Содержание

Точечный заряд. Единицы измерения заряда. Закон Кулона

В электростатике одним из основополагающих является закон Кулона. Он применяется в физике для определения силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов или расстояния между ними. Это фундаментальный закон природы, который не зависит ни от каких других законов. Тогда форма реального тела не влияет на величину сил. В этой статье мы расскажем простым языком закон Кулона и его применение на практике.

История открытия

Ш.О. Кулон в 1785 г. впервые экспериментально доказал взаимодействия описанные законом. В своих опытах он использовал специальные крутильные весы. Однако еще в 1773 г. было доказано Кавендишем, на примере сферического конденсатора, что внутри сферы отсутствует электрическое поле. Это говорило о том, что электростатические силы изменяются в зависимости от расстояния между телами. Если быть точнее — квадрату расстояния. Тогда его исследования не были опубликованы.

Исторически сложилось так, что это открытие было названо в честь Кулона, аналогичное название носит и величина, в которой измеряется заряд.

Формулировка

Определение закона Кулона гласит: В вакууме F взаимодействия двух заряженных тел прямо пропорционально произведению их модулей и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

Звучит кратко, но может быть не всем понятно. Простыми словами: Чем больший заряд имеют тела и чем ближе они находятся друг к другу, тем больше сила.

И наоборот: Если увеличить расстояние межу зарядами — сила станет меньше.

Формула правила Кулона выглядит так:

Обозначение букв: q — величина заряда, r — расстояние межу ними, k — коэффициент, зависит от выбранной системы единиц.

Величина заряда q может быть условно-положительной или условно-отрицательной. Это деление весьма условно. При соприкосновении тел она может передаваться от одного к другому. Отсюда следует, что одно и то же тело может иметь разный по величине и знаку заряд.

Точечным называется такой заряд или тело, размеры которого много меньше, чем расстояние возможного взаимодействия.

Стоит учитывать что среда, в которой расположены заряды, влияет на F взаимодействия. Так как в воздухе и в вакууме она почти равна, открытие Кулона применимо только для этих сред, это одно из условий применения этого вида формулы. Как уже было сказано, в системе СИ единица измерения заряда — Кулон, сокращено Кл. Она характеризует количество электричества в единицу времени. Является производной от основных единиц СИ.

1 Кл = 1 А*1 с

Стоит отметить, что размерность 1 Кл избыточна. Из-за того что носители отталкиваются друг от друга их сложно удержать в небольшом теле, хотя сам по себе ток в 1А небольшой, если он протекает в проводнике. Например в той же лампе накаливания на 100 Вт течет ток в 0,5 А, а в электрообогревателе и больше 10 А. Такая сила (1 Кл) примерно равна действующей на тело массой 1 т со стороны земного шара.

Вы могли заметить, что формула практически такая же, как и в гравитационном взаимодействии, только если в ньютоновской механике фигурируют массы, то в электростатике — заряды.

Формула Кулона для диэлектрической среды

Коэффициент с учетом величин системы СИ определяется в Н 2 *м 2 /Кл 2 . Он равен:

Во многих учебниках этот коэффициент можно встретить в виде дроби:

Здесь Е 0 = 8,85*10-12 Кл2/Н*м2 — это электрическая постоянная. Для диэлектрика добавляется E — диэлектрическая проницаемость среды, тогда закон Кулона может применяться для расчетов сил взаимодействия зарядов для вакуума и среды.

С учетом влияния диэлектрика имеет вид:

Отсюда мы видим, что введение диэлектрика между телами снижает силу F.

Как направлены силы

Заряды взаимодействуют друг с другом в зависимости от их полярности — одинаковые отталкиваются, а разноименные (противоположные) притягиваются.

Кстати это главное отличие от подобного закона гравитационного взаимодействия, где тела всегда притягиваются. Силы направлены вдоль линии, проведенной между ними, называют радиус-вектором. В физике обозначают как r 12 и как радиус-вектор от первого ко второму заряду и наоборот. Силы направлены от центра заряда к противоположному заряду вдоль этой линии, если заряды противоположны, и в обратную сторону, если они одноименные (два положительных или два отрицательных). В векторном виде:

Сила, приложенная к первому заряду со стороны второго обозначается как F 12. Тогда в векторной форме закон Кулона выглядит следующим образом:

Для определения силы приложенной ко второму заряду используются обозначения F 21 и R 21 .

Если тело имеет сложную форму и оно достаточно большое, что при заданном расстоянии не может считаться точечным, тогда его разбивают на маленькие участки и считают каждый участок как точечный заряд. После геометрического сложения всех получившихся векторов получают результирующую силу. Атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом по этому же закону.

Применение на практике

Работы Кулона очень важны в электростатике, на практике они применяется в целом ряде изобретений и устройств. Ярким примером можно выделить молниеотвод. С его помощью защищают здания и электроустановки от грозы, предотвращая тем самым пожар и выход из строя оборудования. Когда идёт дождь с грозой на земле появляется индуцированный заряд большой величины, они притягиваются в сторону облака. Получается так, что на поверхности земли появляется большое электрическое поле. Возле острия молниеотвода оно имеет большую величину, в результате этого от острия зажигается коронный разряд (от земли, через молниеотвод к облаку). Заряд от земли притягивается к противоположному заряду облака, согласно закону Кулона. Воздух ионизируется, а напряженность электрического поля уменьшается вблизи конца молниеотвода. Таким образом, заряды не накапливаются на здании, в таком случае вероятность удара молнии мала. Если же удар в здание и произойдет, то через молниеотвод вся энергия уйдет в землю.

В серьезных научных исследованиях применяют величайшее сооружение 21 века – ускоритель частиц. В нём электрическое поле выполняет работу по увеличению энергии частицы. Рассматривая эти процессы с точки зрения воздействия на точечный заряд группой зарядов, тогда все соотношения закона оказываются справедливыми.

Полезное

Понятие электричества. Электризация. Проводники, полупроводники и диэлектрики. Элементарный заряд и его свойства. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Электрическое поле как проявления взаимодействия. Электрическое поле элементарного диполя.

Термин электричество происходит от греческого слова электрон (янтарь).

Электризацией называют процесс сообщения телу электрического

заряда. Этот термин ввел в 16 веке английский ученый и врач Джилберт.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД – ЭТО ФИЗИЧЕСКАЯ СКАЛЯРНАЯ ВЕЛИЧИНА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩАЯ СВОЙСТВА ТЕЛ ИЛИ ЧАСТИЦ ВСТУПАТЬ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, И ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ СИЛУ И ЭНЕРГИЮ ЭТИХ ВЗВИМОДЕЙСТВИЙ.

Свойства электрических зарядов:

1.В природе существуют два типа электрических зарядов. Положительные (возникают на стекле потертом о кожу) и отрицательные(возникают на эбоните потертом о мех).

2. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются.

3. Электрический заряд НЕ СУЩЕСТВУЕТ БЕЗ ЧАСТИЦ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА (электрон, протон, позитрон и др.).Например с электрона и др. элементарных заряженных частиц нельзя снять э/заряд.

4.Электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е (е = 1,6 10 -19 Кл). Электрон (т е = 9,11 10 -31 кг) и протон (т р = 1,67 10 -27 кг ) являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.(Известны частицы с дробным электрическим зарядом: – 1/3 е и 2/3 е – это кварки и антикварки , но в свободном состоянии они не обнаружены).

5. Электрический заряд – величина релятивистски инвариантная , т.е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

6. Из обобщения опытных данных установлен фундаментальный закон природы закон сохранения заряда: алгебраическая сум-

ма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.

Закон экспериментально подтвержден в 1843 г. английским физиком

М. Фарадеем ( 1791- 1867) и др., подтвержден рождением и аннигиляцией частиц и античастиц.

Единица электрического заряда (производная единица, так как определяется через единицу силы тока) – кулон (Кл): 1 Кл – электрический заряд,

проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1с.

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться различными способами: соприкосновением (трением), электростатической индукцией

и др. Всякий процесс заряжения сводится к разделению зарядов, при котором на одном из тел (или части тела) появляется избыток положительного заряда, а на другом (или другой части тела) – избыток отрицательного заряда. Общее количество зарядов обоих знаков, содержащихся в телах, не изменяется: эти заряды только перераспределяются между телами.

Электризация тел возможна потому, что тела состоят из заряженных частиц. В процессе электризации тел могут перемещаться, находящиеся в свободном состоянии, электроны и ионы. Протоны остаются в ядрах.

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники .

Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемешаться по всему его объему. Проводники делятся на две группы:

1) проводники первого рода (металлы) – перенос в

них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими

превращениями;

2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, ра-

створы кислот) – перенос в них зарядов (положительных и отрицательных

ионов) ведет к химическим изменениям.

Диэлектрики (например, стекло, пластмассы) – тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (например, германий, кремний) занимают

промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Указанное деление тел является весьма условным, однако большое различие в них концентраций свободных зарядов обусловливает огромные качественные различия в их поведении и поэтому оправдывает деление тел на проводники, диэлектрики и полупроводники.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА – наука о неподвижных зарядах

Закон Кулона.

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов

Экспериментально установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов.

подобных тем, которые использовались Г. Кавендишем для определения гравитационной постоянной (ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем, однако его работа оставалась неизвестной более 100 лет).

Точечным зарядом, называется заряженное тело или частица, размерами которых можно пренебречь, по сравнению с расстоянием до них.

Закон Кулона: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам q 1 и q 2 , и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними :

k коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы

В СИ

Величина ε 0 называется электрической постоянной; она относится к

числу фундаментальных физических постоянных и равна:

ε 0 = 8,85 ∙10 -12 Кл 2 /Н∙м 2

векторной форме закон Кулона в вакууме имеет вид:

где – радиус вектор, соединяющий второй заряд с первым, F 12 – сила, действующая со стороны второго заряда на первый.

Точность выполнения закона Кулона на больших расстояниях, вплоть до

10 7 м, установлена при исследовании магнитного поля с помощью спутников

в околоземном пространстве. Точность же его выполнения на малых расстояниях, вплоть до 10 -17 м, проверена экспериментами по взаимодействию элементарных частиц.

Закон Кулона в среде

Во всех средах сила кулоновского взаимодействия меньше по сравнению с силой взаимодействием в вакууме или воздухе. Физическая величина, показывающая во сколько раз сила электростатического взаимодействия в вакууме больше, чем в данной среде, называется диэлектрической проницаемостью среды и обозначается буквой ε.

ε = F в вакууме / F в среде

Закон кулона в общем виде в СИ:

Свойства Кулоновских сил.

1.Кулоновские силы – это силы центрального типа, т.к. направлены вдоль прямой, соединяющей заряды

Кулоновская сила является силой притяжения, если знаки зарядов разные и силой отталкивания, если знаки зарядов одинаковые

3. Длякулоновских сил справедлив 3 закон Ньютона

4.Кулоновские силы подчиняются принципу независимости или суперпозиции, т.к. сила взаимодействия между двумя точечными зарядами не изменятся при появлении вблизи других зарядов. Результирующая сила электростатического взаимодействия, действующая на данный заряд, равна векторной сумме сил взаимодействия данного заряда с каждым зарядом системы отдельно.

F= F 12 +F 13 +F 14 + ∙∙∙ +F 1 N

Взаимодействия между зарядами осуществляются посредством электрического поля. Электрическое поле – это особая форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов. Электрическое поле проявляет себя тем, что на любой другой заряд внесенный в это поле оно действует с силой. Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами и распространяется в пространстве с конечной скоростью с.

Силовая характеристика электрического поля называется напряженностью.

Напряженностью электрического в некоторой точке называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку, к модулю этого заряда.

Напряженность поля точечного заряда q:

Принцип суперпозиции: напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в этой точке каждым зарядом в отдельности (в отсутствие других зарядов).

Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Впервые закон взаимодействия неподвижных зарядов был открыт французским физиком Ш. Кулоном в 1785 г. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению их модулей и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. 9 \) – Коэффициент пропорциональности в законе Кулона

Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: \(\vec{F}_{12}=\vec{F}_{21} \) . Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q .

