Фізика. 11 клас

 15.09.2020

Тема. Електрорушійна сила (ЕРС). Закон Ома для повного кола. Коротке замикання.

1. Сторонні сили

Для того щоб у джерелі струму відбувався розподіл зарядів, усередині джерела струму на вільні заряди повинні діяти сили неелектростатичного походження, їх називають сторонніми силами.

Наприклад, у хімічних елементах струму сторонні сили мають хімічну природу; у генераторах електростанцій сторонні сили — це зазвичай сили, що діють на вільні електрони провідника з боку вихрового електричного поля, породжуваного змінним магнітним полем.

2. Електрорушійна сила. Сторонні сили своєю роботою замикають коло і забезпечують сталість струму. Кожне джерело струму характеризується роботою сторонніх сил з переміщення одиниці позитивного заряду, що діють у ньому, тобто певною електрорушійною силою (ЕРС). Усередині джерела струму сторонні сили виконують роботу А_стор, переміщаючи вільні заряди проти дії сил електростатичного поля. Ця робота пропорційна заряду, тому

відношення роботи сторонніх сил з переміщення заряду усередині джерела до заряду є характеристикою джерела струму й називається електрорушійною силою джерела:

Будь-яке джерело струму по суті є перетворювачем енергії: у ньому якийсь один вид енергії перетворюється в електричну. Із цього погляду сторонні сили й виконують роботу з розподілу зарядів (фізична величина, вимірювана роботою сторонніх сил з роз’єднання одиниці кількості електрики).

3. Закон Ома для повного кола. Під час переміщення заряду q усередині джерела струму сторонні сили виконують роботу А_стор, де ε – ЕРС джерела. 

Із закону збереження енергії випливає, що А_стор = Q_зовн + Q_внyтp, звідки одержуємо ε = IR + Ir

I = ε / (R + r)

Суму опорів R + r називають повним опором кола і отримане співвідношення формулюють як закон Ома для повного кола:

Сила струму в замкнутому колі, що містить одне джерело, дорівнює відношенню ЕРС джерела до повного опору кола:

I = ε / (R + r)

1). Якщо коло містить кілька послідовно увімкнених елементів з ЕРС, то повна ЕРС кола дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС окремих елементів. Загальний опір кола дорівнює сумі всіх опорів: R_заг = R + r₁ + r₂ + r₃.

2). У разі паралельного з’єднання елементів з однаковою ЕРС електрорушійна сила батареї дорівнює ЕРС одного елемента.

4. Наслідки із закону Ома для повного кола. Як випливає із закону Ома для повного кола, сила струму спадає відповідно до збільшення R. Найбільша сила струму відповідає випадку R = 0, тобто короткому замиканню. Під час короткого замикання сила струму  

I_к = ε/r

Із цієї формули видно, що якщо внутрішній опір джерела дуже малий, струм короткого замикання буде дуже значним, що може вивести джерело з ладу. Розімкнутому колу відповідає нескінченно великий зовнішній опір R. При цьому, як випливає з формули закону Ома для всього кола, сила струму I = 0. Відповідно до закону Ома для ділянки кола, напруга між кінцями провідника U = IR. Із закону Ома для повного кола, записаного у вигляді ε = IR + Ir одержуємо, що U = ε - Ir.  

Звідси випливає, що

у разі збільшення сили струму напруга між полюсами джерела струму зменшується.

Найменша ж напруга між полюсами дорівнює нулю — йому відповідає коротке замикання, за якого сила струму  (струм короткого замикання).

Розв'язування задач

1. ЕРС батарейки кишенькового ліхтарика дорівнює 4,5 В. Чому ж у цьому ліхтарику використовують лампочку, розраховану на напругу 3,5 В?

2. Реостат підключено до джерела струму. Під час зміни опору реостата від R₁ = 4,0 Ом до R₂ = 9,5 Ом сила струму в колі змінюється від І₁ = 8,0 А до І₂ = 3,6 А. Знайдіть ЕРС джерела струму і його внутрішній опір.

VІІ. Домашнє завдання: опрацювати  § 2, 4, виконати вправу 2 (4), вправу 4 (1, 3).

17.09.2020

Тема. Визначення електричного опору кола з послідовним і паралельним з’єднанням провідників. Вимірювання в електричних колах, шунти та додаткові опори.

1. Послідовне з’єднання

При цьому з’єднанні всі споживачі з’єднуються по черзі один за одним в ряд без розгалужень.

При послідовному з’єднанні провідників сила струму в будь-якій ділянці кола однакова. І=І₁=І₂ 

При послідовному з’єднанні провідників повна напруга в колі дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола.U= U₁+U₂

Із закону Ома випливає формула R=U/I , за якою обчислюємо опір на кожній лампочці і на джерелі струму.  R=R₁+R₂

При послідовному з’єднанні провідників загальний опір кола дорівнює сумі опорів окремих ділянок кола.

Висновок: при послідовному з’єднанні провідників опір цілого кола більший за опір будь-якої його ділянки.

Напруги на окремих ділянках кола прямо пропорційні опорам.

Відкрутивши одну лампочку, інша гасне.

Недоліки:

·        при виході із ладу одного споживача – коло розривається.

·        із збільшенням кількості лампочок –  яскравість кожної зменшується.

В окремих випадках недоліки можуть стати перевагою даного з’єднання.

Застосування: вимикач і лампочка, запобіжник і цілий будинок, реостат у колі, гірлянди.

2. Паралельне  з’єднання

При цьому з’єднанні виводи кожного із споживачів приєднуються до спільної для них пари затискачів.

При паралельному з’єднанні провідників сила струму в не розгалуженій ділянці кола дорівнює силі струмів в окремих паралельно з’єднаних провідниках. І=І₁+І₂ 

При паралельному з’єднанні провідників напруга  на джерелі і на кінцях усіх паралельно з’єднаних провідників однакова. U= U₁=U₂

Із закону Ома випливає формула R=U/I, за якою  обчислюємо опірна кожній лампочці і на джерелі струму. R≠R₁+R₂

Висновок: при паралельному з’єднанні провідників опір усього кола менший за опори  будь-якої його ділянки.

Оскільки U₁=U₂  та U=IR, то I₁R₁=I₂R_{2 .}   1/R= 1/R₁+1/R₂

Висновок: при паралельному з’єднанні провідників сили струмів  у розгалуженнях обернено пропорційні опорам розгалужень.

