле  , которое компенсирует внешнее поле  во всем объеме проводника:

   (внутри проводника).

   Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

   Диэлектрики в электрическом поле.

   Диэлектриками (изоляторами) называют вещества, не проводящие электрического тока.

   В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

   При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле  в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

   Связанные заряды создают электрическое поле , которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности внешнего поля . Этот процесс называется поляризацией диэлектрика.

   Электрической поляризацией называют особое состояние вещества, при котором электрический момент некоторого объёма этого вещества не равен нулю.

   В результате полное электрическое поле внутри диэлектрика  оказывается по модулю меньше внешнего поля .

   Физическая величина, равная отношению модуля напряженности внешнего электрического поля в вакууме  к модулю напряженности полного поля в однородном диэлектрике , называется диэлектрической проницаемостью вещества.

   Диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше, чем в диэлектрике. Это величина безразмерная (нет единиц измерения).

   При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле связанных зарядов  и полное поле  могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле   в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем  строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:

   Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд q, то напряженность поля , создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме:

   Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная, электронная и ионная поляризации. Ориентационная и электронная механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков, ионная — при поляризации твердых диэлектриков.

Если двум изолированным друг от друга проводникам сообщить заряды q₁ и q₂, то между ними возникает некоторая разность потенциалов Δφ, зависящая от величин зарядов и геометрии проводников.

Разность потенциалов Δφ между двумя точками в электрическом поле часто называют напряжением и обозначают буквой U.

Наибольший практический интерес представляет случай, когда заряды проводников одинаковы по модулю и противоположны по знаку: q₁ = – q₂ = q. В этом случае можно ввести понятие электрической емкости.

Электроемкостью (электрической емкостью) проводников называется физическая величина, характеризующая способность проводника или системы проводников накапливать электрический заряд.

Электроемкость находится как отношение заряда q одного из проводников к разности потенциалов Δφ между ними:

 В системе СИ единица электроемкости называется фарад [Ф]: 

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники.

Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, составляющие конденсатор, называются обкладками.

Простейший конденсатор – плоский конденсатор – система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика.

Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между пластинами; однако, вблизи краев пластин и в окружающем пространстве также возникает сравнительно слабое электрическое поле, которое называют полем рассеяния.

В целом ряде задач можно приближенно пренебрегать полем рассеяния и полагать, что электрическое поле плоского конденсатора целиком сосредоточено между его обкладками.

Электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:

Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрический конденсаторы.

Сферический конденсатор – это система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R₁ и R₂.

Цилиндрический конденсатор – система из двух соосных проводящих цилиндров радиусов R₁ и R₂ и длины L.

Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε, выражаются формулами:

   — сферический конденсатор

   — цилиндрический конденсатор

Для получения заданного значения емкости конденсаторы соединяются между собой, образуя батареи конденсаторов.

1) При параллельном соединении конденсаторов соединяются их одноименно заряженные обкладки.

Напряжения на конденсаторах одинаковы     U₁ = U₂ = U,  заряды равны q₁ = С₁U и    q₂ = С₂U.

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор электроемкости C, заряженный зарядом q = q₁ + q₂ при напряжении между обкладками равном U. Отсюда следует  или С = С₁ + С₂

Таким образом, при параллельном соединении электроемкости складываются.

2) При последовательном соединении конденсаторов соединяют разноименно заряженные обкладки

Заряды обоих конденсаторов одинаковы    q₁ = q₂ = q,  напряжения на них равны  и 

Такую систему можно рассматривать как единый конденсатор, заряженный зарядом q при напряжении между обкладками U = U₁ + U₂.

Следовательно,   или  

При последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.

Формулы для параллельного и последовательного соединения остаются справедливыми при любом числе конденсаторов, соединенных в батарею.

Т.е. в случае n конденсаторов одинаковой емкости С емкость батареи

при параллельном соединении С_общ = nС

при последовательном соединении С_общ = С/n

Если обкладки заряженного конденсатора замкнуть металлическим проводником, то по цепи пойдет электрический ток, лампочка загорится и будет гореть до тех пор, пока конденсатор не разрядится. Значит, заряженный конденсатор содержит запас энергии.

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Процесс зарядки конденсатора можно представить как последовательный перенос достаточно малых порций заряда Δq > 0 с одной обкладки на другую.При этом одна обкладка постепенно заряжается положительным зарядом, а другая – отрицательным. Поскольку каждая порция переносится в условиях, когда на обкладках уже имеется некоторый заряд q, а между ними существует некоторая разность потенциалов

при переносе каждой порции Δq внешние силы должны совершить работу

Энергия W_e конденсатора емкости C, заряженного зарядом q, может быть найдена путем интегрирования этого выражения в пределах от 0 до q:

Формулу, выражающую энергию заряженного конденсатора, можно переписать в другой эквивалентной форме, если воспользоваться соотношением q = CU.

Электрическую энергию W_e следует рассматривать как потенциальную энергию, запасенную в заряженном конденсаторе.

По современным представлениям, электрическая энергия конденсатора локализована в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле. Поэтому ее называют энергией электрического поля.

Полюсный проводник (L) — это… (определение, обозначение, требования)

В этой статье мы рассмотрим, что такое полюсный проводник, что он из себя представляет и какие требования к нему предъявляются.

Что такое полюсный проводник?

Полюсный проводник (L) — это линейный проводник, используемый в электрической цепи постоянного тока (определение согласно ГОСТ 30331.1-2013 [1]).

Что представляет собой полюсный проводник?

Для ответа на данный вопрос обратимся к 1 части терминологического словаря [2] под авторством Харечко Ю.В., который пишет:

« Полюсный проводник представляет собой частный случай линейного проводника, применяемого в электрической цепи постоянного тока. Полюсные проводники совместно со средними проводниками и PEM-проводниками используют в электроустановках зданий для обеспечения электрической энергией применяемого в них электрооборудования постоянного тока. »

[2]

На рисунке 1 показаны основные комбинации полюсных, средних и PEM-проводников в двух- и трехпроводных электрических системах постоянного тока.

Рис. 1. Основные комбинации полюсных, средних и PEM-проводников (на основе рисунков 6 и 7 из ГОСТ 30331.1-2013)

Ю.В. Харечко продолжает [2]:

« Полюсные проводники относят к токоведущим частям. В нормальных условиях полюсный проводник в двухпроводной электрической цепи обычно находится под напряжением, равным 220 В относительно другого полюсного проводника, а в трехпроводной электрической цепи – относительно среднего проводника или PEM-проводника. Напряжение между полюсными проводниками в трехпроводной электрической цепи обычно равно 440 В. »

[2]

« Полюсный проводник является токопроводящим проводником, который учитывают в общем числе проводников, применяемых в электрической цепи, сети или системе. »

[2]

Требования по сечению.