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

    Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

    Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

    Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.

Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.

Отметим, чтоб выполнялся закон Кулона необходимо 3 условия:

  • Точечность зарядов – то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров.
  • Неподвижность зарядов . Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд.
  • Взаимодействие зарядов в вакууме .

В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл) .

Кулон – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А . Единица силы тока (Ампер) в СИ является наряду с единицами длины, времени и массы основной единицей измерения.

В вашем браузере отключен Javascript. {-2}\,{\text{м}}} \)

\(\displaystyle{\varepsilon = 1} \)

\(\displaystyle{q} – ? \)

Решение

Поскольку шарики одинаковы, то на каждый шарик действуют одинаковые силы: сила тяжести \(\displaystyle{m \vec g} \), сила натяжения нити \(\displaystyle{\vec T} \)и сила кулоновского взаимодействия (отталкивания) \(\displaystyle{\vec F} \). На рисунке показаны силы, действующие на один из шариков. Поскольку шарик находится в равновесии, сумма всех сил, действующих на него, равна 0. Кроме того, сумма проекций сил на оси \(\displaystyle{OX} \) и \(\displaystyle{OY} \)равна 0:

\(\begin{equation} {{\mbox{на ось }} {OX} : \atop { \mbox{ на ось }} {OY} : }\quad \left\{\begin{array}{ll} F-T\sin{\alpha} & =0 \\ T\cos{\alpha}-mg & =0 \end{array}\right. \quad{\text{или}}\quad \left\{\begin{array}{ll} T\sin{\alpha} & =F \\ T\cos{\alpha} & = mg \end{array}\right. \end{equation} \)

Решим совместно эти уравнения. Разделив первое равенство почленно на второе, получим:

\(\begin{equation} {\mbox{tg}\,}= {F\over mg}\,. {-9}\,{\text{Кл}}} \)\(\displaystyle{\ell=10\,{\text{см}}} \)\(\displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \)\(\displaystyle{R=2\,{\text{см}}} \) \(\displaystyle{\varepsilon = 1} \) \(\displaystyle{A} \) – ?

Решение

Работа, которую необходимо совершить, чтобы перенести заряд из точки с потенциалом \(\displaystyle{\varphi_1} \) в точку с потенциалом \(\displaystyle{\varphi_2} \) , равна изменению потенциальной энергии точечного заряда, взятому с обратным знаком:

\(\begin{equation} A=-\Delta W_n\,. \end{equation} \)

Известно, что \(\displaystyle{A=-q(\varphi_2-\varphi_1) } \) или

\(\begin{equation} A=q(\varphi_1-\varphi_2) \,. \end{equation} \)

Поскольку точечный заряд первоначально находится на бесконечности, то потенциал в этой точке поля равен 0: \(\displaystyle{\varphi_1=0} \) .

Определим потенциал в конечной точке, то есть \(\displaystyle{\varphi_2} \) .

Пусть \(\displaystyle{Q_{\text{ш}}} \) – заряд шарика. По условию задачи потенциал шарика известен (\(\displaystyle{\varphi_{\text{ш}}=200\,{\text{В}}} \)) , тогда:

\(\begin{equation} \varphi_{\text{ш}}={Q_{\text{ш}}\over 4\pi\varepsilon_o\varepsilon R}\, \end{equation} \)

\(\begin{equation} {\text{откуда}}\quad Q_{\text{ш}}=\varphi_{\text{ш}}\cdot 4\pi\varepsilon_o\varepsilon R\,. 9\) Н·м 2 /Кл 2 , где ε 0 – электрическая постоянная, равная 8,85·10 -12 Кл 2 /Н·м 2 .

Формулировка закона :

сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эту силу называют кулоновской .

Закон Кулона в данной формулировке справедлив только для точечных заряженных тел, т.к. только для них понятие расстояния между зарядами имеет определенный смысл. Точечных заряженных тел в природе нет. Но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно, как показывает опыт, не влияют на взаимодействие между ними. В этом случае тела можно рассматривать как точечные.

Легко обнаружить, что два заряженных шарика, подвешенные на нитях, либо притягиваются друг к другу, либо отталкиваются. Отсюда следует, что силы взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела. 3_{1,2}} \cdot \vec r_{1,2}\) . (2)

Если знаки зарядов q 1 и q 2 одинаковы, то направление силы \(~\vec F_{1,2}\) совпадает с направлением вектора \(~\vec r_{1,2}\) ; в противном случае векторы \(~\vec F_{1,2}\) и \(~\vec r_{1,2}\) направлены в противоположные стороны.

Зная закон взаимодействия точечных заряженных тел, можно вычислить силу взаимодействия любых заряженных тел. Для этого тела нужно мысленно разбить на такие малые элементы, чтобы каждый из них можно было считать точечным. Складывая геометрически силы взаимодействия всех этих элементов друг с другом, можно вычислить результирующую силу взаимодействия.

Открытие закона Кулона – первый конкретный шаг в изучении свойств электрического заряда. Наличие электрического заряда у тел или элементарных частиц означает, что они взаимодействуют друг с другом по закону Кулона. Никаких отклонений от строгого выполнения закона Кулона в настоящее время не обнаружено.

Опыт Кулона

Необходимость проведения экспериментов Кулона была вызвана тем, что в середине XVIII в. 4}{l} \cdot \varphi\) ,

где d – диаметр, l – длина проволоки, φ – угол закручивания. В приведенном математическом выражении коэффициент пропорциональности k находился опытным путем и зависел от природы материала, из которого изготавливалась проволока.

Данная закономерность была использована в так называемых крутильных весах. Созданные весы позволили измерить ничтожно малые силы порядка 5·10 -8 Н.

Рис. 3

Крутильные весы (рис. 3, а) состояли из легкого стеклянного коромысла 9 длиной 10,83 см, подвешенного на серебряной проволоке 5 длиной около 75 см, диаметром 0,22 см. На одном конце коромысла располагался позолоченный бузиновый шарик 8 , а на другом – противовес 6 – бумажный кружок, смоченный в скипидаре. Верхний конец проволоки прикреплялся к головке прибора 1 . Здесь же имелся указатель 2 , с помощью которого отсчитывался угол закручивания нити по круговой шкале 3 . Шкала была проградуирована. Вся эта система размещалась в стеклянных цилиндрах 4 и 11 . В верхней крышке нижнего цилиндра имелось отверстие, в которое вставлялась стеклянная палочка с шариком 7 на конце. В опытах применялись шарики с диаметрами в пределах 0,45 – 0,68 см.

Перед началом эксперимента указатель головки устанавливался на нулевой отметке. Затем шарик 7 заряжался от предварительно наэлектризованного шарика 12 . При соприкосновении шарика 7 с подвижным шариком 8 происходило перераспределение заряда. Однако из-за того, что диаметры шариков были одинаковыми, одинаковыми были и заряды на шариках 7 и 8 .

Вследствие электростатического отталкивания шариков (рис. 3, б) коромысло 9 поворачивалось на некоторый угол γ (по шкале 10 ). С помощью головки 1 это коромысло возвращалось в исходное положение. По шкале 3 указатель 2 позволял определять угол α закручивания нити. Общий угол закручивания нити φ = γ + α . Сила же взаимодействия шариков была пропорциональна φ , т. е. по углу закручивания можно судить о величине этой силы.

При неизменном расстоянии между шариками (оно фиксировалось по шкале 10 в градусной мере) исследовалась зависимость силы электрического взаимодействия точечных тел от величины заряда на них.

Для определения зависимости силы от заряда шариков Кулон нашел простой и остроумный способ изменения заряда одного из шариков. Для этого он соединял заряженный шарик (шарики 7 или 8 ) с таким же по размерам незаряженным (шарик 12 на изолирующей ручке). Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало исследуемый заряд в 2, 4 и т. д. раз. Новое значение силы при новом значении заряда опять определялось экспериментально. При этом выяснилось, что сила прямо пропорциональна произведению зарядов шариков :

\(~F \sim q_1 \cdot q_2\) .

Зависимость силы электрического взаимодействия от расстояния была обнаружена следующим образом. 2}\) .

Литература

  1. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. для углубленного изучения физики / Г.Я. Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. – М.: Дрофа, 2005. – 476 с.
  2. Вольштейн С. Л. и др. Методы физической науки в школе: Пособие для учителя / С.Л. Вольштейн, С.В. Позойский, В.В. Усанов; Под ред. С.Л. Вольштейна. – Мн.: Нар. асвета, 1988. – 144 с.

Самые часто задаваемые вопросы

Возможно ли, изготовить печать на документе по предоставленному образцу? Ответ Да, возможно. Отправьте на наш электронный адрес скан-копию или фото хорошего качества, и мы изготовим необходимый дубликат.

Какие виды оплаты вы принимаете? Ответ Вы можете оплатить документ во время получения на руки у курьера, после того, как проверите правильность заполнения и качество исполнения диплома. Также это можно сделать в офисе почтовых компаний, предлагающих услуги наложенного платежа.
Все условия доставки и оплаты документов расписаны в разделе «Оплата и доставка». Также готовы выслушать Ваши предложения по условиям доставки и оплаты за документ.

Могу ли я быть уверена, что после оформления заказа вы не исчезнете с моими деньгами? Ответ В сфере изготовления дипломов у нас достаточно длительный опыт работы. У нас есть несколько сайтов, который постоянно обновляются. Наши специалисты работают в разных уголках страны, изготавливая свыше 10 документов день. За годы работы наши документы помогли многим людям решить проблемы трудоустройства или перейти на более высокооплачиваемую работу. Мы заработали доверие и признание среди клиентов, поэтому у нас совершенно нет причин поступать подобным образом. Тем более, что это просто невозможно сделать физически: Вы оплачиваете свой заказ в момент получения его на руки, предоплаты нет.

Могу я заказать диплом любого ВУЗа? Ответ В целом, да. Мы работаем в этой сфере почти 12 лет. За это время сформировалась практически полная база выдаваемых документов почти всех ВУЗов страны и за разные года выдачи. Все, что Вам нужно – выбрать ВУЗ, специальность, документ, и заполнить форму заказа.

Что делать при обнаружении в документе опечаток и ошибок? Ответ Получая документ у нашего курьера или в почтовой компании, мы рекомендуем тщательно проверить все детали. Если будет обнаружена опечатка, ошибка или неточность, Вы имеете право не забирать диплом, при этом нужно указать обнаруженные недочеты лично курьеру или в письменном виде, отправив письмо на электронную почту.
В кратчайшие сроки мы исправим документ и повторно отправим на указанный адрес. Разумеется, пересылка будет оплачена нашей компанией.
Чтобы избежать подобных недоразумений, перед тем, как заполнять оригинальный бланк, мы отправляем на почту заказчику макет будущего документа, для проверки и утверждения окончательного варианта. Перед отправкой документа курьером или почтой мы также делаем дополнительное фото и видео (в т. ч. в ультрафиолетовом свечении), чтобы Вы имели наглядное представление о том, что получите в итоге.

Что нужно сделать, чтобы заказать диплом в вашей компании? Ответ Для заказа документа (аттестата, диплома, академической справки и др.) необходимо заполнить онлайн-форму заказа на нашем сайте или сообщить свою электронную почту, чтобы мы выслали вам бланк анкеты, который нужно заполнить и отправить обратно нам.
Если вы не знаете, что указать в каком-либо поле формы заказа/анкеты, оставьте их незаполненными. Всю недостающую информацию мы потому уточним в телефонном режиме.

Последние отзывы

Валентина:

Вы спасли нашего сына от увольнения! Дело в том что недоучившись в институте, сын пошел в армию. А вернувшись, восстанавливаться не захотел. Работал без диплома. Но недавно начали увольнять всех, кто не имеет «корочки. Поэтому решили обратиться к вам и не пожалели! Теперь спокойно работает и ничего не боится! Спасибо!