Відкрутивши одну лампочку, інша не гасне.

Переваги:

·        при виході з ладу одного із споживачів коло не розривається.

·        із збільшенням кількості лампочок – яскравість кожної не змінюється.

·        споживачі  розраховані на однакову напругу.

Недоліки: чим більше споживачів з’єднані паралельно, тим опір кола менший, а сила струму – більша, що може призвести до короткого замикання. 

В окремих випадках, переваги можуть стати недоліком даного з’єднання.

Застосування: всі будинки до загальної електромережі, розетки і лампочки до мережі будинку.

3. Мішане з’єднання

Розв'язати задачі

1. Ділянка кола складається з двох послідовно з'єднаних резисторів, опори яких 50 Ом і 70 Ом. Напруга на ділянці кола 60 В. Знайдіть силу струму в колі й напруги на кожному з резисторів.

2. Резистори з опором 3 і 6 Ом з'єднані паралельно. Визначте загальний опір кола, силу струму в другому резисторі й у всьому колі, якщо сила струму в першому резисторі дорівнює 2 А.

Домашнє завдання: опрацювати §  2, виконати вправу 2 (5).

18.09.2020

Тема. Робота та потужність електричного струму, теплова дія струму. Безпека під час застосування електричних пристроїв.

1. Напругу на кінцях визначеної ділянки кола можна знайти знаючи роботу струму та заряд, який пройшов крізь цю ділянку.

U = A / q

З формули для знаходження напруги можемо визначити, чому дорівнює робота струму.

A = U∙q

Тепер, дивлячись на співвідношення, яке щойно записали, а також те, що q = I∙t, складаємо формулу для знаходження роботи струму.

A = U∙I∙t

Якою повинна бути напруга на ділянці кола, якщо за 2 с при силі струму 1 А здійснювалась робота струму 10 Дж?

Використовуючи закон Ома, виразіть роботу струму через силу струму, опір та час; через напругу, опір та час.

A = I²Rt, A = U²/Rt

Роботу сторонніх сил у генераторі, якою оцінюють утворену в ньому кількість електричної енергії за рахунок інших видів енергії, визначають із співвідношення. Оскільки q = I∙t, дістаємо A=ε∙I∙t.

Які прилади можна використати для вимірювання роботи струму? (амперметр, вольтметр, годинник)

Прилади, що використовують для вимірювання роботи сили струму називаються лічильниками. Вони фіксують значення роботи сили струму у кВт∙год

2. Поняття потужності струму.

Використовуючи ті співвідношення, що ми отримали для знаходження роботи струму, отримаємо три формули для розрахунку потужності електричного струму.

P = U∙I, P = I²R, P =U²/R

3.   Чому під час проходження електричного струму провідник нагрівається?

Закон, що визначає кількість теплоти, яку виділяє провідник зі струмом у навколишнє середовище, був установлений експериментально англійським ученим Джоулем та російським ученим Ленцем.

Q = I²Rt

4.  Безпека людини під час роботи з електричними приладами і пристроями.

Кожен день ти користуєшся електричними приладами, але потрібно знати, що вони криють у собі небезпеку. Так, дія електричного струму на людину може призводити до електричних травм та пошкоджень, таких як скорочення м'язів, що супроводжується сильним болем, втратою свідомості, порушенням роботи серця чи дихання (або обох цих порушень разом). Іноді трапляються нещасні випадки від дії електричного струму, які приводять до смерті людини. Та щоб уникнути багатьох неприємностей, тобі достатньо завжди пам’ятати та дотримуватись правил поводження з електричними приладами.

Пам’ятай, несправності в електромережі й електричних приладах може усунути лише спеціаліст-електрик!

Розв'язати задачі

1.     Яку роботу виконає струм силою 3 А за 10 хв, якщо напруга в колі 15 В?

2.     Визначте потужність струму в лампі, увімкненій у мережу напругою 220 В, якщо відомо, що опір нитки розжарення лампи 484 Ом.

3.     Визначте кількість теплоти, яку виділяє в провіднику струм за 1,5 хв, якщо сила струму в колі дорівнює 5 А, а напруга на кінцях провідника становить 200 В.

Домашнє завдання: опрацювати § 3, виконати вправу 3 (3, 4). 

06.11.2020

Тема. Магнітні властивості речовини. Діа-, пара- і феромагнетики. Залежність магнітних властивостей речовини від температури. Застосування магнітних матеріалів.

Як відомо, усі речовини складають з атомів, молекул чи йонів. У кожному атомі чи молекулі рухаються замкнутими орбітами електрони, і цей рух електронів не відрізняється за своїми магнітними властивостями від магнітних властивостей провідника зі струмом. Тому атоми чи молекули мають магнітні властивості. Якщо речовина на намагнічена, то вона не створює магнітного поля. Причиною цього є те, що електронні струми розташовані в такій речовині хаотично, а тому їхня сумарна магнітна дія дорівнює нулю.

Якщо ж помістити речовину в зовнішнє магнітне поле, розташування електронних струмів стає частково чи повністю впорядкованим. Тому намагнічену речовину можна розглядати як систему мікроскопічних орієнтованих струмів. Важливо зазначити, що, крім створюваного за рахунок обертання навколо ядра магнітного поля, електрон має також власне магнітне поле.

Фізична величина, що показує, у скільки разів магнітне поле всередині однорідного середовища відрізняється від магнітного поля у вакуумі, називається магнітного поля у вакуумі, називається магнітною проникністю речовини та позначається літерою μ.

Діамагнетики та парамагнетики

За своїми магнітними властивостями речовини є досить різноманітними. 

Більшість речовин намагнічуються слабко, тож віднесемо їх до групи слабомагнітних. Усі слабомагнітні речовини можна розділити на дві підгрупи: діамагнетики та парамагнетики. Магнітна проникність діамагнетиків μ<1, а магнітна проникність парамагнетиків μ>1, наприклад, магнітна проникність міді μ=0,99991 г, а магнітна проникність алюмінію μ=1,000023. Зі сказаного можна зробити висновок, що діамагнітні речовини послаблюють зовнішнє магнітне поле. Це пояснюється тим, що в атомів діамагнітних речовин за відсутності зовнішнього магнітного поля власні магнітні поля електронів та магнітні поля, створювані їхнім орбітальним рухом, повністю скомпенсовані. За внесення діамагнітної речовини в зовнішнє магнітне поле компенсація магнітних полів порушується і власне магнітне поле атома виявляється спрямованим проти зовнішнього магнітного поля. До діамагнітних речовин належать водень, вода, скло, цинк, срібло, золото, мідь, вісмут та ін.