Минимальные площади поперечного сечения полюсных проводников установлены в ГОСТ Р 50571.5.52-2011/МЭК 60364-5-52:2009 [3], такими же, как у линейных проводников (см. таблицу ниже). Полюсные проводники следует защищать от сверхтока так же, как линейные проводники.

Цветовая и буквенно-цифровая идентификация.

В п. 6.2.4 «Полюсные проводники в электрических цепях постоянного тока» ГОСТ 33542-2015 [4] предписано идентифицировать положительные полюсные проводники коричневым цветом, отрицательные – серым. Заземленный полюсный проводник идентифицируют синим цветом.

В п. 6.2.4 ГОСТ 33542-2015 [4] также содержатся следующие требования:

В том случае, если двухпроводная электрическая цепь постоянного тока является ответвлением от трехпроводной электрической цепи постоянного тока, цветовая идентификация полюсного проводника двухпроводной электрической цепи должна совпадать с цветовой идентификацией того полюсного проводника трехпроводной электрической цепи, с которым он имеет электрическое соединение.

[4]

В п. 7.3.15 ГОСТ 33542-2015 [4] «Полюсные проводники» национального стандарта указано, что буквенно-цифровая идентификация положительного полюсного проводника должна быть «L+», отрицательного – «L–». В том случае, если двухпроводная электрическая цепь постоянного тока является ответвлением от трехпроводной электрической цепи постоянного тока, буквенно-цифровая идентификация полюсного проводника двухпроводной электрической цепи должна совпадать с буквенно-цифровой идентификацией того полюсного проводника трехпроводной электрической цепи, с которым он имеет электрическое соединение.

Список использованных источников

• ГОСТ 30331.1-2013
• Харечко Ю.В. Краткий терминологический словарь по низковольтным электроустановкам. Часть 1// Приложение к журналу «Библиотека инженера по охране труда». – 2011. – № 3. – 160 c.
• ГОСТ Р 50571.5.52-2011
• ГОСТ 33542-2015

что это такое, назначение, требования

Линейный проводник (L, line conductor), согласно ГОСТ 30331.1-2013, — это проводник, находящийся под напряжением при нормальных условиях и используемый для передачи электрической энергии, но не нейтральный проводник или средний проводник. Линейный проводник в электрических цепях переменного тока — это фазный проводник, а в электрических цепях постоянного тока — это полюсный проводник.

Отдельно выделяют заземленный линейный проводник (LE), который представляет из себя линейный проводник, имеющий электрическое присоединение к локальной земле.

Также отдельно выделяют совмещенный защитный заземляющий и линейный проводник (PEL-проводник, PEL), который представляет из себя проводник, выполняющий функции защитного заземляющего и линейного проводников.

Линейные проводники совместно с нейтральными проводниками и PEN-проводниками применяют в электрических цепях переменного тока низковольтных электроустановок, а в совокупности со средними проводниками и PEM-проводниками – в их электрических цепях постоянного тока для обеспечения электрической энергией электрооборудования переменного и постоянного тока.

Линейный проводник относят к токоведущим частям, поскольку в нормальных условиях он, как правило, находится под напряжением, которое может представлять серьёзную опасность для человека и животных. При случайном прикосновении к линейному проводнику человек может получить электротравму или смертельное поражение электрическим током. Поэтому линейные проводники должны иметь изоляцию, препятствующую возникновению прямого прикосновения и, тем самым, защищающую человека и животных от поражения электрическим током.

Линейный проводник является токопроводящим проводником, который учитывают в общем числе проводников, применяемых в электрической цепи, сети или системе.

В электроустановках зданий напряжение линейного проводника относительно нейтрального проводника, PEN-проводника и земли обычно равно 230 В. Напряжение между линейными проводниками разных фаз в трёхфазных электрических цепях равно 400 В. В некоторых низковольтных электроустановках могут применяться более высокие напряжения: 400 В – между линейным проводником и землей и 690 В – между линейными проводниками разных фаз, а также 1000 В – между линейными проводниками.

В трехпроводных электрических цепях постоянного тока номинальное напряжение линейного проводника относительно земли, среднего проводника или PEM-проводника обычно равно 220 В, а между линейными проводниками разных полюсов – 440 В. В двухпроводных электрических цепях напряжение между линейными проводниками соответственно равно 220 В.

Линейные проводники применяют также в электрических цепях сверхнизкого напряжения, в которых напряжение между ними не превышает 50 В переменного тока и 120 В постоянного тока. В указанных условиях линейные проводники обычно не представляют опасности для человека и животных.

Требования по сечению

В ГОСТ Р 50571.5.52-2011, изложены требования к линейным проводникам. В таблице 52.2 данного стандарта установлены минимальные сечения фазных проводников в цепях переменного тока и полюсных проводников в цепях постоянного тока:

Требования по защите от сверхтока

ГОСТ Р 50571.4.43-2012 содержит требования по защите линейных проводников от сверхтока.

В национальном стандарте предписано защищать линейные проводники в электроустановках зданий устройствами защиты от сверхтока (плавкими предохранителями, автоматическими выключателями, их комбинациями и др.), обеспечивая своевременное отключение токов перегрузки и токов короткого замыкания для исключения или существенного уменьшения их негативного воздействия на проводники.

Устройства защиты от перегрузки и короткого замыкания обычно устанавливают в тех точках электрических цепей, где из-за изменения сечения, конструкции или материала проводников, а также способа их прокладки уменьшаются значения допустимых длительных токов проводников.

Пункт 433.3.3 ГОСТ Р 50571.4.43-2012 не рекомендует устанавливать устройства защиты от сверхтока в электрических цепях, питающих электрооборудование, отключение которого может привести к возникновению угрозы безопасности. К таким электрическим цепям относят, например, цепи возбуждения электрических машин, электрические цепи, питающие грузоподъемные электромагниты, вторичные цепи трансформаторов тока. В этих случаях национальный стандарт предписывает устанавливать устройства аварийной сигнализации.

В п. 431.1.1 ГОСТ Р 50571.4.43-2012 указано, что для каждого линейного проводника должно быть обеспечено обнаружение сверхтока и его отключение. Однако не требуется отключать другие токоведущие проводники этой электрической цепи. При этом, если отсоединение одной фазы может вызвать опасность, например в случае трехфазного электродвигателя, должны быть предприняты соответствующие меры предосторожности.