Единицы измерения заряда. Закон Кулона. Точечный заряд

Основной закон взаимодействия электрических зарядов был найден Шарлем Кулоном в 1785 г. экспериментально. Кулон установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими заряженными металлическими шариками обратно пропорциональна квадрату расстояниямежду ними и зависит от величины зарядови:

,

где –коэффициент пропорциональности
.

Силы, действующие на заряды , являются центральными , то есть они направлены вдоль прямой, соединяющей заряды.


Закон Кулона можно записать в векторной форме :
,

где –со стороны заряда,

– радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом;

– модуль радиус-вектора.

Сила, действующая на заряд со стороныравна
,
.

Закон Кулона в такой форме

    справедлив только для взаимодействия точечных электрических зарядов , то есть таких заряженных тел, линейными размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними.

    выражает силу взаимодействия между неподвижными электрическими зарядами, то есть это электростатический закон.

Формулировка закона Кулона :

Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними .

Коэффициент пропорциональности в законе Кулоназависит

    от свойств среды

    выбора единиц измерения величин, входящих в формулу.

Поэтому можно представить отношением
,

где –коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц измерения ;

– безразмерная величина, характеризующая электрические свойства среды, называется относительной диэлектрической проницаемостью среды . Она не зависит от выбора системы единиц измерения и равна единице в вакууме.

Тогда закон Кулона примет вид:
,

для вакуума
,

тогда
относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами и, находящимися друг от друга на расстоянии, меньше, чем в вакууме.

В системе СИ коэффициент
, и

закон Кулона имеет вид :
.

Это рационализированная запись закона К улона.

– электрическая постоянная,
.

В системе СГСЭ
,
.

В векторной форме закон Кулона принимает вид

где –вектор силы, действующей на заряд со стороны заряда ,


– радиус-вектор, соединяющий заряд с зарядом

r –модуль радиус-вектора .

Всякое заряженное тело состоит из множества точечных электрических зарядов, поэтому электростатическая сила, с которой одно заряженное тело действует на другое, равна векторной сумме сил, приложенных ко всем точечным зарядам второго тела со стороны каждого точечного заряда первого тела.

1.3.Электрическое поле. Напряженность.

Пространство, в котором находится электрический заряд, обладает определенными физическими свойствами .

    На всякий другой заряд, внесенный в это пространство, действуют электростатические силы Кулона.

    Если в каждой точке пространства действует сила, то говорят, что в этом пространстве существует силовое поле.

    Поле наряду с веществом является формой материи.

    Если поле стационарно, то есть не меняется во времени, и создается неподвижными электрическими зарядами, то такое поле называется электростатическим.

Электростатика изучает только электростатические поля и взаимодействия неподвижных зарядов.

Для характеристики электрического поля вводят понятие напряженности . Напряженность ю в каждой точке электрического поля называется вектор , численно равный отношению силы, с которой это поле действует на пробный положительный заряд, помещенный в данную точку, и величины этого заряда, и направленный в сторону действия силы.

Пробный заряд , который вносится в поле, предполагается точечным и часто называется пробным зарядом.

Он не участвует в создании поля, которое с его помощью измеряется.

Предполагается, что этот заряд не искажает исследуемого поля, то есть он достаточно мал и не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле.

Если на пробный точечный заряд поле действует силой, то напряженность
.

Единицы напряженности:

СИ:

СГСЭ:

В системе СИ выражение для поля точечного заряда :

.

В векторной форме:

Здесь – радиус-вектор, проведенный из зарядаq , создающего поле, в данную точку.

Т
аким образом,векторы напряженности электрического поля точечного заряда q во всех точках поля направлены радиально (рис.1.3)

– от заряда, если он положительный, «исток»

– и к заряду, если он отрицательный «сток»

Для графической интерпретации электрического поля вводят понятие силовой линии или линии напряженности . Это

    кривая , касательная в каждой точке к которой совпадает с вектором напряженности .

    Линия напряженности начинается на положительном заряде и заканчивается на отрицательном.

    Линии напряженности не пересекаются, так как в каждой точке поля вектор напряженности имеет лишь одно направление.

Тема 1.1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ.

Раздел 1 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ

1. Электризация тел. Понятие о величине заряда.

Закон сохранения заряда.

2. Силы взаимодействия между зарядами.

Закон Кулона.

3. Диэлектрическая проницаемость среды.

4. Международная система единиц в электричестве.

1. Электризация тел. Понятие о величине заряда.

Закон сохранения заряда.

Если две поверхности привести в плотное соприкосновение, то возможен переход электронов с одной поверхности на другую, при этом на этих поверхностях появляются электрические заряды.

Это явление называется ЭЛЕКТРИЗАЦИЕЙ. При трении площадь плотного соприкосновения поверхностей увеличивается, увеличивается и величина заряда на поверхности – такое явление называют ЭЛЕКТРИЗАЦИЕЙ ТРЕНИЕМ.

В процессе электризации происходит перераспределение зарядов, в результате которого обе поверхности заряжаются равными по величине, противоположными по знаку зарядами.

Т.к. все электроны имеют одинаковые заряды (отриц.) е = 1,6 10Кл, то для того, чтобы определить величину заряда на поверхности (q), необходимо знать, сколько электронов в избытке или недостатке на поверхности (N) и заряд одного электрона.

В процессе электризации новые заряды не появляются и не исчезают, а только происходит их перераспределение между телами или частями тела, поэтому суммарный заряд замкнутой системы тел остается постоянным, в этом и заключается смысл ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЗАРЯДА.

2. Силы взаимодействия между зарядами.

Закон Кулона.

Электрические заряды взаимодействуют между собой, находясь на расстоянии, при этом одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Впервые выяснил опытным путем отчего зависит сила взаимодействия между зарядами французский ученый Кулон и вывел закон, названный законом КУЛОНА. Закон фундаментальный т.е. основан на опытах. При выводе этого закона Кулон использовал крутильные весы.

3) k – коэффициент, выражающий зависимость от окружающей среды.

Формула закона Кулона.

Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами прямо пропорциональны произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними, и зависит от среды, в которой находятся эти заряды, и направлена вдоль прямой, соединяющей центры этих зарядов.

3. Диэлектрическая проницаемость среды.

Е – диэлектрическая проницаемость среды, зависит от окружающей заряды среды.

Е = 8,85*10 – физическая постоянная, диэлектрическая проницаемость вакуума.

Е – относительная диэлектрическая проницаемость среды, показывает во сколько раз сила взаимодействия между точечными зарядами в вакууме больше чем в данной среде. В вакууме самое сильное взаимодействие между зарядами.

4. Международная система единиц в электричестве.

Основной единицей для электричества в системе «СИ» является сила тока в 1А, все остальные единицы измерения являются производными от 1Ампера.

1Кл – количество электрического заряда, переносимого заряженными частицами через поперечное сечение проводника при силе тока в 1А за 1с.

q=N;

Тема 1.2 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

1. Электрическое поле – как особый вид материи.

6. Связь разности потенциалов с напряженностью электрического поля.

1. Электрическое поле – как особый вид материи.

В природе как вид материи существует электромагнитное поле. В разных случаях электромагнитное поле проявляет себя по – разному, так например около неподвижных зарядов проявляет себя только электрическое поле, которое называют электростатическим. Около подвижных зарядов можно обнаружить как электрическое, так и магнитное поля, которые в совокупности представляют ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ.

Рассмотрим свойства электростатических полей:

1) Электростатическое поле создается неподвижными зарядами, обнаружить такие поля можно

с помощью пробных зарядов (небольшой по величине положительный заряд), т. к. только на них электрическое поле оказывает силовое действие, которое подчиняется закону Кулона.

2. Напряженность электрического поля.

Эл.поле как вид материи обладает энергией, массой, распространяется в пространстве с конечной скоростью и теоретических границ не имеет.

Практически считается, что поля нет если оно не оказывает заметного действия на пробные заряды.

Так как обнаружить поле можно с помощью силового действия на пробные заряды, то основной характеристикой электрического поля является напряженность.

Если в одну и ту же точку электрического поля вносить разные по величине пробные заряды, то между действующей силой и величиной пробного заряда прямая пропорциональная зависимость.

Коэффициентом пропорциональности между действующей силой и величиной заряда является напряженность Е.

Е = -формула расчета напряженности электрического поля, если q = 1 Кл, то | E | = | F |

Напряженность является силовой характеристикой точек электрического поля, т. к. она численно равна силе, действующей на заряд в 1 Кл в данной точке электрического поля.

Напряженность – величина векторная, вектор напряженности по направлению совпадает с вектором силы, действующей на положительный заряд в данной точке электрического поля.

3. Линии напряженности электрического поля. Однородное электрическое поле.

Для того, чтобы наглядно можно было изображать электрическое поле, т.е. графически, используют линии напряженности электрического поля. Это такие линии, иначе называемые силовыми линиями, касательные к которым по направлению совпадают с векторами напряженности в точках электрического поля через которые эти линии проходят,

Линии напряженности обладают следующими свойствами:

1) Начинаются на полож. зарядах, заканчиваются – на отрицательных, или начинаются на положител. зарядах и уходят в бесконечность, или приходят из бесконечности и заканчиваются на положительных зарядах..

2) Эти линии непрерывны и нигде не пересекаются.

3) Густота линий (кол-во линий на единицу площади поверхности) и напряженность электрического поля находятся в прямой и пропорциональной зависимости.

В однородном электрическом поле напряженность во всех точках поля одинакова, графически такие поля изображаются параллельными линиями на равном расстоянии друг от друга. Такое поле можно получить между двумя параллельными плоскими заряженными пластинами на маленьком расстоянии друг от друга.

4. Работа по перемещению заряда в электрическом поле.

Поместим в однородное электрическое поле электрический заряд. Со стороны поля на заряд будут действовать силы. Если заряд перемещать, то может совершаться работа.

Совершенная работа на участках:

А = q E d – формула расчета работы по перемещению заряда в электрическом поле.

Вывод: Работа по перемещению заряда в электрическом поле от формы траектории не зависит, а она зависит от величины перемещаемого заряда (q) , напряженности поля (Е), а также от выбора начальной и конечной точек перемещения (d).

Если заряд в электрическом поле перемещать по замкнутому контуру, то совершаемая работа будет равна 0. Такие поля называются потенциальными полями. Тела в таких полях обладают потенциальной энергией, т.о. электрический заряд в любой точке электрического поля обладает энергией и совершаемая работа в электрическом поле равна разности потенциальных энергий заряда в начальной и конечной точках перемещения.

5. Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.

Если в данную точку электрического поля помещать разные по величине заряды, то потенциальная энергия заряда и его величина находятся в прямой пропорциональной зависимости.

-(фи) потенциал точки электрического поля

примем

Потенциал является энергетической характеристикой точек электрического поля, т.к. он численно равен потенциальной энергии заряда в 1 Кл в данной точке электрического поля.

На равных расстояниях от точечного заряда потенциалы точек поля одинаковы. Эти точки образуют поверхность равного потенциала, и такие поверхности называются эквипотенциальными поверхностями. На плоскости это окружности, в пространстве – это сферы.

Напряжение

Формулы расчета работы по перемещению заряда в электрическом поле.

1В – напряжение между точками электрического поля при перемещении в которых заряда в 1Кл совершается работа в 1 Дж.

– формула, устанавливающая связь между напряженностью электрического поля, напряжением и разностью потенциалов.

Напряженность численно равна напряжению или разности потенциалов между двумя точками поля взятыми вдоль одной силовой линии на расстоянии 1м. Знак (-) означает, что вектор напряженности всегда направлен в сторону точек поля с уменьшающимся потенциалом.

Публикации по материалам Д. Джанколи. “Физика в двух томах” 1984 г. Том 2.

Между электрическими зарядами действует сила. Как она зависит от величины зарядов и других факторов?
Этот вопрос исследовал в 1780-е годы французский физик Шарль Кулон (1736-1806). Он воспользовался крутильными весами, очень похожими на те, которые применял Кавендиш для определения гравитационной постоянной.
Если к шарику на конце стержня, подвешенного на нити, подности заряд, стержень слегка отклоняется, нить закручивается, и угол поворота нити будет пропорционален действующей между зарядами силе (крутильные весы). С помощью этого прибора Кулон определил зависимость силы от величины зарядов и расстояния между ними.