В атомах парамагнітних речовин власне магнітні поля електронів та магнітні поля, створювані їхнім орбітальним рухом, скомпенсовані не повністю, і атом внаслідок цього має власне магнітне поле. За відсутності зовнішнього магнітного поля електронні струми розташовані в парамагнітній речовині хаотично, тож магнітні поля атомів виявляються скомпенсованими. За внесення ж речовини в зовнішнє магнітне поле електронні мікроструми орієнтуються таким чином, що їхні магнітні поля спрямовуються за зовнішнім полем. Необхідно врахувати також тепловий рух атомів, який є тим яскравіше вираженим, чим вища температура. Існування теплового руху заважає повній орієнтації електронних струмів, унаслідок чого встановлюється певна переважна орієнтація мікрострумів – тим більша, чим сильнішим є зовнішнє магнітне поле, і тим менша, чим вищою є температура. До парамагнетиків належать азот, повітря, кисень, ебоніт, алюміній, вольфрам, платина та інші речовини.

1845 року Майкл Фарадей встановив здатність усіх тіл намагнічуватись і відкрив, що одні тіла притягуються до магніту, а інші відштовхуються від нього. Учений запропонував для перших назву парамагнітних, а для других – діамагнітних.

Феромагнетики

Особливий клас магнетиків утворюють речовини, здатні зберігати намагніченість і за відсутності зовнішнього магнітного поля. За найпоширенішим представником – залізом – вони отримали назву феромагнетиків. Магнітна проникність феромагнетиків μ, тобто вони значно підсилюють зовнішнє магнітне поле. Магнітна проникність феромагнетиків не є сталою величиною, а значно залежить від величини зовнішнього магнітного поля. Кожен феромагнетик має певну температуру, за досягнення якої магнітна проникність падає практично до одиниці. Ця температура дістала назву точки Кюрі за ім’ям французького фізика П’єра Кюрі. За температур, вищих від точки Кюрі, усі феромагнітні тіла стають парамагнітними. Наприклад, у заліза точка Кюрі дорівнює 767 °С, у кобальту – 1130 °С. Феромагнетики мають також інші особливості: магнітні властивості феромагнетиків залежать від їхньої обробки; виявляється, що деякі сплави з феромагнетиків майже не магнітні, навпаки – сплави деяких парамагнітних і діамагнітних речовин мають феромагнітні властивості.

Вищезазначені особливості феромагнетиків можна пояснити таким чином. Феромагнітні властивості речовини визначаються не магнітними властивостями окремих атомів чи молекул, а намагнічуванням цілих областей – доменів – ділянках речовини, що містять значну кількість атомів чи молекул. Кожен домен є досить сильно намагніченим, але через хаотичність розташування таких областей тіло в цілому є ненамагніченим. Під впливом зовнішнього поля відбувається перегрупування доменів, і перевагу отримують ті області, напрямок магнітного поля яких співпадає з напрямком зовнішнього магнітного поля (вони «поглинають» доменів – сусідів)

Якщо прибрати зовнішнє магнітне поле, відбувається процес розмагнічування, але, як і процес намагнічування, він триває довше. Феромагнетики поділяються на дві групи: магніто – м’які та магніто – жорсткі. Сагніто – м’які матеріали майже миттєво втрачають свою намагніченість за зникнення зовнішнього поля; магніто – жорсткі матеріали, навпаки здатні тривалий час зберігати намагніченість. Саме їх ті використовують для виготовлення постійних магнітів. До феромагнетиків належать залізо, нікель, кобальт, гадоліній, деякі сплави та хімічні сполуки. Феромагнетики знайшли широке застосування в різноманітних пристроях: магнітний звукозапис, постійні магніти, магнітні підсилювачі, магнітні сепаратори, магнітна дефектоскопія, електродвигуни, трансформатори тощо.

Розв'язати задачі

1. Іонізована частинка рухається зі швидкістю 956 км/с по колу радіусом 19 см в однорідному магнітному полі з індукцією 0,1 Тл. Визначте масу частинки. Заряд електрона е = 1,6 · 10^-19 Кл.

2. Через горизонтальний провідник довжиною 20 см та масою 4 г проходить струм 10 А. Визначте модуль та напрямок індукції магнітного поля, у якому треба розташувати провідник, щоб сила тяжінні врівноважувала силу Ампера.

3. Електрон влітає в однорідне магнітне поле зі швидкістю 10000 км/с і рухається по колу радіусом 2 см. Якою є магнітна індукція поля?

Домашнє завдання. Опрацювати § 15, виконати вправу 15 (1, 3)

Тема. Активний, ємнісний та індуктивний опори. Робота й потужність змінног струму. Діючі значення напруги та сили струму.

Запитання на повторення

І варіант	ІІ варіант
1. Змінний струм – це…	1. Гармонічні коливання – це…
2. Стандартна частота змінного струму -	2. Період змінного струму для стандартної частоти -
3. Що означає частота змінного струму 100Гц?	3. Що означає частота змінного струму 50Гц?
4. Що таке діюче значення змінного струму?	4. Зв'язок між діючим значенням і максимальним?
5. Максимальне значення змінного  струму 5 А, чому дорівнює діюче значення?	5. Діюча напруга змінного струму 220В. Знайти максимальну напругу.
6. Зв'язок між циклічною частотою  і частотою ν.	6. Знайти циклічну частоту, якщо частота змінного струму 50 Гц.
7. Прилад, який перетворює механічну енергію в електричну, називається…	7. Прилад, який перетворює електричну енергію в механічну, називається…
8. Запишіть рівняння змінного струму для ЕРС	8. Запишіть рівняння змінного струму для напруги.

1. Активний опір в колі змінного струму.

Якщо електричний струм проходить через провідник, то він нагрівається, тому що провідник чинить опір струму.  Вільні електрони зазнають співударів з іонами кристалічної решітки і передають їм частину своєї енергії. При цьому внутрішня енергія провідника збільшується. В електричних колах змінного струму провідник також нагрівається. Опір, в якому  електрична енергія перетворюється у внутрішню, називається активним. Такий опір мають лампочки розжарення, резистори, електричні плити, печі, каміни тощо. Активний опір залежить від довжини провідника, площі поперечного перерізу, матеріалу (питомого опору) та температури. R=ρ l/s, R=R_o(1+ɑt).