Рассмотренные нормативные требования сформулированы применительно к использованию плавких предохранителей, которые являются однополюсными устройствами защиты от сверхтока, надежно защищающими линейные проводники от перегрузок и коротких замыканий. Однако защита линейных проводников трехфазных электрических цепей плавкими предохранителями неизбежно приводит к неполнофазному оперированию трехфазных электроприемников, входящих в эти электрические цепи.

Неполнофазное оперирование некоторых видов трехфазных электроприемников, например электродвигателей, может сопровождаться снижением уровня безопасности, экономическими потерями и другими негативными последствиями. Поэтому в трехфазных электрических цепях, защищенных плавкими предохранителями, применяют специальные устройства, контролирующие целостность плавких вставок и сигнализирующие при их перегорании. Получив сигнал, обслуживающий персонал заменяет перегоревшую плавкую вставку новой, устраняя тем самым неполнофазный режим оперирования трехфазного электрооборудования.

Неполнофазный режим функционирования не возможен при защите трехфазных электрических цепей трех- или четырехполюсными автоматическими выключателями. В случае короткого замыкания или перегрузки в одной из фаз, такие автоматические выключатели разомкнут цепи всех токоведущих проводников. По этой причине применение многополюсных автоматических выключателей для защиты многофазных электрических цепей является более предпочтительным, чем использование плавких предохранителей.

В национальной нормативной и правовой документации целесообразно запретить применение плавких предохранителей для защиты от сверхтока многофазных электрических цепей электроустановок зданий или тех их частей, которые эксплуатируют обычные лица.

Обозначение

Согласно ГОСТ 33542-2015, буквенно-цифровую идентификацию линейного проводника следует начинать с буквы «L», добавляя после этой буквы:

• для электрических цепей переменного тока — последовательный номер линейного проводника, начиная с цифры «1»;
• для электрических цепей постоянного тока — знак «+» для положительного линейного проводника и знак «-» для отрицательного линейного проводника.

На схеме ниже, в качестве примера, показаны линейные проводники L1, L2, L3.

Система распределения электроэнергии (TN-C-S)

Список использованных источников

• Харечко Ю.В. Краткий терминологический словарь по низковольтным электроустановкам. Часть 1// Приложение к журналу «Библиотека инженера по охране труда». – 2011. – № 3. – 160 c.
• ГОСТ 30331.1-2013
• ГОСТ Р 50571.4.43-2012
• ГОСТ Р 50571.5.52-2011
• ГОСТ 33542-2015

2. Проводники, диэлектрики и поток электронов | 1. Основы электроники | Часть1

2. Проводники, диэлектрики и поток электронов

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны различных типов атомов обладают разными степенями свободы перемещения. В некоторых материалах, таких как металлы, внешние электроны атомов настолько слабо связаны с ядром, что легко могут покидать свои орбиты и хаотично двигаться в пространстве между соседними атомами даже при комнатной температуре. Такие электроны часто называют свободными электронами. 

В других типах материалов, таких как стекло, у электронов в атомах существует очень небольшая свобода перемещения. Однако внешние силы, например физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть собственные атомы и перейти к атомам другого материала, но они не могут свободно перемещаться между атомами  материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электропроводность. Электропроводность определяется типами атомов материала (количество протонов в ядре атома, определяющее его химическую идентичность) и способом соединения атомов друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками.

Ниже приведено несколько примеров наиболее распространенных проводников и диэлектриков:

Проводники:

• серебро
• медь
• золото
• алюминий
• железо
• сталь
• латунь
• бронза
• ртуть
• графит
• грязная вода
• бетон

Диэлектрики:

• стекло
• резина
• нефть
• асфальт
• стекловолокно
• фарфор
• керамика
• кварц
• (сухой) хлопок
• (сухая) бумага
• (сухая) древесина
• пластмасса
• воздух
• алмаз
• чистая вода

Следует понимать, что не у всех проводящих материалов одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково сопротивляются движению электронов. Электрическая проводимость аналогична прозрачности некоторых материалов: материалы, которые легко «пропускают» свет, называют «прозрачными», а те, которые его не пропускают, называют «непрозрачными». Однако, не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло — лучше чем органическое стекло, и конечно лучше чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, некоторые из них лучше пропускают электроны, а некоторые — хуже.

Например, серебро является лучшим проводником в представленном выше списке «проводников», обеспечивая более легкий проход электронов чем любой другой материал из этого списка. Грязная вода и бетон также значатся как проводники, но эти материалы являются существенно менее проводящими чем любой металл.

Некоторые материалы изменяют свои электрические свойства при различных температурных условиях. Например, стекло является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником, если его нагреть до очень высокой температуре. Газы, такие как воздух, в обычном состоянии — диэлектрики, но они также становятся проводниками при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов, наоборот, становятся менее проводимыми при нагревании, и увеличивают свою проводимость при охлаждении. Многие проводники становятся идеально проводящими (сверхпроводимость) при экстремально низких температурах.

В обычном состоянии движение «свободных» электронов в проводнике хаотично, без определенного направления и скорости. Однако, путем внешнего воздействия можно заставить эти электроны двигаться скоординировано через проводящий материал. Такое направленное движение электронов мы называем электричеством, или электрическим током. Чтобы быть более точным, его можно назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, в котором накопленный электрический заряд неподвижен. Электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника точно так же, как вода течет через пустоту трубы. Приведенная аналогия с водой в нашем случае уместна, потому что движение электронов через проводник часто упоминается как «поток».

Поскольку электроны двигаются через проводник равномерно, то каждый из них толкает находящиеся впереди электроны. В результате все электроны движутся одновременно. Начало движения и остановка электронного потока на всем протяжении проводника фактически мгновенны, даже несмотря на то, что движение каждого электрона может быть очень медленным. Приблизительную аналогию мы можем увидеть на примере трубки, заполненной мраморными шариками:

Трубка заполнена мраморными шариками точно также, как проводник заполнен свободными электронами, готовыми к перемещению под воздействием внешних факторов. Если вставить еще один мраморный шарик в эту заполненную трубку слева, то последний шарик сразу выйдет из нее справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел короткое расстояние, передача движения через трубку в целом произошла мгновенно от левого конца до правого, независимо от  длины трубки. В случае с электричеством, передача движения электронов от одного конца проводника к другому происходит со скоростью света: около 220 000 км. в секунду!!! Каждый отдельный электрон проходит через проводник в гораздо более медленном темпе.

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении к определенному месту, мы должны проложить для них соответствующий путь из проводов, точно так же, как водопроводчик должен проложить трубопровод, чтобы подвести воду к нужному месту. Для облегчения этой задачи, провода изготавливаются из хорошо проводящих металлов, таких как медь или алюминий.

Электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающего передвижение электронов. По аналогии с мраморными шариками мы можем видеть, что шарики будут «течь» через трубку только в том случае, если она будет открыта с правой стороны. Если трубку заблокировать, то мрамор будет «накапливаться» в ней, а соответственно не будет и «потока». То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует непрерывного пути для обеспечения этого потока. Давайте посмотрим на схему, чтобы понять, как это работает:

Тонкая, сплошная линия (показанная выше) является схематическим обозначением непрерывной части провода. Так как провод сделан из проводящего материала, такого как медь, у  составляющих его атомов существует много свободных электронов, которые могут свободно перемещаться по нему. Однако, в пределах такого провода никогда не будет направленного и непрерывного потока электронов, если у него не будет места, откуда приходят электроны и места, куда они идут. Давайте в нашу схему добавим гипотетические  «Источник» и «Получатель» электронов:

Теперь, когда Источник поставляет новые электроны в провод, через этот провод пойдет поток электронов (как показано стрелками, слева-направо). Однако, поток будет прерван, если проводящий путь, образованный проводом, повредить:

В связи с тем, что воздух является диэлектриком, образовавшийся воздушный разрыв разделит провод на две части. Некогда непрерывный путь нарушается, и электроны не могут течь от Источника к Получателю. Аналогичная ситуация получится, если водопроводную трубу разрезать на две части, а концы в месте разреза закупорить: вода в этом случае течь не сможет. Когда провод был одним целым, у нас была электрическая цепь, и эта цепь была нарушена в момент повреждения. 

Если мы возьмем еще один провод  и соединим им две части поврежденного провода, то снова будем иметь непрерывный путь для потока электронов. Две точки на схеме показывают физический (металл-металл) контакт между проводами:

Теперь у нас снова есть цепь, состоящая из Источника, нового провода (соединяющего поврежденный) и Получателя электронов. Если рассматривать аналогию с водопроводом, то  установив тройник на одной из закупоренных туб, мы можем направить воду через новый сегмент трубы к месту назначения. Обратите внимание, что в правой части поврежденного провода нет потока электронов, потому что он больше не является частью пути от Источника до получателя электронов.  

Следует отметить что проводам, в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге разъедаются ржавчиной, никакой «износ» от воздействия потока электронов не грозит. При движении электронов, в проводнике возникает определенная сила трения, которая может вырабатывать тепло. Подробнее эту тему мы рассмотрим несколько позже.

Краткий обзор:

• В проводниках, электроны находящиеся на внешних орбитах атомов могут легко покинуть эти атомы, или наоборот присоединится к ним. Такие электроны называются свободными электронами.
• В диэлектриках внешние электроны имеют намного меньше свободы передвижения, чем в проводниках.
• Все металлы являются электрически проводящими.
• Динамическое электричество, или электрический ток — это  направленное движение электронов через проводник.
• Статическое электричество — это неподвижный (если на диэлектрике), накопленный заряд, сформированный избытком или недостатком электронов в объекте.
• Для обеспечения потока электронов нужен целый, неповрежденный проводник, который обеспечит приём и выдачу электронов.

Источник: Lessons In Electric Circuits

Проводники в электростатическом поле — Класс!ная физика

Проводники в электростатическом поле

Подробности

Просмотров: 288

«Физика — 10 класс»

Изменится ли электрическое поле, если внести в него заряженный шарик? незаряженный шарик?

В металлах носителями свободных зарядов являются электроны.

При образовании кристаллической решётки металла электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со своими атомами и становятся «собственностью» всего проводника в целом.

В результате образовавшиеся положительно заряженные ионы оказываются окружёнными отрицательно заряженным «газом», образованным коллективизированными электронами.

Свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по металлу в любом направлении.

Заряженные частицы, способные свободно перемещаться в проводнике под влиянием электрического поля, называются свободными зарядами.

Электростатическое поле внутри проводника.

Наличие в проводнике свободных зарядов приводит к тому, что даже при наличии внешнего электрического поля внутри проводника напряжённость поля равна нулю.

Если бы напряжённость электрического поля была отлична от нуля, то поле приводило бы свободные заряды в упорядоченное движение, т. е. в проводнике существовал бы электрический ток.

Утверждение об отсутствии электростатического поля внутри проводника справедливо как для заряженного проводника, так и для незаряженного, помещённого во внешнее электростатическое поле.

На примере незаряженной проводящей пластины (проводника), внесённой в однородное поле, выясним, в результате какого процесса напряжённость электростатического поля внутри проводника оказывается равной нулю (рис. 14.21).

Силовые линии поля изображены сплошными линиями.

В первый момент (при внесении пластины в поле) возникает электрический ток.

Под действием электрического поля электроны пластины начинают перемещаться справа налево.

Левая сторона пластины заряжается отрицательно, а правая — положительно (см. рис. 14.21).

В этом состоит явление электростатической индукции. (Если, не убирая пластину из поля, разделить её пополам вдоль линии NN (см. рис. 14.21), то обе половины окажутся заряженными.)

Явление разделения зарядов и их распределение по поверхности проводника во внешнем электрическом поле называют электростатической индукцией.

Электростатического поля внутри проводника нет.

На этом факте основана электростатическая защита.

Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают в металлические ящики.

Появившиеся заряды создают своё поле (линии напряжённости этого поля показаны на рисунке 14.21 штриховыми прямыми), которое накладывается на внешнее поле и компенсирует его.

За ничтожно малое время заряды перераспределяются так, что напряжённость результирующего поля внутри пластины становится равной нулю и движение зарядов прекращается.

Силовые линии электростатического поля вне проводника в непосредственной близости к его поверхности перпендикулярны поверхности.

Докажем это.

Предположим, что какая-то силовая линия не перпендикулярна поверхности проводника (рис. 14.22).

Это означает, что касательная составляющая вектора напряжённости электрического поля не равна нулю.

Следовательно, на свободные заряды действует сила, перемещающая их по поверхности проводника.

Это перемещение будет происходить до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярными поверхности проводника.

Электрический заряд проводников.

Внутри проводника при равновесии зарядов не только напряжённость поля равна нулю, равен нулю и заряд.

Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности.

В самом деле, если бы внутри проводника имелся заряд, то вблизи заряда имелось бы и поле.

Но электростатического поля внутри проводника нет.

Следовательно, заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности.