В те времена еще не было приборов для точного определения величины заряда, но Кулон сумел приготовить небольшие шарики с известным соотношением зарядов. Если заряженный проводящий шарик, рассуждал он, привести в соприкосновение с точно таким же незаряженным шариком, то имевшийся на первом заряд в силу симметрии распределится поровну между двумя шариками.
Это дало ему возможность получать заряды, составлявшие 1/2, 1/4 и т.д. от первоначального.
Несмотря на некоторые трудности, связанные с индуцированием зарядов, Кулону удалось доказать, что сила, с которой одно заряженное тело действует на другое малое заряженное тело, прямо пропорциональна электрическому заряду каждого из них.
Другими словами, если заряд любого из этих тел удвоить, то удвоится и сила; если же удвоить одновременно заряды обоих тел, то сила станет вчетверо больше. Это справедливо при условии, что расстояние между телами остается постоянным.
Изменяя расстояние между телами, Кулон обнаружил, что действующая между ними сила обратно пропорциональна квадрату расстояния: если расстояние, скажем, удваивается, сила становится вчетверо меньше.

Итак, заключил Кулон, сила, с которой одно малое заряженное тело (в идеальном случае -точечный заряд, т.е. тело, подобно материальной точке не имеющее пространственных размеров) действует на другое заряженное тело, пропорциональна произведению их зарядов Q 1 и Q 2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Здесь k -коэффициент пропорциональности.
Это соотношение известно как закон Кулона; его справедливость подтверждена тщательными экспериментами, гораздо более точными, чем первоначальные трудно воспроизводимые опыты Кулона. Показатель степени 2 установлен в настоящее время с точностью 10 -16 , т.е. он равен 2 ± 2×10 -16 .

Коль скоро мы теперь имеем дело с новой величиной – электрическим зарядом, мы можем подобрать такую единицу измерения, чтобы постоянная к в формуле равнялась единице. И действительно, такая система единиц еще недавно широко использовалась в физике.

Речь идет о системе СГС (сантиметр-грамм-секунда), в которой используется электростатическая единица заряда СГСЭ. По определению два малых тела, каждое с зарядом 1 СГСЭ, расположенные на расстоянии 1 см друг от друга, взаимодействуют с силой 1 дина.

Теперь, однако, заряд чаще всего выражают в системе СИ, где его единицей является кулон (Кл).
Точное определение кулона через электрический ток и магнитное поле мы приведем позднее.
В системе СИ постоянная k имеет величину k = 8,988×10 9 Нм 2 /Кл 2 .

Заряды, возникающие при электризации трением обычных предметов (расчески, пластмассовой линейки и т. п.), по порядку величины составляют микрокулон и меньше (1 мкКл = 10 -6 Кл).
Заряд электрона (отрицательный) приблизительно равен 1,602×10 -19 Кл. Это наименьший известный заряд; он имеет фундаментальное значение и обозначается символом е , его часто называют элементарным зарядом.
е = (1,6021892 ± 0,0000046)×10 -19 Кл, или е ≈ 1,602×10 -19 Кл.

Поскольку тело не может приобрести или потерять долю электрона, суммарный заряд тела должен быть целым кратным элементарного заряда. Говорят, что заряд квантуется (т.е. может принимать лишь дискретные значения). Однако, поскольку заряд электрона е очень мал, мы обычно не замечаем дискретности макроскопических зарядов (заряду 1 мкКл соответствуют примерно 10 13 электронов) и считаем заряд непрерывным.

Формула Кулона характеризует силу, с которой один заряд действует на другой. Эта сила направлена вдоль линии, соединяющей заряды. Если знаки зарядов одинаковы, то силы, действующие на заряды, направлены в противоположные стороны. Если же знаки зарядов различны, то действующие на заряды силы направлены навстречу друг другу.
Заметим, что в соответствии с третьим законом Ньютона сила, с которой один заряд действует на другой, равна по величине и противоположна по направлению силе, с которой второй заряд действует на первый.
Закон Кулона можно записать в векторной форме подобно закону всемирного тяготения Ньютона:

где F 12 – вектор силы, действующей на заряд Q 1 со стороны заряда Q 2,
– расстояние между зарядами,
– единичный вектор, направленный от Q 2 к Q 1.
Следует иметь в виду, что формула применима лишь к телам, расстояние между которыми значительно больше их собственных размеров. В идеальном случае это точечные заряды. Для тел конечного размера не всегда ясно, как отсчитывать расстояние r между ними, тем более что распределение заряда может быть и неоднородным. Если оба тела – сферы с равномерным распределением заряда, то r означает расстояние между центрами сфер. Важно также понимать, что формула определяет силу, действующую на данный заряд со стороны единственного заряда. Если система включает несколько (или много) заряженных тел, то результирующая сила, действующая на данный заряд, будет равнодействующей (векторной суммой) сил, действующих со стороны остальных зарядов. Постоянная к в формуле Закона Кулона обычно выражается через другую константу, ε 0 , так называемую электрическую постоянную, которая связана с k соотношением k = 1/(4πε 0) . С учетом этого закон Кулона можно переписать в следующем виде:

где с наивысшей на сегодня точностью

или округленно

Запись большинства других уравнений электромагнитной теории упрощается при использовании ε 0 , поскольку в окончательном результате часто сокращается. Поэтому мы будем обычно использовать Закон Кулона, считая, что:

Закон Кулона описывает силу, действующую между двумя покоящимися зарядами. Когда заряды движутся, между ними возникают дополнительные силы, и их мы обсудим в последующих главах. Здесь же рассматриваются только покоящиеся заряды; этот раздел учения об электричестве называется электростатикой .

Продолжение следует. Коротко о следующей публикации:

Электрическое поле – один из двух компонентов электромагнитного поля, представляющий собой векторное поле, существующее вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, либо возникающий при изменении магнитного поля.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Заряды и электричество – это термины, обязательные для тех случаев, когда наблюдается взаимодействие заряженных тел. Силы отталкивания и притяжения словно исходят от заряженных тел и распространяются одновременно во всех направлениях, постепенно затухая на расстоянии. Эту силу в свое время открыл известный французский естествоиспытатель Шарль Кулон, и правило, которому подчиняются заряженные тела, с тех пор называется Закон Кулона.

Шарль Кулон

Французский ученый родился во Франции, где получил блестящее образование. Он активно применял полученные знания в инженерных науках и внес значительный вклад теорию механизмов. Кулон является автором работ, в которых изучалась работа ветряных мельниц, статистика различных сооружений, кручение нитей под влиянием внешних сил. Одна из этих работ помогла открыть закон Кулона-Амонтона, объясняющий процессы трения.

Но основной вклад Шарль Кулон внес в изучение статического электричества. Опыты, которые проводил этот французский ученый, подвели его к пониманию одного из наиболее фундаментальных законов физики. Именно ему мы обязаны знанием природы взаимодействия заряженных тел.

Предыстория

Силы притяжения и отталкивания, с которыми электрические заряды действуют друг на друга, направлены вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. С увеличением расстояния эта сила ослабевает. Спустя столетие после того, как Исаак Ньютон открыл свой всемирный закон тяготения, французский ученый Ш. Кулон исследовал экспериментальным путем принцип взаимодействия между заряженными телами и доказал, что природа такой силы аналогична силам тяготения. Более того, как оказалось, взаимодействующие тела в электирическом поле ведут себя так же, как и любые тела, обладающие массой, в гравитационном поле.

Прибор Кулона

Схема прибора, при помощи которого Шарль Кулон делал свои измерения, приведена на рисунке:

Как можно видеть, по существу эта конструкция не отличается от того прибора, которым в свое время Кавендиш измерял величину гравитационной постоянной. Изолирующий стержень, подвешенный на тонкой нити, заканчивается металлическим шариком, которому сообщен определенный электрический заряд. К шарику приближают другой металлический шарик, а затем, по мере сближения, измеряют силу взаимодействия по степени закручивания нити.

Эксперимент Кулона

Кулон предположил, что к силе, с которой закручивается нить, можно применить уже известный тогда Закон Гука. Ученый сравнил изменение силы при различной дистанции одного шарика от другого и установил, что сила взаимодействия изменяет свое значение обратно пропорционально квадрату дистанции между шариками. Кулон сумел изменять значения заряженного шарика от q до q/2, q/4, q/8 и так далее. При каждом изменении заряда сила взаимодействия пропорционально меняла свое значение. Так, постепенно, было сформулировано правило, которое впоследствии было названо «Закон Кулона».

Определение

Экспериментальным путем французский ученый доказал, что силы, с которыми взаимодействуют два заряженных тела, пропорциональны произведению их зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между зарядами. Это утверждение и представляет собой закон Кулона. В математическом виде он может быть выражен так:

В этом выражении:

  • q- количество заряда;
  • d – расстояние между заряженными телами;
  • k- электрическая постоянная.

Значение электрической постоянной во многом зависит от выбора единицы измерения. В современной системе величина электрического заряда измеряется в кулонах, а электрическая постоянная, соответственно, в ньютон×м 2 / кулон 2 .

Последние измерения показали, что данный коэффициент должен учитывать диэлектрическую проницаемость среды, в которой проводится опыт. Сейчас величину показывают в виде соотношения k=k 1 /e, где к 1 является уже знакомой нам электрической константой, а не является показателем диэлектрической проницаемости. В условиях вакуума эта величина равна единице.

Выводы из закона Кулона

Ученый экспериментировал с различной величиной зарядов, проверяя взаимодействие между телами с различной величиной заряда. Разумеется, измерить электрический заряд в каких-либо единицах он не мог – не хватало ни знаний, ни соответствующих приборов. Шарль Кулон смог разделять снаряд, прикасаясь к заряженному шарику незаряженным. Так он получал дробные значения исходного заряда. Ряд опытов показал, что электрический заряд сохраняется, происходит обмен без увеличения или уменьшения количества заряда. Этот фундаментальный принцип лег в основу закона сохранения электрического заряда. В настоящее время доказано, что этот закон соблюдается и в микромире элементарных частиц и в макромире звезд и галактик.

Условия, необходимые для выполнения закона Кулона

Для того чтобы закон выполнятся с большей точностью, необходимо выполнение следующих условий:

  • Заряды должны быть точечными. Другими словами, дистанция между наблюдаемыми заряженными телами должна быть намного больше их размеров. Если заряженные тела имеют сферическую форму, то можно считать, что весь заряд находится в точке, которая является центром сферы.
  • Измеряемые тела должна быть неподвижными. Иначе на движущийся заряд будут влиять многочисленные сторонние факторы, например, сила Лоренца, которая придает заряженному телу дополнительное ускорение. А также магнитное поле движущегося заряженного тела.
  • Наблюдаемые тела должны находиться в вакууме, чтобы избежать воздействия потоков воздушных масс на результаты наблюдений.

Закон Кулона и квантовая электродинамика

С точки зрения квантовой электродинамики взаимодействие заряженных тел происходит посредством обмена виртуальными фотонами. Существование таких ненаблюдаемых частиц и нулевой массы, но не нулевыго заряда косвенно подтверждается принципом неопределенности. Согласно этому принципу, виртуальный фотон может существовать между мгновениями испускания такой частицы и ее поглощения. Чем меньше расстояние между телами, тем меньше времени затрачивает фотон на прохождение пути, следовательно, тем больше энергия испускаемых фотонов. При небольшой дистанции между наблюдаемыми зарядами принцип неопределенности допускает обмен и коротковолновыми и длинноволновыми частицами, а при больших расстояниях коротковолновые фотоны в обмене не участвуют.