Струм і напруга змінюється за гармонічним законом синуса або косинуса. Графіками струму є синусоїди, які співпадають по фазі, тобто зсув фаз дорівнює нулю.  

2. Індуктивний опір в колі змінного струму.

Якщо в колі змінного струму є котушка з великою індуктивністю, то крім того, що вона має активний опір(обмотка нагрівається), вона ще чинить опір струму завдяки явищу самоіндукції, тобто опір кола збільшується. Опір,зумовлений явищем  самоіндукції, називається індуктивним. Індуктивний опір залежить від індуктивності котушки та частоти змінного струму.

На короткий час ввімкнення котушки, нехтуючи її активним опором, сила струму за законом Ома обернено пропорційна індуктивному опору.

 X_L= 2πνL

Миттєві значення струму і напруги змінюються за гармонічними законами. Напруга на індуктивному опорі випереджає струм на 90⁰

3. Ємнісний опір в колі змінного струму.

Якщо конденсатор підключити в коло постійного струму, то через нього струм не проходить, тому що між обкладками знаходиться діелектрик. Він тільки заряджається і стає джерелом струму, який при замиканні на споживач швидко розряджається. У колі ж змінного струму заряд конденсатора внаслідок зміни напруги безперервно змінюється, тому в колі проходить струм. Сила струму буде тим більша, чим більша ємність конденсатора. Опір, зумовлений наявністю електроємності в колі змінного струму, називається ємнісним.

Він обернено пропорційний ємності та частоті змінного струму.

X_C= 1/2πνC

При збільшенні ємності батареї, струм збільшується, лампочка буде світитись яскравіше. Тобто чим більша електроємність конденсатора, тим менший ємнісний опір і тим більший струм згідно закону Ома.

Струм і напруга змінюються за гармонічними законами синуса чи косинуса.

Напруга на ємнісному опорі відстає за фазою від струму на 90⁰.

Індуктивний Х_L та ємнісний Х_C опори називаються реактивними. При послідовному вмиканні індуктивного і ємнісного опорів загальний реактивний опір дорівнює їх різниці 

Х=Х_L – Х_C

4. Електричний резонанс.

Вивчаючи вимушені механічні коливання, ми встановили дуже важливу їх особливість, яка виявляється в явищі резонансу. В електричному колі змінного струму із активним, індуктивним та ємнісним опорами може відбуватись явище електричного резонансу. Це явище сильного збільшення сили струму в електричному колі при деякій резонансній частоті. При цьому індуктивний опір повністю компенсується ємнісним Х_L =Х_C і струм в колі різко зростає, оскільки величина струму при цьому обмежується лише активним опором R, який звичайно малий. Електричний резонанс в колах змінного струму використовують для визначення частоти струму, а в радіотехніці радіоприймач настроюють на певну частоту, виділяючи з безлічі радіохвиль передачу потрібної радіостанції.

Задачі

1.     Чи однакові струми виникають в котушці індуктивності, якщо її включити в коло змінного і постійного струму?

2.     Визначити ємнісний опір конденсатора ємністю 5 мкФ  та індуктивний опір котушки 500мГн в мережі.

Домашнє завдання

Опрацювати § 20, виконати вправу 20 (1, 2)

Тема. Лабораторна робота № 3 «Вимірювання індуктивності котушки»

Складання звіту.

1). Тема. Вимірювання індуктивності котушки

2). Мета: навчитись визначати індуктивність котушки і дослідити, як впливає на індуктивність наявність залізного осердя.

Теоретичні відомості:

Якщо по провіднику тече постійний струм, то провідник чинить йому опір R, величина якого залежить від матеріалу провідника, його розмірів та температури.

Опір провідника в такому випадку легко визначити за законом Ома для ділянки електричного кола як частку від ділення напруги U на кінцях провідника на силу струму I, що тече по провіднику:

R= U/I                                          

L -  індуктивність провідника, що залежить від його розмірів і форми, а також від магнітної проникності середовища. Одиниця вимірювання L в СІ є Гн (Генрі).

1 Гн – це індуктивність такого провідника, в якому виникає ЕРС самоіндукції 1В при швидкості зміни сили струму в провіднику на 1 А/с.

Отже, причиною того, що одне і те ж коло чинить більший опір протіканню змінного струму, ніж постійного, є явище самоіндукції, що спричинює додатковий опір X_L, який називають індуктивним опором.

Величина індуктивного опору пропорційна індуктивності L провідника і частоті змінного струму ν: 

X_L= 2πνL

3) Контрольні запитання:

1.     Знайдіть індуктивність провідника, у якому рівномірна зміна сили струму на 2 А упродовж 0,25 с збуджує ЕРС самоіндукції 20 мВ.

2.     Коли ємність конденсатора вхідного коливального контуру радіоприймача дорівнює 40 пФ, радіоприймач налаштовано на довжину хвилі 24 м. Яка індуктивність контуру?

3.     Від чого залежить ЕРС самоіндукції?

4.     Що таке індуктивність провідника і від чого вона залежить?

5.  Дайте визначення одиниці індуктивності.  

6.  Від чого залежить індуктивний опір? Доведіть, що одиницею його вимірювання є Ом в системі СІ.

4) Висновок

Домашнє завдання

Повторити § 14.  

Тема. Трансформатор. Виробництво, передача та використання енергії змінного струму.

Споживачами  електроенергії є підприємства, організації, великі та малі будинки, а виробляється електроенергія на електростанціях, тому виникає потреба передавати її від джерела до споживача на великі відстані. Як знизити втрати у лініях електропередач? Електрорушійна сила генераторів електростанцій велика. При передачі використовується напруга в сотні тисяч кіловольт. Але на  практиці більшість споживачів потребують електроенергію напругою 220 В, а в промисловості – 360 В і 600 В. Напругу потрібно постійно перетворювати. Отже перед нами два проблемні питання:

1)                Як передати енергію з найменшими втратами?

2)                Як перетворити напругу з високої на низьку і навпаки?

Будова трансформатора.