Этот вывод справедлив как для незаряженных проводников в электрическом поле, так и для заряженных.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Электростатика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Что такое электродинамика —
Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряд —
Закон Кулона. Единица электрического заряда —
Примеры решения задач по теме «Закон Кулона» —
Близкодействие и действие на расстоянии —
Электрическое поле —
Напряжённость электрического поля. Силовые линии —
Поле точечного заряда и заряженного шара. Принцип суперпозиции полей —
Примеры решения задач по теме «Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей» —
Проводники в электростатическом поле —
Диэлектрики в электростатическом поле —
Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле —
Потенциал электростатического поля и разность потенциалов —
Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности —
Примеры решения задач по теме «Потенциальная энергия электростатического поля. Разность потенциалов» —
Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсатор —
Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов —
Примеры решения задач по теме «Электроёмкость. Энергия заряженного конденсатора»

Электрический проводник — Electrical conductor

Воздушные провода передают электроэнергию от генерирующих станций потребителям.

В физике и электротехнике , А проводник представляет собой объект или тип материала , который позволяет поток заряда ( электрический ток ) в одном или нескольких направлениях. Материалы из металла — это обычные электрические проводники. Электрический ток генерируется потоком отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных дырок и в некоторых случаях положительных или отрицательных ионов.

Для протекания тока необязательно, чтобы одна заряженная частица перемещалась от машины, производящей ток, к той, которая ее потребляет. Вместо этого заряженной частице просто нужно подтолкнуть своего соседа на конечную величину, которая будет подталкивать своего соседа и так далее, пока частица не попадет в потребителя, тем самым запитав машину. По сути, происходит длинная цепочка передачи импульса между мобильными носителями заряда; Друда модель проводимости описывает этот процесс более строго. Эта модель передачи импульса делает металл идеальным выбором в качестве проводника; Металлы, как правило, обладают делокализованным морем электронов, которое придает электронам достаточную подвижность для столкновения и, таким образом, передачи импульса.

Как обсуждалось выше, в металлах электроны являются основным двигателем; однако другие устройства, такие как катионный электролит (ы) батареи или подвижные протоны протонного проводника топливного элемента, зависят от носителей положительного заряда. Изоляторы — это непроводящие материалы с небольшим количеством подвижных зарядов, которые выдерживают лишь незначительные электрические токи .

Сопротивление и проводимость

Кусок резистивного материала с электрическими контактами на обоих концах.

Сопротивление данного проводника зависит от материала , из которого он изготовлен, и от ее размеров. Для данного материала сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения. Например, толстая медная проволока имеет меньшее сопротивление, чем идентичная в остальном тонкая медная проволока. Кроме того, для данного материала сопротивление пропорционально длине; например, длинный медный провод имеет более высокое сопротивление, чем идентичный во всем остальном короткий медный провод. Следовательно, сопротивление R и проводимость G проводника равномерного поперечного сечения можно рассчитать как

рзнак равноρℓА,граммзнак равноσАℓ.{\ displaystyle {\ begin {align} R & = \ rho {\ frac {\ ell} {A}}, \\ [6pt] G & = \ sigma {\ frac {A} {\ ell}}. \ end {выровнено }}}

где — длина проводника, измеренная в метрах [м], A — площадь поперечного сечения проводника, измеренная в квадратных метрах [м²], σ ( сигма ) — электрическая проводимость, измеренная в сименсах на метр (См · м ⁻¹ ), а ρ ( rho ) — удельное электрическое сопротивление (также называемое удельным электрическим сопротивлением ) материала, измеряемое в ом-метрах (Ом · м). Удельное сопротивление и проводимость являются константами пропорциональности и, следовательно, зависят только от материала, из которого изготовлен провод, а не от его геометрии. Удельное сопротивление и проводимость являются обратными : . Удельное сопротивление — это мера способности материала противостоять электрическому току.
ℓ{\ displaystyle \ ell}ρзнак равно1/σ{\ displaystyle \ rho = 1 / \ sigma}

Эта формула не точна: она предполагает, что плотность тока в проводнике полностью однородна, что не всегда верно в практической ситуации. Однако эта формула по-прежнему дает хорошее приближение для длинных тонких проводников, таких как провода.

Другая ситуация, для которой эта формула не точна, связана с переменным током (AC), потому что скин-эффект препятствует протеканию тока вблизи центра проводника. Тогда геометрическое поперечное сечение отличается от эффективного поперечного сечения, в котором фактически течет ток, поэтому сопротивление выше ожидаемого. Точно так же, если два проводника находятся рядом друг с другом, по которым проходит переменный ток, их сопротивление увеличивается из-за эффекта близости . На промышленной частоте эти эффекты значительны для больших проводников, по которым проходят большие токи, таких как шины на электрической подстанции , или большие силовые кабели, несущие более нескольких сотен ампер.

Помимо геометрии провода, температура также оказывает значительное влияние на эффективность проводников. Температура влияет на проводники двумя основными способами: во-первых, материалы могут расширяться под действием тепла. Степень расширения материала определяется коэффициентом теплового расширения, характерным для материала. Такое расширение (или сжатие) изменит геометрию проводника и, следовательно, его характеристическое сопротивление. Однако этот эффект обычно невелик, порядка 10 ⁻⁶ . Повышение температуры также увеличивает количество фононов, генерируемых в материале. Фонона является по существу колебаний кристаллической решетки, или , вернее , небольшая, гармоническая кинетическая движение атомов материала. Подобно сотрясению автомата для игры в пинбол, фононы служат для нарушения траектории электронов, заставляя их рассеиваться. Это рассеяние электронов уменьшит количество столкновений электронов и, следовательно, уменьшит общее количество передаваемого тока.

Проводящие материалы

Проводящие материалы включают металлы , электролиты , сверхпроводники , полупроводники , плазму и некоторые неметаллические проводники, такие как графит и проводящие полимеры .

Медь обладает высокой проводимостью . Отожженная медь — это международный стандарт, с которым сравниваются все другие электрические проводники; Международная отожженная медь Стандарт проводимость58 МС / м , хотя сверхчистая медь может немного превышать 101% IACS. Основной маркой меди, используемой для электрических применений, таких как строительная проволока, обмотки двигателей , кабели и шины , является медь с твердым электролитическим пеком (ETP) (CW004A или обозначение ASTM C100140). Если медь высокой проводимости должны быть приварены или припаяны или использоваться в восстановительной атмосфере, то бескислородной меди высокой проводимости (CW008A или ASTM обозначение C10100) могут быть использованы. Из-за простоты соединения с помощью пайки или зажима медь по-прежнему является наиболее распространенным выбором для большинства проводов малого сечения.

Серебро на 6% проводнее, чем медь, но в большинстве случаев из-за его стоимости оно нецелесообразно. Однако он используется в специализированном оборудовании, таком как спутники , и в качестве тонкого покрытия для уменьшения потерь на скин-эффект на высоких частотах. Известно, что 14,700 коротких тонн (13,300 т) серебра, предоставленного Казначейством США, были использованы для изготовления магнитов калютрона во время Второй мировой войны из-за нехватки меди в военное время.