Есть ли пределы применения закона Кулона

Закон Кулона полностью объясняет поведение двух точечных зарядов в вакууме. Но когда речь идет о реальных телах, следует принимать во внимание объемные размеры заряженных тел и характеристики среды, в которой ведется наблюдение. Например, некоторые исследователи наблюдали, что тело, несущее в себе небольшой заряд и принудительно внесенное в электрическое поле другого объекта с большим зарядом, начинает притягиваться к этому заряду. В этом случае утверждение, что одноименно заряженные тела отталкиваются, дает сбой, и следует искать другое объяснение наблюдаемому явлению. Скорее всего, здесь не идет речь о нарушении закона Кулона или принципа сохранения электрического заряда – возможно, что мы наблюдаем неизученные до конца явления, объяснить которые наука сможет немного позже.

Понятие электричества. Электризация. Проводники, полупроводники и диэлектрики. Элементарный заряд и его свойства. Закон Кулона. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции. Электрическое поле как проявления взаимодействия. Электрическое поле элементарного диполя.

Термин электричество происходит от греческого слова электрон (янтарь).

Электризацией называют процесс сообщения телу электрического

заряда. Этот термин ввел в 16 веке английский ученый и врач Джилберт.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД – ЭТО ФИЗИЧЕСКАЯ СКАЛЯРНАЯ ВЕЛИЧИНА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩАЯ СВОЙСТВА ТЕЛ ИЛИ ЧАСТИЦ ВСТУПАТЬ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, И ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ СИЛУ И ЭНЕРГИЮ ЭТИХ ВЗВИМОДЕЙСТВИЙ.

Свойства электрических зарядов:

1.В природе существуют два типа электрических зарядов. Положительные (возникают на стекле потертом о кожу) и отрицательные(возникают на эбоните потертом о мех).

2. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются.

3. Электрический заряд НЕ СУЩЕСТВУЕТ БЕЗ ЧАСТИЦ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА (электрон, протон, позитрон и др.).Например с электрона и др. элементарных заряженных частиц нельзя снять э/заряд.

4.Электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е (е = 1,6 10 -19 Кл). Электрон (т е = 9,11 10 -31 кг) и протон (т р = 1,67 10 -27 кг ) являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.(Известны частицы с дробным электрическим зарядом: – 1/3 е и 2/3 е – это кварки и антикварки , но в свободном состоянии они не обнаружены).

5. Электрический заряд – величина релятивистски инвариантная , т. е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот заряд или покоится.

6. Из обобщения опытных данных установлен фундаментальный закон природы закон сохранения заряда: алгебраическая сум-

ма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.

Закон экспериментально подтвержден в 1843 г. английским физиком

М. Фарадеем ( 1791- 1867) и др., подтвержден рождением и аннигиляцией частиц и античастиц.

Единица электрического заряда (производная единица, так как определяется через единицу силы тока) – кулон (Кл): 1 Кл – электрический заряд,

проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1с.

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться различными способами: соприкосновением (трением), электростатической индукцией

и др. Всякий процесс заряжения сводится к разделению зарядов, при котором на одном из тел (или части тела) появляется избыток положительного заряда, а на другом (или другой части тела) – избыток отрицательного заряда. Общее количество зарядов обоих знаков, содержащихся в телах, не изменяется: эти заряды только перераспределяются между телами.

Электризация тел возможна потому, что тела состоят из заряженных частиц. В процессе электризации тел могут перемещаться, находящиеся в свободном состоянии, электроны и ионы. Протоны остаются в ядрах.

В зависимости от концентрации свободных зарядов тела делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники .

Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемешаться по всему его объему. Проводники делятся на две группы:

1) проводники первого рода (металлы) – перенос в

них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими

превращениями;

2) проводники второго рода (например, расплавленные соли, ра-

створы кислот) – перенос в них зарядов (положительных и отрицательных

ионов) ведет к химическим изменениям.

Диэлектрики (например, стекло, пластмассы) – тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды.

Полупроводники (например, германий, кремний) занимают

промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Указанное деление тел является весьма условным, однако большое различие в них концентраций свободных зарядов обусловливает огромные качественные различия в их поведении и поэтому оправдывает деление тел на проводники, диэлектрики и полупроводники.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА – наука о неподвижных зарядах

Закон Кулона.

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов

Экспериментально установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов.

подобных тем, которые использовались Г. Кавендишем для определения гравитационной постоянной (ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем, однако его работа оставалась неизвестной более 100 лет).

Точечным зарядом, называется заряженное тело или частица, размерами которых можно пренебречь, по сравнению с расстоянием до них.

Закон Кулона: сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам q 1 и q 2 , и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними :


k коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы

В СИ

Величина ε 0 называется электрической постоянной; она относится к

числу фундаментальных физических постоянных и равна:

ε 0 = 8,85 ∙10 -12 Кл 2 /Н∙м 2

векторной форме закон Кулона в вакууме имеет вид:

где – радиус вектор, соединяющий второй заряд с первым, F 12 – сила, действующая со стороны второго заряда на первый.

Точность выполнения закона Кулона на больших расстояниях, вплоть до

10 7 м, установлена при исследовании магнитного поля с помощью спутников

в околоземном пространстве. Точность же его выполнения на малых расстояниях, вплоть до 10 -17 м, проверена экспериментами по взаимодействию элементарных частиц.

Закон Кулона в среде

Во всех средах сила кулоновского взаимодействия меньше по сравнению с силой взаимодействием в вакууме или воздухе. Физическая величина, показывающая во сколько раз сила электростатического взаимодействия в вакууме больше, чем в данной среде, называется диэлектрической проницаемостью среды и обозначается буквой ε.

ε = F в вакууме / F в среде

Закон кулона в общем виде в СИ:

Свойства Кулоновских сил.

1.Кулоновские силы – это силы центрального типа, т.к. направлены вдоль прямой, соединяющей заряды

Кулоновская сила является силой притяжения, если знаки зарядов разные и силой отталкивания, если знаки зарядов одинаковые

3. Длякулоновских сил справедлив 3 закон Ньютона

4.Кулоновские силы подчиняются принципу независимости или суперпозиции, т.к. сила взаимодействия между двумя точечными зарядами не изменятся при появлении вблизи других зарядов. Результирующая сила электростатического взаимодействия, действующая на данный заряд, равна векторной сумме сил взаимодействия данного заряда с каждым зарядом системы отдельно.

F= F 12 +F 13 +F 14 + ∙∙∙ +F 1 N

Взаимодействия между зарядами осуществляются посредством электрического поля. Электрическое поле – это особая форма существования материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов. Электрическое поле проявляет себя тем, что на любой другой заряд внесенный в это поле оно действует с силой. Электростатическое поле создается неподвижными электрическими зарядами и распространяется в пространстве с конечной скоростью с.

Силовая характеристика электрического поля называется напряженностью.

Напряженностью электрического в некоторой точке называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку, к модулю этого заряда.

Напряженность поля точечного заряда q:


Принцип суперпозиции: напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в этой точке каждым зарядом в отдельности (в отсутствие других зарядов).

Правильный и безопасный заряд аккумулятора – как и чем заряжать? | Статьи

Как правильно и безопасно зарядить авто (мото) свинцово-кислотный аккумулятор. 

Сразу оговоримся – настоящая статья предназначена для неподготовленных людей, аккумуляторщики и опытные пользователи вряд ли почерпнут для себя что-то новое.

Не отвлекаясь на второстепенные моменты, мы постараемся донести до читателей статьи базовые основы заряда аккумулятора и поможем выбрать правильное зарядное устройство.

Какие существуют методы заряда.

1. Заряд постоянным током.

Заряд производится при установленном значении зарядного тока (измеряется в Ампер) без ограничения напряжения (измеряется в Вольт). Пример устройства, обеспечивающего данный способ заряда – классический тяжелый трансформаторный зарядник – выпрямитель. Величина зарядного тока и длительность заряда определяются исходя из значения емкости, технологии изготовления и состояния аккумулятора. Ограничить напряжение при таком способе заряда возможно только вручную, уменьшением значения тока. Данный способ используется как правило профессиональными аккумуляторщиками и рекомендуется только для опытных пользователей.

2. Заряд при постоянном напряжении.

Заряд производится при заданном постоянном значении напряжения. Ток может быть ограничен возможностями и настройками зарядного устройства (пользователем). Пример устройства, обеспечивающего данный способ заряда – автомобильный реле-регулятор. Современные продвинутые реле-регуляторы способны менять напряжение заряда по алгоритмам, установленным автопроизводителями, но суть от этого не меняется – заряд все равно происходит при постоянном напряжении.

3. Заряд смешанным методом.

Первый этап заряда производится методом постоянного тока установленным (ограниченным) значением тока до достижения заданного значения напряжения (предустановлено в зарядном устройстве или ограничено пользователем). Второй этап начинается по достижении заданного напряжения, зарядный ток стабилизируется и его значение начинает падать, по сути на данном этапе заряд уже идет при постоянном напряжении. Правильный заряд этим так называемым смешанным методом могут обеспечить современные импульсные зарядные устройства, но только те, которые имеют функцию ограничения напряжения значением, подходящим для технологии изготовления и состояния конкретно взятого аккумулятора. Данный способ (метод) и подходит больше всего обычному, неопытному пользователю, которому надо при проведении заряда учесть состояние своего аккумулятора и технологию его изготовления, а также уяснить ряд нехитрых правил проведения заряда. Ну и, конечно, надо иметь правильное зарядное устройство.

Необходимо уяснить, что ресурс батареи снижают три основных явления:

– Оплывание (осыпание) активной массы с решеток (электродов), которое происходит при перезаряде либо в процессе естественного механического износа, застарелый сульфат в активной массе также способствует ее быстрому осыпанию. Данное явление носит необратимый характер, лечению не подлежит, при критическом уровне данного процесса батарея подлежит замене.

– Сульфатация, т.е. образование кристаллов сульфата свинца на пластинах в процессе разряда АКБ. Сульфат всегда присутствует в любой батарее, его образование и растворение – это естественный рабочий процесс, происходящий при разряде-заряде батареи. Кристаллы сульфата могут быть небольшими и легко растворимыми, при хроническом недозаряде они становятся крупными и тяжело растворимыми. Данное явление носит обратимый характер, но чем старее в батарее сульфат, чем глубже он проник в поры активной массы, тем тяжелее его растворить, тем больше усилий придется для этого приложить и больше действий совершить.

– Расслоение электролита (кислотная стратификация). Электролит состоит из воды и серной кислоты, причем кислота физически тяжелее воды. В процессе заряда сульфат растворяется и кислота снова попадает в электролит, причем стремится стечь по пластинам в нижнюю часть корпуса АКБ. Данное явление наиболее усиливается в разряженных батареях и наименее характерно для тех АКБ, в которых разряд незначительный и своевременно восполняется. Устраняется расслоение электролита путем доведения заряженной батареи до состояния, при котором происходит ее интенсивное «кипение», т.е. электролиз, разложение воды на кислород и водород.

Вышеперечисленные явления как правило идут рука об руку, и эксплуатация АКБ с застарелым сульфатом приводит к ускоренному осыпанию  активной массы (нерабочая осыпающаяся активная масса называется шламом) и повышенному расходу воды из АКБ, все это сопровождается расслоением электролита. Это происходит потому, что крупные кристаллы сульфата уменьшают площадь пластин, на которой происходит химическая реакция, оставшаяся рабочая активная масса подвергается более высокой нагрузке, все больше зарядного тока бесполезно тратится впустую на электролиз – разложение воды на кислород и водород. Соответственно, чем больше в АКБ застарелого сульфата, тем быстрее происходят описанные негативные процессы и все ближе утилизация АКБ.

Правильный и полноценный заряд проводится при температуре АКБ, равной комнатной. Но начинать заряд вполне можно при любой температуре АКБ, если батарея очень холодная, заряд просто нужно начинать малым током.

Если нам нужно зарядить исправный аккумулятор, который имеет свежий незначительный разряд, скажем, не более 50 % от емкости, достаточно будет ограничить напряжение окончания заряда 14,8 – 15 Вольт, зарядный ток ограничиваем значением, не превышающем 10 % от реальной емкости аккумулятора (учитывайте, что за время эксплуатации емкость может значительно уменьшиться относительно исходной). Свидетельством окончания заряда будет служить падение зарядного тока до значения 0,5 – 1 Ампер. Наличие пробок на аккумуляторе позволит окончательно убедиться в окончании заряда путем измерения контроля уровня электролита и его плотности, которая должна достичь заводской – 1,27 – 1,31 г/см3 (крайне желательно знать исходную плотность).