Трансформатор складається  осердя замкненої форми ,що виготовлене з м’якого феромагнетику, та двох обмоток, надітих на осердя . Первинна обмотка — з’єднана з джерелом змінної напруги, а вторинна обмотка приєднана до споживача. Осердя набирається з тонких ізольованих листів  трансформаторної сталі для зменшення вихрових струмів , які б його розігрівали .

Принцип дії трансформатора засновано на явищі електромагнітної індукції. Під час проходження змінного струму в первинній обмотці в осерді виникає змінний магнітний потік, залізне осердя передає магнітний потік від первинної  обмотки до вторинної і збуджує ЕРС самоіндукції у вторинній обмотці. Використовуючи закон ЕМІ запишемо:

ε₁/ε₂ = N₁/N₂

Коефіцієнт трансформації 

Якщо коло вторинної обмотки розімкнене, то таке явище називають холостим ходом трансформатора ( I= 0 ). У цьому разі напруга на вторинній обмотці дорівнює ЕРС на вторинній обмотці U₂₌e₂ , а ЕРС на первинній приблизно рівна напрузі на первинній обмотці U₁₌e₁тому під час холостого ходу: 

ε₁/ε₂ = N₁/N₂ =U₁/U₂ =k

 k – коефіцієнт трансформації:

якщо k > 1, напруга U₂ < U₁  трансформатор є знижувальним

якщо k < 1, то U₂ > U₁   трансформатор є підвищувальним

Якщо до кола вторинної обмотки підключити споживач струму, то трансформатор працюватиме під навантаженням . Струм, що появився у вторинній обмотці створює свій магнітний потік, який за правилом Ленца прагне компенсувати зміни магнітного потоку в осерді. Це призводить до автоматичного збільшення сили струму в первинній обмотці. Збільшення сили струму у колі первинної  обмотки відбувається за законом збереження енергії. Потужність  у первинному колі близька до потужності у вторинному колі: 

P₁=P, тоді I₁U₁ = I₂U₂, I₁/I₂ = U₂/U₁

Висновок: У скільки разів трансформатор зменшує напругу у стільки разів він збільшує силу струму.

I₂ > I₁Тому у понижувальних трансформаторах діаметр витків на вторинній обмотці більший ніж на первинній d₂>d₁ оскільки

ККД трансформатора

η= (I₂U₂ /I₁U₁)100% –  ККД трансформатора/

Застосування трансформаторів

Виробництво, передача та використання енергії електричного струму 

Споживачі  електроенергії є всюди, а виробляється вона порівняно в небагатьох місцях, тому виникає потреба передавати її на великі відстані.

Під час передавання електричного струму велика кількість електричної енергії йде на нагрівання проводів. Згідно із законом Джоуля-Ленца: Q = I²Rt , R – опір лінії

Як знизити втрати у лініях електропередач ?

Є два шляхи: 1) зменшити опір провідників  R, а отже збільшити  S – площу поперечного перерізу провідника

Але для зменшення R, наприклад, у 100 разів потрібно збільшити масу проводу також у 100 разів. Зрозуміло, що не можна допустити такої великої витрати дорогого кольорового металу, не говорячи вже про труднощі закріплення важких проводів на високих щоглах і т.п.

Або 2) зменшити силу струму, збільшивши напругу.

Наприклад, зменшення струму в 10 разів зменшує кількість тепла, що виділився в провідниках, у 100 разів, тобто досягається такий же ефект, що і від сторазового  збільшення маси дроту.

Висновок: щоб знизити втрати  в лініях електропередач потрібно збільшити напругу змінного струму за допомогою підвищувальних трансформаторів.

Так генератори виробляють струм напругою від 6 до 20 кВ, а трансформатори її підвищують до декількох сотень кіловольтів. Після цього електричний струм подають на лінії електропередач.

Про шкідливий вплив ЛЕП: Особливо сильний вплив для здоров'я надають високовольтні лінії електропередач(ЛЕП). Напруженість поля безпосередньо під ЛЕП сягає часом десятків кіловольт на метр.

Дослідження засвідчили, що  біологічний вплив ЛЕП залежить від тривалості перебування людини у електричному полі. Найбільш уразлива нервова система. Після неї  можуть бути розлади роботи  серцево-судинної системи,зміни у складі крові.  Вченими встановлено потенційна небезпека перебування людини,в електричному полі,напруженість якого за 25 кВ/м. У зоні ЛЕП небажано гуляти,кататися на лижах,особливо дітям .

На місцях споживання електроенергії за допомогою знижувальних трансформаторів напругу зменшують і далі електроенергія передається по низьковольтним лініям передач.  Біля будинків знаходяться трансформаторні будки,  у  яких  напруга змінного струму зменшується за допомогою знижувального трансформатора до 220 В і подається  в електромережу.

Використання електроенергії.

Сучасна цивілізація немислима без широкого використання електроенергії.

А) промисловість — 56%   

Б)  металургія — 21%  

В)  побут – 12%

Г)  транспорт – 7%

Д)  сільське  господарство  – 4%

1. Дати відповіді на питання:

1. Який прилад використовують для перетворення змінного струму та напруги?

А) генератор         Б) трансформатор              В) вольтметр

2.  Чи змінює трансформатор частоту змінного струму ?

А) ні                         Б) так                    В) змінює, якщо він навантажений

3.Яке числове значення має коефіцієнт трансформації у підвищувальних трансформаторах ?

А)   k=1                    Б )  k<1                В)  k>1

4. Ви придбали електроприлад, розрахований на напругу 110 В, а в мережі напруга 220 В, з яким коефіцієнтом трансформації вам потрібно підключити до мережі трансформатор, щоб електроприлад не перегорів?

А)  k = 0,5                Б)   k =  3                       В) k = 2

5. З якою метою під час передачі електроенергії на великі відстані підвищують напругу змінного струму?

А) щоб збільшити потужність струму

Б) щоб зменшити втрати енергії на нагрівання проводів ліній електропередачі

В) для запобігання перевантаження генератора   

2. Розв’язати задачу.

Скільки витків повинна мати вторинна обмотка трансформатора  для підвищення напруги від 220 В  до 11000 В, якщо в первинній обмотці 20 витків? Який коефіцієнт трансформації?

Запитання

1.     Як передати енергію з найменшими втратами?

2.     Як перетворити напругу з високої на низьку і навпаки?

Домашнє завдання

Опрацювати § 21, виконати вправу 21 (2, 3)

           

Тема. Електромагнітні хвилі, їх утворення та поширення. Висновки з теорії Максвелла, досліди Герца. Швидкість поширення електромагнітних хвиль.Принципи радіотелефонного зв’язку. Радіомовлення та телебачення.