Алюминиевая проволока — это самый распространенный металл при передаче и распределении электроэнергии . Хотя проводимость меди составляет всего 61% от площади поперечного сечения, ее более низкая плотность делает ее в два раза более проводящей по массе. Поскольку алюминий составляет примерно одну треть стоимости меди по весу, экономические преимущества значительны, когда требуются большие проводники.

Недостатки алюминиевой проводки заключаются в ее механических и химических свойствах. Он легко образует изолирующий оксид, из-за чего соединения нагреваются. Его больший коэффициент теплового расширения, чем у латунных материалов, используемых для разъемов, вызывает ослабление соединений. Алюминий также может «ползать», медленно деформируясь под нагрузкой, что также ослабляет соединения. Эти эффекты можно смягчить с помощью соединителей соответствующей конструкции и особой осторожности при установке, но они сделали алюминиевую проводку в зданиях непопулярной после того, как снизился уровень обслуживания .

Органические соединения, такие как октан, который имеет 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, не могут проводить электричество. Масла являются углеводородами, поскольку углерод обладает свойством тетраковалентности и образует ковалентные связи с другими элементами, такими как водород, поскольку он не теряет и не приобретает электроны, следовательно, не образует ионы. Ковалентные связи — это просто обмен электронами. Следовательно, при пропускании электричества через него не происходит разделения ионов. Таким образом, жидкость (масло или любое органическое соединение) не может проводить электричество.

Хотя чистая вода не является электрическим проводником, даже небольшая часть ионных примесей, таких как соль , может быстро превратить ее в проводник.

Размер провода

Провода измеряются по площади поперечного сечения. Во многих странах размер выражается в квадратных миллиметрах. В Северной Америке проводники измеряются американским калибром для проводов меньшего размера и круглым милом для более крупных.

Максимальный ток проводника

Допустимое токовая нагрузка проводника, то есть, количество тока он может нести, связанно с его электрическим сопротивлением: а нижнее сопротивление проводник может переносить большее значение тока. Сопротивление, в свою очередь, определяется материалом, из которого сделан проводник (как описано выше), и размером проводника. Для данного материала проводники с большей площадью поперечного сечения имеют меньшее сопротивление, чем проводники с меньшей площадью поперечного сечения.

Для неизолированных проводников конечным пределом является точка, в которой потеря мощности из-за сопротивления вызывает плавление проводника. Однако, помимо предохранителей , большинство проводников в реальном мире эксплуатируются намного ниже этого предела. Например, бытовая электропроводка обычно изолирована изоляцией из ПВХ, которая рассчитана на работу только при температуре около 60 ° C, поэтому ток в таких проводах должен быть ограничен так, чтобы он никогда не нагревал медный провод выше 60 ° C, вызывая риск огонь . Другая, более дорогая изоляция, такая как тефлон или стекловолокно, может позволить работать при гораздо более высоких температурах.

Изотропия

Если к материалу приложено электрическое поле , и результирующий наведенный электрический ток имеет то же направление, материал называется изотропным электрическим проводником . Если результирующий электрический ток имеет направление, отличное от направления приложенного электрического поля, материал считается анизотропным электрическим проводником .

Смотрите также

Physics4Kids.com: Электричество и магнетизм: Проводники

Есть много материалов, которые позволяют легко перемещать заряды. Их называют кондукторами . Проводники имеют качество , проводимость . Думаю, это тебе не очень поможет. На самом деле вам просто нужно понять разницу между этими двумя словами. Проводник — это объект, который позволяет заряду течь. Электропроводность — это качество, связанное с проводником. Материал, который является хорошим проводником, дает очень небольшое сопротивление потоку заряда.Этот поток заряда называется электрическим током. Хороший проводник имеет высокую проводимость.

(1) Металлы — традиционные проводящие материалы. Вы все время видите их дома. Это металлический провод или один из металлических штырей в электрической вилке. В металлических проводниках много свободных электронов. Свободные электроны — это электроны, которые не удерживаются атомами и поэтому могут легко перемещаться. Одними из лучших металлических проводников являются медь (Cu), серебро (Ag) и золото (Au).

(2) Некоторые проводники не являются металлами.Углерод — лучший тому пример.

(3) Вы, наверное, видели ионные проводники в лаборатории или в эксперименте. Когда вы думаете о ионных проводниках , думайте о растворах и расплавленных проводниках. Раствор , такой как соленая вода, имеет много плавающих свободных ионов. Эти ионы (заряженные атомы) могут легко течь, а ионные растворы являются очень хорошими проводниками. Одна из причин, по которой вам нужно выбраться из воды, если вокруг молния, заключается в том, что вода обычно содержит растворенные ионы, и если молния попадает в жидкость (раствор), она может проводить электричество на большие расстояния и поражать вас электрическим током.

(4) Полупроводники — это проводники, которые делают возможным ваш компьютер. Если бы не полупроводники, большинство электронных безделушек было бы невозможно сделать. В полупроводниках есть свободные электроны, но их не так много, как в проводниках, и их не так легко переместить. Полупроводники обладают низкой проводимостью. Примерами являются такие элементы, как кремний (Si) и германий (Ge).

Что произойдет, если вы разделите заряды и соедините их с проводящим материалом? Обеспечение пути для движения зарядов и создание этого пути из материалов, которые позволяют легко перемещаться, приводит к потоку заряда (электронов), называемому током .Электроны будут течь из отрицательного места в положительное. Это может произойти быстро, а затем прекратиться, как при искре. Или, в случае батареи, подключенной к проводящей петле (называемой цепью), это продолжается до тех пор, пока батарея не разряжается. Если ток все время идет в одном направлении, он называется постоянным или постоянным током. Однако в вашем доме одни и те же заряды перемещаются вперед и назад, поэтому это называется переменным током или переменным током.

Ученые обнаружили, что противоположные заряды притягиваются, а подобные заряды отталкиваются.Итак, положительно-положительный и отрицательно-отрицательный будут отталкивать, а положительно-отрицательный — притягивать. Физики используют термин электрическая сила для описания этих притяжений и отталкиваний. Электрические силы намного сильнее, когда отрицательные заряды ближе к положительным. Чем дальше друг от друга расположены два заряда, тем слабее электрическая сила. Кроме того, чем больше заряд, тем больше будет электрическая сила.

Или выполните поиск на сайтах по определенной теме.