Если требуется зарядить аккумулятор с почти полностью разряженного состояния, либо есть сомнения относительно его исправности или есть необходимость в сезонном профилактическом заряде, целесообразно применить несколько иной алгоритм заряда, разделив заряд на два этапа.

На первом этапе, не нагружая активную массу на пластинах, проводим заряд током, не превышающем 10 % реальной емкости АКБ, ограничив напряжение безопасным значением, не более 14,4 – 14,8 Вольт. Перед зарядом необходимо убедиться, что уровень электролита достаточен, чтобы были закрыты пластины, при необходимости немного долить дистиллированную воду. Доводить уровень до исходного на первом этапе не нужно, так как в процессе заряда он может подняться и есть риск получить избыточный уровень электролита. Если батарея была глубоко разряжена или долго эксплуатировалась в состоянии хронического недозаряда, лучше значение тока выставить как можно меньше, вплоть до 1 % от емкости. Чем меньше значение зарядного тока, тем качественнее и полнее происходит заряд, только дольше по времени. На первом этапе задача состоит в том, чтобы максимально полно восполнить емкость батареи без избыточной нагрузки на активную массу на решетках. Индикатор окончания первого этапа заряда – падение зарядного тока до значения менее 0,5 – 1 Ампер, чем меньше, тем лучше.

На втором, самом важном этапе заряда, нужно решить две основные задачи – растворить застарелый сульфат и устранить расслоение электролита. При наличии неравномерного и/или недостаточного уровня электролита также добавляется задача выровнять уровень и плотность электролита во всех банках. В таком случае второй этап заряда также называется уравновешивающим, или выравнивающим зарядом.

Необходимо тщательно выровнять уровень электролита дистиллированной водой. И довести его до уровня заводского, который в разных АКБ составляет от 1,5 до 3 см. Проще, если в АКБ есть какие-либо физические индикаторы в виде, например, пластиковых лапок-ограничителей. Если нет, нужно найти информацию в руководстве или на сайте завода-производителя.

Устанавливаем такие параметры заряда, которые обеспечат интенсивное газовыделение из электролита, т.е «кипение». Напряжение, при котором будет интенсивно кипеть АКБ по технологии Са/Са, составляет примерно 16 – 16,3 Вольт, гибридная Sb/Ca – примерно 15,2 – 15,8 Вольт, для сурьмянистых должно хватить 14,6 – 15 Вольт. Величину зарядного тока лучше ограничить 1 – 5 % от емкости АКБ, причем чем более «запущена» батарея, тем меньше зарядный ток есть смысл выставить, заданное напряжение при этом будет достигаться конечно же дольше.

Положительный результат можно будет считать достигнутым, если зарядный ток после достижения заданного напряжения упал до 0,5 – 1 Ампер и ниже, плотность электролита достигла исходного значения 1,27 – 1,31 г/см3 (необходимо знать заводские параметры плотности), стала равномерной во всех банках, и значение плотности не меняется на протяжении двух – трех часов. Даже если за короткое время зарядный ток упал до низкого значения (0,5 Ампер), заряд все равно целесообразно продолжить на протяжении нескольких часов для устранения кислотной стратификации. Если положительный результат не достигается на протяжении многих часов, если по плотности «отстают» некоторые банки, можно поднять напряжение заряда на 0,1 – 0,3 Вольт. Иногда можно и даже нужно поднять ток и напряжение заряда и выше, или вообще снять ограничение по напряжению, но, повторяемся, наша статья для неопытных пользователей, данные действия Вы будете осуществлять на свой страх и риск.

Если описанные действия не привели к нужному результату, отдайте АКБ в квалифицированный сервис или замените на новую. Либо выжмите из нее оставшийся ресурс и потом замените.

Если у Вас АКБ с лабиринтной крышкой без пробок, отрегулировать уровень электролита без «колхозинга» не получится, поэтому нужно хотя бы попытаться убедиться, что он есть, путем просвечивания АКБ мощным источником света. Такие батареи, несмотря на то, что маркетологи назвали их “необслуживаемыми”, как раз таки очень нуждаются в своевременной правильной дозарядке, потому что полностью заряженная исправная кальциевая АКБ практически не расходует воду, и уровень электролита в ней долгое время остается ровным и стабильным.

Особенности заряда батарей по технологии Са/Са EFB.

Заряд аккумуляторов EFB производится так же, как и обычных кальциевых. Нужно только учесть одну особенность – в правильных EFB пластины толще и скомпонованы плотнее, расстояние между ними меньше, по этой причине электролит в них перемешать тяжелее, плотность в верхних слоях батареи может подниматься дольше. Будьте готовы к тому, что второй этап заряда на повышенном напряжении возможно придется производить дольше, напряжение поднимать выше.

Особенности заряда батарей по технологии AGM, GEL.

А вот AGM и GEL технологии заряжать с применением высоких значений напряжения крайне нежелательно. Ввиду того, что в них отсутствует электролит в жидком виде, кислотная стратификация как таковая отсутствует, перемешивать электролит не нужно, и избыточное напряжение приведет к безвозвратной утрате воды. Поэтому заряжать их следует в один этап с ограничением напряжения 14,3 – 14,4 Вольт. Если результат не достигнут, можно попробовать поднять напряжение заряда до 15 Вольт, но долго скорей всего такая батарея уже не прослужит. Глубокий разряд такие батареи переносят хуже классических, и вероятность их восстановления после глубокого разряда ниже. Их “конек” – цикличность, т.е. работа в режиме многократного частичного разряда-заряда. Но никак не глубокого разряда. Поэтому задача пользователя при эксплуатации таких батарей – не допускать их разряда и своевременно его восполнять.

Ну и собственно, какое зарядное устройство выбрать?

Полноценное зарядное устройство, которое позволит правильно зарядить аккумулятор, изготовленный по любой технологии, должно иметь регулировку не только зарядного тока, но и, что самое важное, напряжения заряда. Причем крайне желательно, чтобы регулировка была плавной (особенно для зарядного тока) и как можно более широкими диапазонами. Допустима ступенчатая регулировка напряжения заряда, лишь бы этого самого напряжения хватало для правильного заряда. Также важно, чтобы зарядное устройство без “разрешения” пользователя не переходило по окончании заряда в так называемый буферный режим (хранение аккумулятора при пониженном напряжении с компенсацией саморазряда), это препятствует полноценному окончанию заряда и “добивке” емкости до 100%.

Примером полноценного импульсного зарядного устройства, которое способно полностью заменить старый трансформаторник – выпрямитель, является “Вымпел-57” производства ООО “НПП “ОРИОН”, либо более продвинутая “интеллектуальная” его версия – “Вымпел-55”.

Ну и конечно, старое доброе трансформаторное зарядное устройство – выпрямитель, способное заряжать методом постоянного тока без ограничения напряжения, но, повторимся, на наш взгляд, это инструмент для опытного и умелого пользователя. При работе с таким зарядным устройством необходимо контролировать напряжение заряда мультиметром.

Помните, что своевременный и правильный профилактический заряд как минимум в два – три раза продлит ресурс Вашего аккумулятора!

Электрический заряд и ток – Электрические цепи – AQA – GCSE Combined Science Revision – AQA Trilogy

Существует два типа тока: постоянный и переменный. В постоянном токе поток электронов постоянно движется в одном направлении по цепи. В переменном токе направление потока электронов постоянно меняется на противоположное.

Заряд

$0.$2.$1″> Электроны — отрицательно заряженные частицы, передающие энергию по проводам в виде электричества.

Заряд — это свойство тела, на которое действует сила электрического поля.Заряд измеряется в кулонах (Кл).

Поскольку электроны очень малы, и один электрон не будет иметь большого значения в любом месте, полезнее ссылаться на пакеты электронов. Один кулон заряда — это упаковка, эквивалентная 6 250 000 000 000 000 000 электронов.

Ток

Электрический ток представляет собой поток электронов.

При протекании тока совершается электрическая работа и передается энергия. Количество заряда, проходящего через точку цепи, можно рассчитать по уравнению:

заряд = ток × время

2f7nix3u5ts.0.0.0.1:0.1.0.$0.$3.$4″> \[Q = I \times t\]

Это когда:

  • заряд ( Q ) измеряется в кулонах (Кл)
  • ток ( I ) измеряется в амперах (А)
  • время ( t ) измеряется в секундах (с)

Один ампер – это ток, протекающий при кулон заряда проходит точку цепи за одну секунду.

Пример

Ток силой 1,5 ампер (А) протекает через простую электрическую цепь.

Сколько кулонов заряда проходит через точку за 60 секунд?

\[Q = I \times t\]

\[Q = 1,5 \times 60\]

\[Q = 90~C\]

Вопрос

Сколько зарядов переместилось при наличии тока тока 13 А за 10 с?

Открыть ответ

\ [q = i \ times t \]

\ [q = 13 \ times 10 \]

2f7nix3u5ts.0.0.0.1:0.1.0.$0.$3.$14.3.$2″> \ [q = 130 ~ C \]

Вопрос

Какой ток протекает, если 10 Кл проходит по проводу за 2 с?

Показать ответ

\[Q = I \times t\]

\[I = \frac{Q}{t}\]

\[I = \frac{10}{2}\]

\[I = 5 A\]

Измерение тока

1.0.$0.$4.$2″> Ток измеряется с помощью амперметра.Чтобы измерить ток через компонент, амперметр должен быть включен последовательно с этим компонентом.

Поток электрического заряда: уравнение и применение — видео и расшифровка урока

Кулон заряда

Уравнение тока показывает нам, что кулон в секунду равен амперу. Что такое кулон заряда? С точки зрения электронов, которые являются типом носителей заряда , которые являются заряженными частицами, примерно 6,24 x 1018 электронов равняются 1 кулону заряда.

Мы можем подсчитать, сколько электронов проходит через человека, получившего болезненный удар током от электроприбора, дающего 0,01 ампер в течение 1 секунды. Теперь вы можете увидеть эту игру в формуле на экране:

Расчет количества электрического заряда

Мы видим, что заряд 0,01 кулон проходит через прибор в человека за 1 секунду. Теперь мы можем вычислить количество электронов, из которых состоит.Как мы видим, он рассчитывается как:

Много электронов! Давайте решим несколько практических задач, связанных с током.

Практика с током

Давайте решим несколько практических задач в следующих нескольких примерах.

Пример 1

Подсказка: Тостер работает при силе тока 9 ампер. Сколько электронов проходит через тостер за 1 секунду?

Решение: Ток в амперах определяется как кулон в секунду.Поскольку наше ограничение по времени составляет 1 секунду, через тостер проходит 9 кулонов в секунду. Теперь мы можем подсчитать количество электронов, прошедших через тостер за 1 секунду. Мы видим это:


Пример 2

Подсказка: удар молнии длится около 0,1 секунды. Если за это время перемещается 3,4 х 1020 электронов, какой ток обеспечивает разряд молнии?

Решение: Ток — это заряд в секунду, и у нас есть количество электронов и время. Нам нужно приравнять это количество электронов к общему заряду. Видим, что получаем:

Теперь мы можем рассчитать электрический ток молнии. Видим:

540 ампер! Теперь вы знаете, почему вам нужно добраться до убежища, когда вокруг горит свет!

Пример 3

Подсказка: по проводу в цепи протекает ток 0,9 А, по проводу течет 1,3 x 109 электронов.Сколько времени потребуется такому количеству электронов, чтобы пройти через любую точку провода?

Решение: Мы видим это, потому что (как мы знаем из нашей пирамиды ранее) I = Q / t , тогда t = Q / I . Подставив наши значения, получим:

Последнее, что важно отметить, это то, что мы преобразовали количество электронов в электрический заряд в числителе.