Джеймс Клерк (1831-1879), англійський фізик, творець класичної електродинаміки, один з засновників статичної фізики, організатор і перший директор (з 1871) Кавендішськой лабораторії. Розвиваючи ідеї М. Фарадея, створив теорію електромагнітного поля (рівняння Максвела); ввів поняття про струм зміщення, передбачив існування електромагнітних хвиль, висунув ідею електромагнітної природи світла. 

Хвилі різної довжини використовуються в різних галузях людської діяльності. Різні види механічних хвиль, як поперечні, так і подовжні можуть розповсюджуватися тільки в безперервному середовищі, в твердих тілах, рідинах і газах. У вакуумі механічні хвилі розповсюджуватися не можуть. Максвел на підставі вивчення експериментальних праць Фарадея з електрики і магнетизму в 1864г. висунув гіпотезу про існування в природі особливих хвиль, здатних розповсюджуватись у вакуумі. Ці хвилі Максвел назвав електромагнітними хвилями.

Для висунення гіпотези про можливість виникнення електромагнітних хвиль Максвел мав підстави. Винайдення індукційного струму Фарадеєм. Максвел пояснив появу індукційного струму виникненням вихрового електричного поля при будь-якій зміні магнітного поля. Потім він припустив, що електричне поле володіє такими ж властивостями: при будь-якій зміні електричного поля в оточуючому просторі виникає вихрове електричне поле.

Процес взаємного породження магнітного і електричного полів, який одного разу почався, повинен далі безперервно продовжуватися і охоплювати все нові і нові області в оточуючому просторі (мал. 22.4 с. 123 підручника). Процес розповсюдження змінних магнітного і електричного полів і є електромагнітна хвиля. Електромагнітні хвилі можуть існувати і розповсюджуватися у вакуумі.

Умова виникнення електромагнітних хвиль. Для утворення інтенсивних електромагнітних хвиль необхідно створити електромагнітні коливання достатньо високої частоти. Зміни електромагнітного поля відбуваються при зміні сили струму в провіднику, а сила струму в провіднику змінюється при зміні швидкості руху електричних зарядів в ньому, тобто при русі зарядів з прискоренням. Отже, електромагнітні хвилі повинні виникати при прискореному русі електромагнітних зарядів.

Генріх Рудольф Герц (1857 – 1894), німецький фізик. Експериментально довів (1886 – 1889) існування електромагнітних хвиль (використовуючи вібратор Герца). Додав рівнянням Максвела симетричну форму. Експериментально підтвердив тотожність основних властивостей електромагнітних і світлових хвиль. Відкрив зовнішній фотоефект (1887).

Електромагнітні хвилі були вперше експериментально отримані Герцем в 1887 році.

У дослідах Герца довжина хвилі складала декілька десятків сантиметрів. Обчисливши власну частоту електромагнітних коливань вібратора, Герц зміг визначити швидкість електромагнітної хвилі за формулою: υ=λν. Вона виявилася приблизно рівна швидкості світла: υ ≈ 300000 км/с.

Формула  встановлює зв'язок між швидкістю хвилі , її довжиною λ і частотою ν (або періодом Т). 

λ = υ ∙ T λ = υ/ν

Дослід Герца блискуче підтвердив прогнози Максвела.

Електромагнітна хвиля має енергію. Енергію електромагнітної хвилі визначають вектори Е та В. 

Залежно від способу отримання електромагнітних хвиль їх поділяють на кілька діапазонів частот (або довжин хвиль). Між сусідніми діапазонами шкали немає чітких меж, тобто діапазони хвиль різних типів перекривають один одного.

Низькочастотні хвилі

Низькочастотні хвилі являють собою електромагнітні хвилі, частота коливань яких не перевищує 100 кГц. Саме цей діапазон частот традиційно використовується в електротехніці. У промисловій електроенергетиці використовується частота 50 Гц, на якій здійснюється передача електричної енергії по лініях електропередач і перетворення напруги трансформаторами.

Радіохвилі.

Радіохвилі — діапазон електромагнітних хвиль з довжиною хвилі від 10⁵ до 10^-5 метра (частота 3 кГц-3ТГц).

В експериментах Герца вперше були одержані хвилі з довжиною кілька десятків сантиметрів. В 1895-1899 р.р. О. Попов вперше використав радіохвилі для бездротового зв`язку. З розвитком радіотехніки розширявся і частотний діапазон хвиль, що можуть бути згенеровані чи сприйняті радіоапаратурою.

Використовуються радіохвилі не лише для власне радіо, телебачення, зв’язку але й для локації, дослідження космічних об`єктів, дослідження середовища, в якому вони поширюються, і в радіометеорології.

Мікрохвильове випромінювання малої інтенсивності використовується в засобах зв'язку, переважно в стільникових телефонах (крім перших поколінь), пристроях Bluetooth, WiFi.

Інфрачервоне випромінювання.

Інфрачервоне випромінювання (від лат. infra — нижче, скорочено ІЧ) — електромагнітне випромінювання, що займає область електромагнітного спектру між видимим світлом (червоним) з довжиною хвилі 750 нм і мікрохвильовим випромінюванням (НВЧ) з довжиною хвилі 1-2 мм, що відповідає діапазону частот 3∙10¹¹—4∙10¹⁴ Гц.

Інфрачервоне випромінювання відкрив у 1800 році Вільям Гершель, досліджуючи розподіл енергії в спектрі за допомогою чутливого термометра. Інфрачервоні промені випромінюються всіма тілами, що мають температуру вищу за абсолютний нуль. Максимум інтенсивності випромінювання залежить від температури. При підвищенні температури максимум зміщується в бік коротших хвиль, тобто в напрямку видимого діапазону. У зв'язку із залежністю спектру та інтенсивності інфрачервоного випромінювання від температури його часто називають тепловим випромінюванням.

Застосування ІЧ випромінювання

Людське око не бачить інфрачервоного випромінювання, органи чуття деяких інших тварин, наприклад, змій та кажанів, сприймають інфрачервоне випромінювання, що допомагає їм добре орієнтуватися в темряві.

Значна частка інфрачервоних променів знаходиться у випромінюванні батарей водяного опалення, електрокамінів, полум'я вогнищ тощо. Потрапивши на речовинні об'єкти, інфрачервоне випромінювання, у свою чергу, нагріває їх. Біля гарячої батареї водяного опалення нагріваються меблі, тіло людини, підлога тощо.

У техніці застосовують різні пристрої, дія яких ґрунтується на використанні енергії інфрачервоних променів. Це різні сушарки, що використовуються при фарбуванні автомобілів, для зневоднення вологого дерева тощо.

Інфрачервоне випромінювання слабко поглинається повітрям, але добре відбивається від поверхні твердих тіл. Цю властивість використано в системах так званого «нічного бачення», які широко застосовують у військовій справі та наукових дослідженнях. У таких системах приймач приймає хвилі, які випромінює кожне тіло в інфрачервоному діапазоні, або хвилі, відбиті від предметів, освітлених спеціальними «інфрачервоними» прожекторами. Складні електронні системи перетворюють одержану інформацію на зображення предметів, видимих для людського ока.

Інфрачервоні діоди і фотодіоди використовуються в пультах дистанційного управління, системах автоматики, охоронних системах і т.д. Вони не відволікають увагу людини в силу своєї невидимості.

Крім того, останнім часом інфрачервоне випромінювання дедалі частіше починають застосовувати для обігріву приміщень та вуличних просторів.

Видиме світло.

Видиме світло — область спектру електромагнітних хвиль, що безпосередньо сприймається людським оком. Характеризується довжинами хвиль від 380 нм (790 ТГц) — фіолетовий колір до 750 нм (400ТГц) — червоний колір.

Перші пояснення спектру видимого випромінювання дали Ісаак Ньютон в книзі «Оптика» і Йоганн Гете у роботі «Теорія Кольорів», проте ще до них Роджер Бекон спостерігав оптичний спектр в склянці з водою. Лише через чотири століття після цього Ньютон відкрив дисперсію світла в призмах.

Фізичні тіла, атоми та молекули яких випромінюють світло, називають джерелами світла. Джерела світла бувають штучні та природні, теплові та люмінесцентні, точкові та протяжні. Наприклад, полярне сяйво — природне, протяжне для спостерігача на Землі, люмінесцентне джерело світла.

Джерелами світла є Сонце, спалах блискавки, лампа розжарювання, екран телевізора, монітори тощо. Світло можуть випромінювати також організми (деякі морські тварини, світлячки та ін.)

Пристрої, за допомогою яких можна виявити світлове випромінювання називають приймачами світла. Серед природних приймачів світла — органи живих істот.

Сприйняття світла оком.

Із людських органів чуття найбільше інформації про довкілля дає нам зір. Однак бачити навколишній світ ми можемо тільки тому, що існує світло. Людина бачить електромагнітні хвилі у видимому діапазоні тому, що має відповідні рецептори, які поглинають світло таких частот, викликаючи при цьому відповідні імпульси в нервовій системі. Сітківка людського ока має два типи світлочутливих клітин: палички і колбочки. Палички не мають особливої чутливості до певного діапазону спектру, зате чутливіші до світла взагалі, тому дозволяють бачити чорно-біле зображення. Колбочки мають у своєму складі молекули, які чутливі до різних діапазонів видимого спектру, тому дозволяють бачити в кольорі.

Ультрафіолетове випромінювання.

Ультрафіолетове випромінювання (від лат. ultra — «за межами»), скорочено УФ — випромінювання або ультрафіолет — невидиме оком людини електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між видимим і рентгенівським випромінюваннями в межах (380 — 10 нм, 7,9·10¹⁴ — 3·10¹⁶ Гц).

Відкрито в 1801 році німецьким вченим Н. Ріттером і англійським вченим У. Волластоном за фотохімічним впливом випромінювання на хлористе срібло (AgCl).

Джерела ультрафіолетового випромінювання.

Випромінювання розжарених до 3000 K твердих тіл містить помітну частку ультрафіолетового випромінювання неперервного спектру, інтенсивність якого зростає із збільшенням температури. Сильніше ультрафіолетове випромінювання випускає плазма газового розряду.

Для різних застосувань промисловість випускає ртутні, водневі, ксенонові та ін. газорозрядні лампи, вікна в яких (або цілком колби) виготовляють з прозорих для УФ-випромінювання матеріалів (частіше з кварцу). Будь-яка високотемпературна плазма є потужним джерелом УФ-випромінювання.

Природні джерела ультрафіолетового випромінювання — Сонце, зірки, туманності й ін. космічні об'єкти. Проте лише довгохвильова частина цього випромінювання досягає земної поверхні. Більш короткохвильове випромінювання поглинається озоном, киснем та іншими компонентами атмосфери на висоті 30—200 км від поверхні Землі, що відіграє велику роль в атмосферних процесах.

Застосування

Вивчення спектрів випромінювання, поглинання і відбиття в УФ-області дозволяє визначати електронну структуру атомів, іонів, молекул, а також твердих тіл. УФ-спектри Сонця, зірок несуть інформацію про фізичні процеси, що відбуваються в гарячих областях цих космічних об'єктів. На фотоефекті, що викликається УФ-випромінюванням, заснована фотоелектронна спектроскопія. УФ-випромінювання може порушувати хімічні зв'язки в молекулах, внаслідок чого можуть відбуватися різні хімічні реакції (окислення, відновлення, розклад).

Люмінесценція під дією УФ-випромінювання використовується при створенні люмінесцентних ламп, фарб, що світяться, в люмінесцентному аналізі і люмінесцентній дефектоскопії.

Ультрафіолетове випромінювання застосовується в криміналістиці для встановлення ідентичності фарбників, автентичності документів тощо.

В мистецтвознавстві дозволяє знайти на картинах невидимі оком сліди реставрації. 

Здатність багатьох речовин до вибіркового поглинання ультрафіолетового випромінювання використовується для виявлення в атмосфері шкідливих домішок.

Біологічна дія та захист

На людину і тварин малі дози УФ-випромінювання впливають благотворно — сприяють утворенню вітамінів групи D, покращують імунобіологічні властивості організму. Характерною реакцією шкіри на УФ-випромінювання є специфічне почервоніння, яке переходить в захисну пігментацію — «засмагу». Великі дози УФ-випромінювання можуть викликати пошкодження очей (фотоофтальмію) і опік шкіри. Часті і надмірні дози в деяких випадках можуть зумовлювати канцерогенну дію на шкіру. Для захисту очей від шкідливого впливу ультрафіолетового випромінювання використовуються спеціальні захисні окуляри, що затримують до 100% ультрафіолетового випромінювання і прозорі у видимому спектрі.

Рентгенівське випромінювання

Рентгенівське випромінювання — короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 0,005 нм до 10 нм, що відповідає частоті 3·10¹⁶ до 6·10¹⁹ Гц. 

Властивості рентгенівського випромінювання

Рентгенівські промені слабо взаємодіють із речовиною, завдяки чому мають велику проникність. Крім поглинання рентгенівські промені також розсіюються в речовині, змінюючи напрям розповсюдження. Рентгенівські промені небезпечні й робота з ними вимагає особливої уваги.

Відкриття рентгенівського випромінювання

Перші вакуумні трубки для одержання X – променів були створені видатним Українським фізиком Іваном Пулюєм. Він перший довів, що випромінювання з вакуумних трубок, по яких проходить електричний струм, має хвильові властивості. учений не тільки встановив їх природу, а й дослідив їх властивості. Але сталося так, що про відкриття нового виду випромінювання першим повідомив німецький фізик Вільгельм Рентген у 1895. Після публікації В. Рентгена відкрите випромінювання почали називати рентгенівськими.

Застосування

Рентгенівські промені застосовують в науці, техніці, медицині.

За допомогою рентгенівських променів можна «просвітити» людське тіло, в результаті чого можна отримати зображення кісток, а в сучасних приладах і внутрішніх органів. Крім звичайних приладів, які дають двовимірну проекцію досліджуваного об'єкта, існують комп'ютерні томографи, які дозволяють отримувати об'ємне зображення внутрішніх органів.

Виявлення дефектів у виробах (рейках, зварювальних швах і т. д.) за допомогою рентгенівського випромінювання — рентгенівська дефектоскопія.

Рентгенівські промені використовуються для вивчення структури речовин на атомному рівні за допомогою дифракційного розсіювання рентгенівського випромінювання (рентгеноструктурний аналіз). Відомим прикладом є визначення структури ДНК у 1953 році.

За допомогою рентгенівських променів може бути визначений хімічний склад речовини.

Гамма випромінювання.

Гамма-випромінювання (гамма-промені, γ-промені) - вид електромагнітного випромінювання з надзвичайно малою довжиною хвилі - (10^-10 м) і яскраво вираженими корпускулярними і слабо вираженими хвильовими властивостями.

Гамма-випромінювання було відкрито французьким фізиком Полем Віллардом в 1900 році при дослідженні випромінювання радію.

Властивості

Гамма-промені, на відміну від α-випромінювання і β-випромінювання, не відхиляється електричними і магнітними полями, характеризуються високою проникаючою здатністю. Гамма-кванти викликають іонізацію атомів речовини.

Застосування

Гамма-дефектоскопія, контроль виробів просвічуванням γ-променями.

Консервування харчових продуктів.

Стерилізація медичних матеріалів і устаткування.

Променева терапія.

Гамма-стерилізація спецій, зерна, риби, м'яса та інших продуктів для збільшення терміну зберігання.

Висновки

Отже, ЕМХ бувають різної частоти (або довжини хвилі). Немає ніяких обмежень на частоту, не буває найменшої чи найбільшої довжини хвилі. Для наочного уявлення довжин ЕМХ, вивчених до цього часу, складено шкалу електромагнітних хвиль, яка охоплює довжину хвиль від10¹¹ до 10^-13 м (3∙10^-3 до 3∙10²¹ Гц). Умовні діапазони електромагнітних хвиль показано на шкалі. Діапазони електромагнітних хвиль виділено відповідно до способів їх випромінювання та способів реєстрації.

Усі види електромагнітних випромінювань поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю, а їх властивості залежать від частоти.

Задачі

1. Робота з підручником. Виконати вправу 22 (2).

2. Ультразвуковий ехолот випромінює коливання з частотою 40 кГц. Яка довжина ультразвукової хвилі у морській воді?

3. Яка частота коливань відповідає фіолетовим ( λ = 0,4 мкм) променям світла?

Запитання

1. Що являє собою електромагнітна хвиля?

2. З якою швидкістю поширюються електромагнітні хвилі?

Домашнє завдання. 

Опрацювати § 22, 23, виконати вправу 23 (3).

Підготувати проекти на теми

Трансформатори і передача енергії.

Особливості випромінювання і приймання електромагнітних хвиль.

Роль електромагнітних хвиль у повсякденному житті людини.

Тема. Контрольна робота з теми «Електромагнітні коливання та хвилі»

1 варіант

1. Який опір має конденсатор ємністю 4 мкФ у колі з частотою змінного струму 400 Гц?

2. Під час прийому сигналів на довжині хвилі 3 м індуктивність вхідного контуру приймача 40 нГн. Яка ємність вхідного приймального контуру приймача?

3. Яка частота коливань відповідає фіолетовим ( λ = 0,4 мкм) променям світла?

4. Ємнісний опір конденсатора в колі змінного струму із частотою 50 Гц дорівнює 800 Ом. Яка ємність конденсатора?

5. Коли ємність конденсатора вхідного коливального контуру радіоприймача 40 пФ, радіоприймач настроєно на довжину хвилі 24 м. Яка індуктивність контуру?

6. Яка швидкість світла у воді, якщо при частоті 440∙10¹² Гц довжина хвилі 0,51 мкм?

2 варіант

1. Який ємнісний опір має конденсатор ємністю 5 мкФ в колі змінного струму з частотою 50 Гц?

2. На якій довжині хвилі може прийняти сигнал радіоприймач, якщо індуктивність контуру 1,5 мГн, а його ємність75 пФ?

3. Яка частота коливань відповідає червоним ( λ = 0,76 мкм) променям світла?

4. При якій частоті змінного руху індуктивний опір провідника з індуктивністю 0.2 Гн дорівнює 200 Ом?

5. Яку ємність потрібно взяти в коливальному контурі, щоб при індуктивності 250 мГн його можна було налаштувати на звукову частоту 500 Гц?

6. Електромагнітні хвилі поширюються в певному однорідному середовищі зі швидкістю 2∙10⁸ м/с. Яку довжину хвилі мають електромагнітні коливання в цьому середовищі, якщо їхня частота у вакуумі 1 МГц?

Домашнє завдання

Повторити § 21, 23