11.5: Магнитная сила на проводнике с током

Движущиеся заряды испытывают силу в магнитном поле. Если эти движущиеся заряды находятся в проводе, то есть если по проводу проходит ток, на провод также должна действовать сила. Однако, прежде чем обсуждать силу, действующую на ток со стороны магнитного поля, мы сначала исследуем магнитное поле, создаваемое электрическим током. Здесь мы изучаем два отдельных эффекта, которые тесно взаимодействуют: провод с током создает магнитное поле, а магнитное поле оказывает силу на провод с током.

Магнитные поля, создаваемые электрическим током

Обсуждая исторические открытия в области магнетизма, мы упомянули открытие Эрстеда о том, что провод, по которому проходит электрический ток, вызывает отклонение расположенного поблизости компаса. Было установлено, что электрические токи создают магнитные поля. (Эта связь между электричеством и магнетизмом более подробно обсуждается в Источниках магнитных полей.)

На стрелку компаса рядом с проволокой действует сила, которая выравнивает касательную иглы к окружности вокруг проволоки.Следовательно, токоведущий провод создает кольцевые петли магнитного поля. Чтобы определить направление магнитного поля, создаваемого проволокой, мы используем второе правило правой руки. В RHR-2 ваш большой палец указывает в направлении тока, в то время как ваши пальцы охватывают провод, указывая в направлении создаваемого магнитного поля (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). Если магнитное поле попадало на вас или выходило за пределы страницы, мы отмечаем это точкой. Если магнитное поле попадало на страницу, мы обозначаем это знаком ×.

Эти символы получены при рассмотрении векторной стрелки: стрелка, направленная к вам, с вашей точки зрения будет выглядеть как точка или кончик стрелки. Стрелка, направленная от вас, с вашей точки зрения будет выглядеть как крест или знак ×. Составной эскиз магнитных кругов показан на рисунке \ (\ PageIndex {1} \), где показано, что напряженность поля уменьшается по мере удаления от провода петлями, которые расположены дальше друг от друга.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): (a) Когда провод находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге.Обратите внимание на символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, кончика стрелки). (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли.

Расчет магнитной силы

Электрический ток — это упорядоченное движение заряда. Следовательно, провод с током в магнитном поле должен испытывать силу, создаваемую этим полем. Чтобы исследовать эту силу, давайте рассмотрим бесконечно малое сечение провода, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).Длина и площадь поперечного сечения секции равны дл и A соответственно, поэтому ее объем равен \ (V = A \ cdot dl \). Проволока сформирована из материала, который содержит n носителей заряда в единице объема, поэтому количество носителей заряда в секции равно \ (nA \ cdot dl \). Если носители заряда движутся со скоростью дрейфа \ (\ vec {v} _d \), ток I в проводе равен (от тока и сопротивления)

\ [I = neAv_d. \]

Магнитная сила на любом отдельном носителе заряда равна \ (e \ vec {v} _d \ times \ vec {B} \), поэтому общая магнитная сила \ (d \ vec {F} \) на \ (nA \ cdot dl \) носителей заряда в сечении провода

\ [d \ vec {F} = (nA \ cdot dl) e \ vec {v} _d \ times \ vec {B}.\]

Мы можем определить dl как вектор длиной dl , указывающий вдоль \ (\ vec {v} _d \), что позволяет нам переписать это уравнение как

\ [d \ vec {F} = neAv_dd \ vec {l} \ times \ vec {B}, \] или

\ [d \ vec {F} = Id \ vec {l} \ times \ vec {B}. \ label {11.12} \]

Это магнитная сила на отрезке провода. Обратите внимание, что это фактически чистая сила, действующая со стороны поля на сами носители заряда. Направление этой силы задается RHR-1, где вы указываете пальцами в направлении тока и сгибаете их к полю.Затем ваш большой палец указывает в направлении силы.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): бесконечно малое сечение токоведущего провода в магнитном поле.

Чтобы определить магнитную силу \ (\ vec {F} \) на проводе произвольной длины и формы, мы должны интегрировать уравнение \ ref {11.12} по всему проводу. Если сечение провода прямое, а B однородный, дифференциалы уравнения становятся абсолютными величинами, давая нам

\ [\ vec {F} = I \ vec {l} \ times \ vec {B}.\]

Это сила, действующая на прямой провод с током в однородном магнитном поле.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): уравновешивание гравитационной и магнитной сил на проводе с током

Провод длиной 50 см и массой 10 г подвешен в горизонтальной плоскости с помощью пары гибких проводов (рис. \ (\ PageIndex {3} \)). Затем на проволоку действует постоянное магнитное поле величиной 0,50 Тл, направленное, как показано. Каковы величина и направление тока в проводе, необходимые для снятия напряжения в опорных выводах?

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): (a) Проволока, подвешенная в магнитном поле.(б) Схема свободного тела для проволоки.

Стратегия

Из диаграммы свободного тела на рисунке видно, что напряжения в опорных выводах стремятся к нулю, когда гравитационная и магнитная силы уравновешивают друг друга. Используя RHR-1, мы обнаруживаем, что магнитная сила направлена ​​вверх. Затем мы можем определить текущее значение I , уравновешивая две силы.

Решение

Приравняйте две силы веса и магнитной силы к проводу:

\ [мг = IlB.2)} {(0,50 \, m) (0,50 \, T)} = 0,39 \, A. \]

Значение

Это большое магнитное поле создает значительную силу на длине провода, чтобы противодействовать весу провода.

Пример \ (\ PageIndex {2} \): Расчет магнитной силы на токоведущем проводе

По длинному жесткому проводу, проложенному по оси и , проходит ток 5,0 А в положительном направлении и . (а) Если постоянное магнитное поле величиной 0.30 Тл направлено вдоль положительной оси x , какова магнитная сила на единицу длины на проводе? (b) Если постоянное магнитное поле 0,30 Тл направлено на 30 градусов от оси + x к оси + y , какова магнитная сила на единицу длины на проводе?

Стратегия

Магнитная сила, действующая на провод с током в магнитном поле, определяется выражением \ (\ vec {F} = I \ vec {l} \ times \ vec {B} \). Для части а, поскольку ток и магнитное поле перпендикулярны в этой задаче, мы можем упростить формулу, чтобы дать нам величину и найти направление через RHR-1.Угол θ составляет 90 градусов, что означает \ (sin \, \ theta = 1. \). Кроме того, длину можно разделить на левую часть, чтобы найти силу на единицу длины. Для части b текущая длина записывается в единичном векторе, а также магнитное поле. После взятия векторного произведения направленность очевидна по результирующему единичному вектору.

Решение

1. Начнем с общей формулы магнитной силы на проводе. Мы ищем силу на единицу длины, поэтому мы делим ее на длину, чтобы вывести ее в левую часть.Мы также устанавливаем \ (sin \, \ theta \). Следовательно, решением будет \ [F = IlB \, sin \, \ theta \] \ [\ frac {F} {l} = (5.0 \, A) (0.30 \, T) \] \ [\ frac {F} {l} = 1,5 \, Н / м. \] Направленность: Укажите пальцами в положительном направлении y и согните пальцы в положительном направлении x . Ваш большой палец будет указывать в направлении \ (- \ vec {k} \). Следовательно, с учетом направленности решение будет \ [\ frac {\ vec {F}} {l} = -1,5 \ vec {k} \, Н / м. \]
2. Текущее значение, умноженное на длину, и магнитное поле записываются в виде единичного вектора.o) \ hat {i} \] \ [\ vec {F} / l = -1.30 \ hat {k} \, Н / м. \]

Значение

Это большое магнитное поле создает значительную силу на небольшой длине провода. По мере того, как угол магнитного поля становится более близким к току в проводе, на него действует меньшая сила, как видно из сравнения частей a и b.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Прямой гибкий медный провод погружается в магнитное поле, направленное внутрь страницы.(а) Если ток в проводе течет в направлении + x , в какую сторону будет изгибаться провод? (b) В какую сторону изгибается провод, если ток течет в направлении — x ?

Решение

а. наклоняется вверх; б. наклоняется вниз

Пример \ (\ PageIndex {3} \): сила на круглом проводе

Круговая токовая петля радиусом R , по которой проходит ток I , размещена в плоскости xy . Постоянное однородное магнитное поле пересекает контур параллельно оси y (рисунок \ (\ PageIndex {4} \)).Найдите магнитную силу на верхней половине петли, нижней половине петли и общую силу на петле.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): петля из провода, по которой течет ток в магнитном поле.

Стратегия

Магнитная сила на верхнем контуре должна быть записана в терминах дифференциальной силы, действующей на каждый сегмент контура. Если мы проинтегрируем каждую дифференциальную деталь, мы найдем общую силу на этом участке петли. Аналогичным образом определяется сила, действующая на нижнюю петлю, а общая сила складывается из этих двух сил.

Решение

Дифференциальное усилие на произвольном отрезке проволоки, расположенном на верхнем кольце, составляет:

\ [dF = I B \, sin \, \ theta \, dl, \], где \ (\ theta \) — угол между направлением магнитного поля (+ y ) и отрезком провода. Дифференциальный сегмент расположен на том же радиусе, поэтому, используя формулу длины дуги, мы имеем:

\ [dl = Rd \ theta \]

\ [dF = IBR \, sin \, \ theta \, d \ theta. \]

Чтобы найти силу на отрезке, мы интегрируем по верхней половине круга от 0 до \ (\ pi \).0 sin \, \ theta \, d \ theta = IBR (-cos 0 + cos \ pi) = -2 IBR. \]

Чистая сила — это сумма этих сил, которая равна нулю.

Значение

Полная сила на любом замкнутом контуре в однородном магнитном поле равна нулю. Несмотря на то, что каждая часть петли имеет силу, действующую на нее, результирующая сила в системе равна нулю. (Обратите внимание, что на петле есть чистый крутящий момент, который мы рассмотрим в следующем разделе.)

Прямой проводник, по которому проходит ток I, расположен под углом θ к однородному магнитному полю с плотностью потока B, как показано на рис.6.1.

Вопрос 1

(a) Прямой проводник с током I
под углом θ к однородному магнитному полю с плотностью потока B, как показано на рис.
6.1.

Рис.6.1

Проводник и магнитное поле
оба находятся в плоскости бумаги. Состояние

(i) выражение для силы на
единичная длина, действующая на проводник из-за магнитного поля, [1]

(ii) направление силы на
дирижер.[1]

(б) Катушка провода, состоящая из двух петель,
подвешен к фиксированной точке, как показано на рис. 6.2.

Рис.6.2

Каждая петля из проволоки имеет диаметр 9,4 мм.
см и расстояние между петлями 0,75 см.

Катушка подключена в цепь
так, чтобы нижний конец катушки мог свободно двигаться.

(i) Объясните, почему, когда ток
включается в катушке, разделение шлейфов катушки уменьшается. [4]

(ii) Каждая петля катушки может быть
считается длинным прямым проводом.

В единицах СИ магнитный поток
плотность B на расстоянии x от длинного прямого провода, по которому проходит ток I, равна
задается выражением

B = (2,0 × 10 ^–7 ) I / x

Когда ток в катушке
При включенном состоянии на свободный конец катушки подвешивается груз 0,26 г, чтобы
вернуть петли катушки в исходное положение. Рассчитайте
ток в катушке. [4]

Ссылка: Отчет о прошедшем экзамене — Отчет за 6 квартал за ноябрь 2007 г.

Решение 1:

(а)

(i) Сила на единицу длины = BI sinθ

(ii) Направление: (вниз) внутрь
(самолет) бумага

{Правило левой руки Флеминга:
Большой палец = сила = ???, указательный палец = поле и средний палец = ток = вправо
Вот.

Отметим, что в этом случае B
и я нахожусь в одной плоскости и угол между ними НЕ 90, ^o . Сила
ДОЛЖЕН быть перпендикулярен как B, так и I.}

б)

(i)

{Направление магнитного
поле получается из правила захвата правой рукой}

ЛИБО

Магнитное поле (из-за
ток) в одном контуре сокращает / перпендикулярно току во втором, вызывая
усилие на второй петле. ЛИБО
Обсуждался закон Ньютона 3 ^rd {Из закона Ньютона 3 ^rd
закон, сила также действует на первый цикл и вызывает притяжение
между двумя петлями} ИЛИ наоборот, ясно дает начало
аттракцион

ИЛИ

Каждая петля действует как катушка,
производит магнитное поле.Поля имеют одинаковое направление {поскольку ток в 2 контурах имеет одинаковое направление},
поэтому петли притягиваются {вызывая разделение между
их уменьшить}.

(ii)

F = BIL

Плотность магнитного потока, B = (2,0 × 10 ^-7 )
I / (0,75 × 10 ^-2 ) {= 2,67 × 10 ^-5 I}

Сила F = (Вес = мг =) (0,26 × 10 ^-3 )
× 9,81 (= 2,55 × 10 ^-3 Н)

{длина одной петли, L = окружность
= 2π r = 2π (d / 2) = 2π (9.4 × 10 ^-2 ) / 2 = 2π (4,7 × 10 ^-2 )}

2,55 × 10 ^-3 = [(2,67 × 10 ^-5 )
× I] × I × [2π (4,7 × 10 ^-2 )]

Ток I = 18 А

.