Резюме урока

Давайте уделим пару минут, чтобы повторить важную информацию, которую мы узнали здесь о потоке электрического заряда. Электрический ток — это электрический заряд, проходящий через точку в единицу времени. Электрический заряд измеряется в кулонах (Кл), а время измеряется в секундах (с). Кулон в секунду — это ампер , что является единицей измерения электрического тока. Наша формула:

Здесь:

  • I представляет собой электрический ток в амперах (амперы)
  • Q представляет электрический заряд в Кл (Кл)
  • t представляет время в секундах (с)

Электроны являются носителями заряда , потому что они несут электрический заряд.Примерно 6,24 х 1018 электронов эквивалентны заряду в 1 кулон. 1 кулон заряда, проходящий через точку за 1 секунду, составляет 1 ампер.

Электрический ток может быть постоянным током , где поток электронов только в одном направлении, или может быть переменным током , где поток электронов чередуется через определенные интервалы времени.

Нажмите и узнайте – количество заряда

Расчет количества заряда объекта

Электрон — это частица, которая отвечает за заряд объекта.Движение электронов к объекту определяет тип заряда, который будет иметь объект. Объект будет заряжен положительно там, где происходит потеря электронов, отрицательно заряжен там, где есть прирост или избыток электронов, и нейтрален там, где положительный и отрицательный заряды равны.

Общее количество электронов, осажденных или удаленных из объекта, будет определять количество (количество) заряда на объекте.

Таким образом, заряд одного электрона определяется как фундаментальная единица заряда.Заряд является фундаментальным измерением, которое не может быть получено из каких-либо других измерений. Заряд измеряется в кулонах

Символ заряда — « Q », а символ Кулона — « C ».

Количество заряда на одном отдельном электроне может быть математически определено равным очень небольшому количеству заряда.

Этот небольшой заряд равен 1,6 X 10 -19 Кл . Это небольшое количество заряда известно как фундаментальный заряд, и его символ равен e (чтобы напомнить нам, что это заряд одного отдельного электрона).Это постоянное значение.

Следовательно, e = 1,6 X 10 -19  C/e      [Кулонов на электрон]

Чтобы рассчитать общий заряд объекта, мы умножаем постоянное значение e на количество электронов, осевших на объекте (или удаленных с него).

Для обобщения этого важного факта используется простая формула:

.

Q = N x e

Где:    
Q
— это полный заряд объекта, N — количество задействованных электронов, а e — это основная гармоника; заряд одного электрона ( 1. 6 X 10 -19 С/д)

Пример:
Если вы пройдете по ковру в носках, а затем коснетесь металлической дверной ручки, вы почувствуете удар током. Количество заряда, переданного при ударе между вашими пальцами и дверной ручкой (на землю), составляет примерно 3,0 X 10 20  C. Сколько электронов перешло с ковра на землю через палец во время удара?

Решение:

Дано

е = 1.6 X 10 -19 C/e (основная зарядовая постоянная)

Q = 3,0 X 10 90 271 20 90 272  C (общая переданная стоимость)

Найти:  N   (общее число задействованных электронов)

Q = N x e \ N = Q/e

N = [3,0 X 10 20  C]/[1,6 X 10 -19  C/e]

N = 1,90 X 10 39 электронов

Электрический заряд и электрический ток

Рассмотрим, что происходит внутри короткого отрезка изоляции из ПВХ. медный провод.Электроны свободно перемещаются между атомами меди. Каждый электрон имеет отрицательный заряд, и когда мы получаем их кучу течь по проводу в одном направлении, мы получаем поток заряда, называемый током. Если ток течет только в одном направлении, он называется постоянным током или DC .

— 20 AWG —— 20 AWG —

Если он течет туда и обратно, мы называем его переменным током или переменным током .

— 20 AWG —— 20 AWG —

Заряд измеряется в кулонах.Требуется огромное количество электронов, чтобы равняться одному кулону. На самом деле требуется примерно 6,2х10 18 . Глядя на это с противоположной точки зрения, один электрон имеет отрицательный заряд, равный -1,6×10 -19 Кл (-1,6×10 -19 Кл).

Один кулон заряда, протекающего в секунду, равен одному амперу тока. Однако на самом деле, произнося слово «ампер», я чувствую себя художником-импрессионистом, пишущим строку ямбического стиха, чтобы описать покрытую росой листву прохладным весенним утром. Если вы хотите быть настоящим ламповым музыкантом, вам нужно сказать «усилитель». Одна тысячная часть ампера (0,001 А) — это «миллиампер» (1 мА).

Требуется поток 6,2×10 18 электронов в секунду, чтобы произвести ток в один ампер. К счастью, хорошие проводники имеют много электронов, доступных для этой задачи. Например, в металлической меди в одном кубическом метре имеется 8,5×10 90 271 28 90 272 свободных электронов. Хорошо, может быть, мы не используем целый кубический метр меди в ламповом усилителе, но даже меньшие куски имеют более чем достаточно свободных электронов для удовлетворения наших потребностей.



В электронных лампах электроны перетекают от нагретого катода к ненагретой пластине, поэтому можно подумать, что ток будет течь в этом направлении. Ведь это то направление, в котором физические частицы действительно движутся. Увы, это не так. Электроны заряжены отрицательно, и с точки зрения тока отрицательно заряженные частицы, движущиеся в одном направлении, имеют тот же эффект, что и положительные заряды, движущиеся в противоположном направлении. Таким образом, мы говорим, что «положительный» ток течет от пластины к катоду.Сначала это странная концепция, но к ней легко привыкнуть. Нам просто нужно представить, что ток вызван положительно заряженными частицами, каждая с зарядом +1,6×10 -19 Кл, текущими в направлении, противоположном потоку электронов.

Проблема

Провод 20AWG длиной 1 см соединяет две клеммы регулятора скорости вашего Fender Tremolux 6G9. Его медно-металлический проводник содержит 4,4×10 90 271 20 90 272 свободных электронов, способных проводить ток.Какой заряд представляют эти свободные электроны?

Решение

Общий заряд равен количеству электронов, умноженному на заряд, приходящийся на один электрон:

(4,4×10 20 )(-1,6×10 -19 С) = -70С

Не хилая для крохотной длины провода!



Проблема

Благодаря невероятно проницательному наблюдению вы заметили, что 1,25×10 90 271 16 90 272 электронов перетекают каждую секунду с катода на пластину вашего предусилителя 12AX7. Сколько ампер тока это представляет? В каком направлении?

пластинчатая катодная

Решение

1,25×10 16 электронов представляют собой заряд

(1,25×10 16 )(-1,6×10 -19 С) = -0,002 С

Это означает, что от катода к пластине течет -0,002C в секунду. С точки зрения тока это то же самое, как если бы от пластины к катоду текло +0,002C в секунду. Это равно 0.002А или 2 мА. Таким образом, мы имеем 2 мА тока, протекающего от пластины к катоду.



Проблема

4,1×10 18 электрона в минуту проходит от источника питания экрана усилителя мощности до источника питания пластины усилителя мощности через дроссель. (Я уверен, что вы весело провели время, считая их!) Какова сила тока в миллиамперах?

Решение

Если разделить на 60, то 4,1×10 90 271 18 90 272 электрона в минуту равно 6,8×10 16 электрона в секунду. Заряд, протекающий через дроссель, измеряется в кулонах в секунду. равно количество электронов в секунду, умноженное на заряд, приходящийся на один электрон:

(6,8×10 16 с -1 )(-1,6×10 -19 Кл) = -0,011 Кл/с

Что касается тока, то это то же самое, что положительные заряды текут в противоположном направлении со скоростью +0,011 Кл/с, что составляет 11 мА. Таким образом, ток 11 мА протекает от питания пластины через дроссель к питанию экрана.Электроны, которые делают все это возможным, на самом деле текут в противоположном направлении.

Проблема

В вашем клоне Champ 5E1 используется провод 20AWG диаметром 0,812 мм для подключения напряжения питания пластины к пластинчатому резистору 100 кОм. Резистор пропускает ток 0,6 мА на холостом ходу при отсутствии гитарного сигнала. С какой скоростью электроны движутся по проводу? Не могли бы вы использовать проволоку большего диаметра, чтобы заставить их течь быстрее?

Решение

Радиус проволоки равен половине диаметра, или 0. 406мм, что составляет 4,06х10 -4 метра. Мы получаем площадь, возводя радиус в квадрат и умножая на число Пи. Это означает, что в пересчете на квадратные метры поперечное сечение имеет площадь

(3,14)(4,06×10 -4 м) 2 = 5,2×10 -7 м 2

Умножение площади поперечного сечения на длину дает нам количество кубических метров в проводе:

(5,2×10 -7 м 2 )(1 м) = 5,2×10 -7 м 3

Есть 8.5×10 28 свободных электрона на кубический метр меди. Это означает, что в одном метре провода 20AWG содержится

(8,5×10 28 м -3 )(5,2×10 -7 м 3 ) = 4,4×10 22

электроны. Чтобы получить количество заряда в одном метре провода, мы умножаем на количество кулонов на электрон, что дает нам

(4,4×10 22 )(-1,6×10 -19 С) = -7,0×10 3 С

Глядя на это с противоположной точки зрения, это означает, что требуется

1/(7. 0x10 3 ) = 1,4×10 -4

метров провода, чтобы содержать заряд -1C. Это меньше миллиметра! И мы говорим о довольно тонком проводе. Мы знаем, что ток через цепь пластины составляет 0,6 мА, что означает, что каждую секунду через провод протекает заряд 6×10 90 271 -4 90 272 Кл. (Это положительный ток от питания пластины через пластинчатый резистор к пластине трубки, как если бы по проводу двигались положительные заряды.)

Количество метров провода, содержащего -0.0006C заряда

(1,4×10 -4 )(6×10 -4 ) = 8×10 -8

Итак, это количество метров заряда, которое проходит по проводу каждую секунду. Таким образом, электроны дрейфуют по проводу со скоростью 8×10 -8 метра в секунду. Если бы вы использовали провод большего диаметра, то в поперечном сечении было бы больше электронов. Таким образом, электроны будут двигаться медленнее, чтобы производить тот же ток.



Как показывает эта задача, электроны дрейфуют очень медленно. В данном случае всего 7,4 миллиметра за весь день! Однако важно помнить, что гитарные сигналы распространяются почти со скоростью света. Если мы подадим ток 0,6 мА на один конец провода, то 0,6 мА потечет с другого конца почти мгновенно. Только не ожидайте увидеть те же самые электроны, которые вы вложили.

Вы и тысячи других автомобилистов остановились на автостраде Голден Стэйт между Сан-Фернандо и Бербанком. Если бы все вы просто двигались вперед одновременно, то «сигнал» двигаться вперед распространялся бы мгновенно.Однако, если вы находитесь в левой полосе обратно в Сан-Фернандо, вы все равно не увидите съезд 144 в течение очень долгого времени.

Проблема

При полной мощности и максимальном просадке напряжения питания блок питания Fender Bassman 5F6-A выдерживает нагрузку 187 мА. Сколько кулонов в секунду это представляет? Блок питания в этих условиях обеспечивает +377 вольт постоянного тока на нагрузку. В каком направлении через нагрузку движутся электроны?

СЛЕДУЩАЯ СТРАНИЦА

– Плата

Электричество происходит из атомов. Или конкретно из-за избытка или отсутствия нормального количества электронов, которое должно быть у атома. Мы называем атомы с зарядом ионов и они могут быть положительными (некоторые электроны отсутствуют) или отрицательными (имеется избыток электронов). Итак, откуда берется весь этот заряд? Воды молекулы в воздухе притягивают свободные электроны из-за того, что одна сторона молекулы воды имеет тенденцию быть заряженной по сравнению с другую сторону молекулы. Молекула считается полярной .Хотя суммарный заряд молекулы воды нейтрален, ее состав, показанный здесь, стремится сделать одну сторону положительной или отрицательной. отрицательный. Это приведет к тому, что электроны будут свободно удерживаться в воде. Земля сама по себе является огромным резервуаром для электронов, и электроны, как правило, довольно свободно проходят через объекты на землю. Мы называем этот процесс заземляет .

Мы упоминали, что трение предметов друг о друга также может вызвать передачу заряда. Частично это связано с тем, как атомы соединяются.В то время как протоны и нейтроны в ядре довольно стабильны и фиксированы, электроны, вращающиеся вокруг ядра, более или менее свободно приходят и уходят. Трение двух предметов друг о друга может привести к передаче электронов от одного объекта к другому. Объект, который получает электроны, становится отрицательно заряженным объектом, а объект, который теряет электроны, становится положительно заряженным объектом. Роберт Милликен провел эксперимент в 1909 году, используя капли масла и электрический прибор для определения заряда электрона.Это число
обсуждалось более подробно в уроке по электрону. Он определил, что заряд квантуется , то есть существует в дискретных единицах. Мы говорим, что единица заряда обозначается буквой e , которая относится к электрону. Электрон имеет 1 единицу заряда, поэтому объект может иметь +e, +2e, +3e, -5e и т. д. единицы заряда. У него не может быть .5e. Или любой другой доля единицы. Заряд измеряется в системе СИ в кулонов (Кл) . 1 e имеет заряд 1.602 x 10 90 271 -19 90 272 Кл, или 6,2 x 10 90 271 18 90 272 электронов, присутствующих в одном Кулон заряда. Подробнее об этом в уроке Закон Кулона.

Еще несколько определений: Объекты, допускающие свободный перенос электронов, например металлы, называются проводниками . Объекты, которые такие как дерево, стекло, керамика и резина, называются изоляторами . Некоторые материалы являются хорошими проводниками, но только при определенных условиях. В противном случае они являются изоляторами. Эти материалы называются полупроводниками , и они действительно полезны при изготовлении электронных компонентов, таких как компьютерные чипы.А некоторые сверхпроводники при определенных условиях температуры, могут стать идеальными проводниками.

Статическое электричество окружает нас повсюду. Иногда накопление избыточного заряда может быть очень большим, и мы можем видеть путь разряда на землю, например как с нашим генератором Ван де Графа, или с молнией. Это немного отличается от тока на землю, который мы обсудим позже.

Можем ли мы измерить статический заряд? Конечно. Устройство, называемое электроскопом , можно использовать для обнаружения наличия заряда.Как правило, в банку помещают два куска фольги и соединяют их сверху. Когда заряд помещается на фольгу, листья разойдутся. Чем больше заряд, тем на большее расстояние перемещается фольга. К сожалению, электроскоп не покажет нам заряд, пока мы сначала не снимем заряд, а затем не приложим известный заряд к листья и проверить новые обвинения против этого. Новые устройства, называемые электрометрами, заменяют электроскопы и являются гораздо более чувствительными.

Чтобы узнать больше об электрическом заряде, посетите физику.bu.edu/py106/notes/Charge.html

Для получения дополнительной информации о статическом электричестве посетите веб-сайт
www.sciencemadesimple.com/static.html

E-поле и единицы напряжения

E-поле и единицы напряжения

Единицы для электрический потенциал и поля

Электрические силы измеряются в ньютонах ( Н ), электрическая потенциальная энергия выражена в джоулях ( Дж ), а электрический заряд равен измеряется в кулонах ( C ). Поскольку электрические поля и потенциалы получаются делением силы и потенциала энергии зарядом, они измеряются в единицах N/C и J/C соответственно. Но «Джоуль на кулон» ( J/C ) также известен как вольт ( V ), и Таким образом, электрический потенциал часто называют напряжением . Следовательно, электрическое поле также можно выразить в единицах вольт на метр. так как В/м = N/C .

Пары эквивалентных единиц

Электрическое поле

В/м

Н/З

Электрический потенциал

В

Дж/К

Сила

л. с./м

Н

Потенциальная энергия

CV

Дж

Удобная единица потенциальная энергия для описания микроскопической физики, такой как Энергия электрона в атоме равна электрон-вольт ( эВ ).Один электрон вольт – это изменение потенциальной энергии, вызванное перемещением одного электрона стоит заряд, e , через разность электрических потенциалов один вольт. Следовательно, один электрон-вольт равен 1,602E-19 Дж . Связанные единицы: кэВ, МэВ, ГэВ, и ТэВ , которые представляют 10 3 , 10 6 , 10 9 , и 10 12 эВ . Эти агрегаты будут использоваться в ядерная физика и физика элементарных частиц позже в семестре.


Примеры       Электрические поля индекс

Как мы оцениваем «состояние заряда» батарей?

Поздно ночью заканчивая отчет на своем ноутбуке, вы получаете предупреждение о том, что ваша батарея разряжена и вам следует подключить зарядное устройство. «Еще несколько минут», — думаете вы и продолжаете свою работу. Внезапно вы получаете ненавистное сообщение о том, что батарея вашей системы критически разряжена, и если вы не подключите ее к зарядному устройству, компьютер выключится сам.

Только тогда вы лихорадочно ищете зарядный адаптер и надеетесь защитить свою несохраненную работу от цифровой катастрофы.

Наши ноутбуки и смартфоны могут делать так много вещей, что мы часто воспринимаем их как должное. Среди прочего, почти все современные электронные устройства следят за своими батареями и сообщают вам в абсолютных процентных значениях, сколько заряда осталось или как долго их можно использовать, прежде чем им потребуется подзарядка.

Вы когда-нибудь задумывались, как это делают современные электронные устройства?


Рекомендуемое видео для вас:


Как смартфоны и ноутбуки подсчитывают, сколько заряда осталось в их аккумуляторах?

Краткий ответ: Точное определение количества заряда, оставшегося в батарее, — непростая задача, но есть несколько методов, которые можно использовать, в том числе оценка на основе напряжения, оценка на основе тока (кулоновский подсчет) и оценка из измерений внутреннего импеданса.Все эти методы основаны на измерении удобного параметра, который меняется по мере зарядки/разрядки аккумулятора.

(Фото предоставлено Bloomua/Shutterstock)

Однако все эти методы имеют свои недостатки, и поэтому нельзя полагаться на то, что они обеспечивают 100% точные показания «остаточного заряда» в аккумуляторе. Кроме того, некоторые из этих методов специфичны для определенных клеточных химических процессов.

Прежде чем мы подробно рассмотрим некоторые из этих методов, важно сначала расшифровать термин, который будет появляться в этой статье с замечательным постоянством.

Что такое «состояние заряда»?

Состояние заряда, как следует из названия, сообщает вам о состоянии батареи, а точнее об оставшемся заряде батареи в данный момент. Обычно сокращенно SOC, это эквивалент указателя уровня топлива для аккумуляторной батареи в электромобиле или гибридном автомобиле.

Другим термином, тесно связанным с SOC, является глубина разряда (DOD). На самом деле это просто обратный SOC, т. е. альтернативный метод, показывающий, сколько заряда батареи было израсходовано.

Аккумулятор держит заряд, и мы хотим измерить, сколько он держит в данный момент. Другими словами, мы хотим определить его состояние заряда. Это может быть достигнуто с помощью нескольких методов. Давайте поговорим о некоторых из них.

Определение состояния заряда путем измерения напряжения

SOC аккумулятора часто измеряется по его напряжению, поскольку этот процесс прост и дает довольно точные результаты. Он в основном преобразует показания напряжения батареи в SOC и отображает их пользователю.

Попробуем понять этот процесс с помощью аналогии. Аккумулятор похож на резервуар с водой с краном у его основания. У вас нет возможности заглянуть в резервуар, поэтому вы не можете знать, сколько воды в нем содержится в данный момент. Как определить, сколько воды осталось в баке?

Один из способов оценить количество оставшейся воды — посмотреть на напор воды, выходящей из крана. Если вода выходит быстро, это означает, что она находится под большим давлением, а это означает, что бак почти заполнен.С другой стороны, если поток воды из крана очень медленный, вы знаете, что бак почти пуст

То же самое верно и в случае с батареями. Литий-ионный аккумулятор с напряжением 3,5 В может иметь 3,6 В, когда он полный, и 3,3 В, когда он почти разряжен (т.е. использовано 92-98% его полной емкости). Обратите внимание, что литий-ионная батарея может быть разряжена до 3 В и ниже, но батарея показывает 0% или «полностью разряжена» при напряжении 3,3 В, чтобы обеспечить максимальную полезную емкость батареи. Разрядка батареи ниже этого предельного напряжения может привести к серьезному повреждению батареи.

Устройство возьмет это напряжение и, соответственно, оценит, сколько заряда осталось в аккумуляторе, что затем будет показано пользователю на экране.

Проблемы с оценкой SOC по напряжению

Несмотря на простоту процесса, нельзя полагаться на то, что он даст 100% точные результаты, поскольку на напряжение влияют такие факторы, как температура окружающей среды, скорость разряда, материалы элемента и срок службы батареи. Кривые напряжения в большинстве аккумуляторов следуют нелинейной зависимости от состояния заряда.

Если вы не находитесь в самом конце кривой заряда или разряда, напряжение на самом деле не меняется очень сильно — это означает, что довольно сложно понять разницу между заряженной на 60% батареей и батареей, заряженной на 40%.

Кроме того, существует проблема гистерезиса, что означает, что батарея продолжает разряжаться даже после того, как она перестала разряжаться. Чтобы предотвратить эту проблему, аккумулятор должен быть полностью «расслаблен» в течение нескольких часов, чтобы измерение напряжения работало точно.(Источник)

Определение состояния заряда с помощью тока (кулоновский счетчик)

Другой метод оценки SOC заключается в измерении тока, входящего (когда он заряжается) и выходящего (когда он разряжается) в элементы, и интегрирования этого по времени. Простыми словами, вы можете рассчитать, сколько заряда осталось в аккумуляторе, подсчитав, сколько заряда уже было использовано. Этот метод определения SOC метко называют «кулоновским счетом», поскольку он подсчитывает 90 027 зарядов, входящих и выходящих из ячеек.

В некоторых электронных устройствах может быть установлено крошечное устройство, известное как кулоновый счетчик , который измеряет ток, потребляемый главным устройством, суммирует его с течением времени, а затем сравнивает его с запрограммированной емкостью батареи для получения оценки сколько заряда осталось в аккумуляторе.

Хотя он обеспечивает большую точность, чем большинство других методов оценки SOC, поскольку он напрямую измеряет ток, он имеет свой собственный набор ограничений, а именно не учитывает эффективность батареи.Кроме того, очень сложно (и дорого) проводить точные измерения тока (Источник).

Оценка SOC по измерениям удельного веса (SG)

Это очень часто используемый метод для оценки SOC свинцово-кислотных аккумуляторов.

Свинцово-кислотная батарея

При этом используется датчик, который измеряет изменения массы активных химических веществ, присутствующих в батарее, по мере ее разрядки. По мере израсходования накопленного в аккумуляторе заряда концентрация серной кислоты (активного электролита в аккумуляторе) уменьшается, что пропорционально снижает удельный вес раствора.

Хотя ареометры традиционно использовались для измерения удельного веса (SG), современные свинцово-кислотные батареи состоят из электронных датчиков, которые обеспечивают измерение удельного веса в режиме реального времени и дают довольно точные значения SOC. Однако этот метод является исключительным для свинцово-кислотных аккумуляторов и не может использоваться с другими химическими элементами.

Ареометр. Его можно использовать для измерения заряда свинцово-кислотного аккумулятора. (Изображение предоставлено: Butch / Wikimedia Commons)

Оценка SOC путем измерения внутреннего импеданса

Активные химические вещества внутри клетки меняют свой состав, переходя из одной формы в другую во время зарядки/разрядки батареи.Следовательно, путем измерения внутреннего импеданса (противодействия, которое цепь оказывает току при приложении напряжения) ячейки можно определить ее SOC.

Однако этот метод не очень популярен: во-первых, импеданс ячейки зависит от температуры; и, во-вторых, трудно измерить импеданс клетки, пока она еще активна.

Существует несколько других методов, которые можно использовать для определения состояния заряда аккумулятора, но ни один из них не идеален, и каждый предлагает уникальный набор проблем.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *