Меню

Энергия электрического тока закон сохранения энергии

Физика

При электромагнитных гармонических колебаниях, возникающих в идеальном колебательном контуре, полная электромагнитная энергия контура сохраняется (остается постоянной).

Полная электромагнитная энергия идеального колебательного контура складывается из энергии электрического поля конденсатора и энергии магнитного поля катушки индуктивности:

где W C — энергия электрического поля конденсатора, W C = CU 2 /2 = q 2 /2 C = qU /2; W L — энергия магнитного поля катушки, W L = LI 2 /2; C — электрическая емкость конденсатора; U — напряжение (разность потенциалов) между обкладками конденсатора; q — заряд на обкладках конденсатора; L — индуктивность катушки; I — сила тока в катушке (рис. 10.17).

В Международной системе единиц энергия электромагнитных колебаний измеряется в джоулях (1 Дж).

При гармонических электромагнитных колебаниях локализация электромагнитной энергии изменяется с течением времени, поэтому целесообразно рассмотреть энергию контура в трех состояниях:

1) при полностью заряженном конденсаторе заряд на обкладках конденсатора имеет максимальное значение q max , поэтому энергия электрического поля также максимальна:

W C max = q max 2 2 C ;

энергия магнитного поля катушки равна нулю, так как ток в катушке отсутствует; полная энергия совпадает с максимальной энергией электрического поля конденсатора:

2) при максимальном токе в катушке индуктивности I max энергия магнитного поля в катушке имеет максимальное значение:

W L max = L I max 2 2 ;

электрическая энергия конденсатора равна нулю, так как конденсатор полностью разряжен; полная энергия совпадает с максимальной энергией магнитного поля в катушке:

3) в промежуточном состоянии электромагнитная энергия контура частично локализована в конденсаторе (в виде электрической энергии), а частично — в катушке (в виде магнитной энергии), т.е. обкладки конденсатора имеют некоторый заряд q , а в катушке течет ток силой I , поэтому полная энергия представляет собой сумму

E = q 2 2 C + L I 2 2 ,

где q 2 /2 C — энергия электрического поля конденсатора; LI 2 /2 — энергия магнитного поля катушки; C — электрическая емкость конденсатора; q — заряд на обкладках конденсатора; L — индуктивность катушки; I — сила тока в катушке.

При электромагнитных гармонических колебаниях в идеальном колебательном контуре (активное сопротивление идеального контура равно нулю: R = 0) полная электромагнитная энергия сохраняется:

Значения полной энергии электромагнитного колебательного контура в трех его состояниях отражены в табл. 10.3.

Состояние контура W C W L E = W C + W L
1 Конденсатор полностью заряжен q max 2 / 2 C q max 2 / 2 C
2 В катушке течет максимальный ток L I max 2 / 2 L I max 2 / 2
3 Промежуточное (мгновенное) q 2 /2 C LI 2 /2 q 2 /2 C + LI 2 /2

Значения полной электромагнитной энергии, представленные в последнем столбце таблицы, имеют равные значения для любых состояний колебательного контура, что является математическим выражением закона сохранения полной электромагнитной энергии :

q max 2 2 C = L I max 2 2 ;

q max 2 2 C = q 2 2 C + L I 2 2 ;

L I max 2 2 = q 2 2 C + L I 2 2 ,

где C — электрическая емкость конденсатора; L — индуктивность катушки; q — заряд на обкладках конденсатора в состоянии 3 ; I — сила тока в катушке в состоянии 3 ; q max — максимальное значение заряда на обкладках конденсатора в состоянии 1 ; I max — максимальное значение силы тока в катушке в состоянии 2 .

При рассмотрении электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре иногда целесообразно пользоваться другими формулами для определения электрической энергии конденсатора:

  • при использовании формулы

закон сохранения полной электромагнитной энергии может быть выражен одним из соотношений:

C U max 2 2 = L I max 2 2 ; C U max 2 2 = C U 2 2 + L I 2 2 ; L I max 2 2 = C U 2 2 + L I 2 2 ,

где C — электрическая емкость конденсатора; L — индуктивность катушки; U — напряжение между обкладками конденсатора в состоянии 3 ; I — сила тока в катушке в состоянии 3 ; U max — максимальное напряжение между обкладками конденсатора в состоянии 1 ; I max — максимальное значение силы тока в катушке в состоянии 2 ;

  • при использовании формулы

закон сохранения полной электромагнитной энергии может быть выражен одним из соотношений:

q max U max 2 = L I max 2 2 ; q max U max 2 = q U 2 + L I 2 2 ; L I max 2 2 = q U 2 + L I 2 2 ,

где C — электрическая емкость конденсатора; L — индуктивность катушки; q — заряд на обкладках конденсатора в состоянии 3 ; U — напряжение между обкладками конденсатора в состоянии 3 ; I — сила тока в катушке в состоянии 3 ; q max — максимальное значение заряда на обкладках конденсатора в состоянии 1 ; U max — максимальное напряжение между обкладками конденсатора в состоянии 1 ; I max — максимальное значение силы тока в катушке в состоянии 2 .

Пример 13. В колебательном контуре возбуждены незатухающие гармонические колебания. Во сколько раз энергия электрического поля в конденсаторе больше энергии магнитного поля в катушке индуктивности в тот момент, когда сила тока в катушке в 4 раза меньше амплитудного значения?

Решение . Сравним два состояния колебательного контура:

  • состояние 1 (характеризуется максимальным значением силы тока в катушке индуктивности I 0 );
  • промежуточное состояние 2 (характеризуется промежуточными значениями силы тока в катушке I и напряжения между обкладками конденсатора U ).

Полная энергия колебательного контура в указанных состояниях определяется следующими формулами:

  • в состоянии 1 —

где L — индуктивность катушки; I 0 — амплитуда силы тока (максимальное значение силы тока);

  • в состоянии 2 —

E 2 = L I 2 2 + C U 2 2 ,

где C — электроемкость конденсатора; I — сила тока в катушке индуктивности, I = I 0 /4.

Закон сохранения полной энергии электромагнитного колебательного контура имеет следующий вид:

L I 0 2 2 = L I 2 2 + C U 2 2 .

Разделим обе части записанного равенства на LI 2 /2:

( I 0 I ) 2 = 1 + C U 2 2 ⋅ 2 L I 2 = 1 + W C W L ,

где W C — энергия электрического поля конденсатора в состоянии 2 , W C = CU 2 /2; W L — энергия магнитного поля катушки в состоянии 2 , W L = LI 2 /2.

Выразим из уравнения искомое отношение энергий:

W C W L = ( I 0 I ) 2 − 1

и рассчитаем его значение:

W C W L = ( I 0 I 0 / 4 ) 2 − 1 = 16 − 1 = 15 .

В указанный момент времени отношение энергии электрического поля конденсатора к энергии магнитного поля катушки равно 15.

Пример 14. Заряд конденсатора электроемкостью 5,0 мкФ в колебательном контуре меняется по закону

где q — заряд в кулонах; φ — фаза в радианах.

Найти энергию магнитного поля в катушке индуктивности при значении фазы 60°.

Решение . Сравним два состояния колебательного контура:

  • состояние 1 (характеризуется максимальным значением заряда на обкладках конденсатора q 0 );
  • промежуточное состояние 2 (характеризуется промежуточными значениями силы тока в катушке I и заряда на обкладках конденсатора q ).

Полная энергия колебательного контура в указанных состояниях определяется следующими формулами:

  • в состоянии 1 —

где C — электроемкость конденсатора, C = 5,0 мкФ; q 0 — максимальное значение заряда на обкладках конденсатора, q 0 = 0,80 Кл;

  • в состоянии 2 —

E 2 = L I 2 2 + q 2 2 C ,

где L — индуктивность катушки; q — заряд на обкладках конденсатора в тот момент, когда в катушке индуктивности протекает ток силой I .

Закон сохранения полной энергии электромагнитного колебательного контура имеет следующий вид:

q 0 2 2 C = L I 2 2 + q 2 2 C .

Выразим из записанного уравнения энергию магнитного поля катушки (искомую величину):

W L = L I 2 2 = q 0 2 2 C − q 2 2 C = q 0 2 − q 2 2 C .

Рассчитаем заряд на обкладках конденсатора при заданной фазе колебаний:

q = 0,80 cos 60° = 0,40 Кл.

Подставим полученное значение в формулу для энергии магнитного поля катушки и вычислим ее значение:

W L = 0,80 2 − 0,40 2 2 ⋅ 5,0 ⋅ 10 − 6 = 48 ⋅ 10 3 Дж = 48 кДж.

При заданной фазе колебаний заряда на обкладках конденсатора энергия магнитного поля в катушке индуктивности составляет 48 кДж.

Источник

Закон сохранения энергии для цепей постоянного тока содержащих ЭДС

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии является общим законом природы, следовательно, он применим и к явлениям, происходящим в электричестве. При рассмотрении процессов превращения энергии в электрическом поле рассматривают два случая:

  1. Проводники присоединены к источникам ЭДС, при этом постоянными являются потенциалы проводников.
  2. Проводники являются изолированными, что означает: заряды проводников неизменны.

Мы будем рассматривать первый случай.

Допустим, что у нас имеется система, состоящая из проводников и диэлектриков. Эти тела совершают малые и очень медленные перемещения. Температура тел поддерживается постоянной ($T=const$), для этого тепло или отводят (если оно выделяется) или подводят (при поглощении тепла). Диэлектрики у нас являются изотропными и мало сжимаемыми (плотность постоянна ($\rho =const$)). При заданных условиях внутренняя энергия тел, которая не связана с электрическим полем, остается неизменной. Помимо этого, диэлектрическая проницаемость ($\varepsilon (\rho ,\ T)$), зависящая от плотности вещества и его температуры, может считаться постоянной.

На любое тело, помещенное в электрическое поле, действуют силы. Иногда такие силы называют пондемоторными силами поля. При бесконечно малом перемещении тел пондемоторные силы выполняют бесконечно малую работу, которую обозначим $\delta A$.

Закон сохранения энергии для цепей постоянного тока содержащих ЭДС

Электрическое поле имеет определённую энергию. При перемещении тел электрическое поле между ними изменяется, значит, изменяется его энергия. Увеличение энергии поля при малом смещении тел обозначим как $dW$.

Читайте также:  Расчет автомата по мощности трехфазного тока

Если в поле движутся проводники, то изменяется их взаимная емкость. Для сохранения без изменения потенциалов проводников на них следует добавлять (или убирать с них) заряды. В таком случае каждый источник тока совершает работу, равную:

\[\varepsilon dq=\varepsilon Idt\ \left(1\right),\]

где $\varepsilon$ — ЭДС источника; $I$ — сила тока; $dt$ — время перемещения. В исследуемой системе тел возникают электрические токи, соответственно во всех частях системы будет выделяться тепло ($\delta Q$), которое по закону Джоуля — Ленца равно:

\[\delta Q=RI^2dt\ \left(2\right).\]

Следуя закону сохранения энергии, работа всех источников тока равна сумме механической работы сил поля, изменению энергии поля и количества теплоты Джоуля — Ленца:

При отсутствии движения проводников и диэлектриков ($\delta A=0;;\ dW$=0) вся работа источников ЭДС переходит в тепло:

Используя закон сохранения энергии, иногда можно рассчитать механические силы, действующие в электрическом поле проще, чем исследуя, как воздействует поле на отдельные части тела. При этом поступают следующим образом. Допустим, нам следует вычислить величину силы $\overline$, которая действует на тело, находящееся в электрическом поле. Допускают, что рассматриваемое тело совершает малое перемещение $d\overline$. В таком случае, работа силы $\overline$ равна:

\[\delta A=\overlined\overline=F_rdr\ \left(5\right).\]

Далее находят все изменения энергии, которые вызваны перемещением тела. Затем из закона сохранения энергии получают проекцию силы$<\ \ F>_r$ на направление перемещения ($d\overline$). Если выбрать перемещения параллельные осям системы координат, то можно найти компоненты силы вдоль этих осей, следовательно, вычислить неизвестную силу по величине и направлению.

Примеры задач с решением

Задание. Плоский конденсатор частично погружен в жидкий диэлектрик (рис.1). Когда конденсатор заряжается, на жидкость в областях неоднородного поля действуют силы, при этом жидкость втягивается в конденсатор. Найдите силу ($f$) воздействия электрического поля на каждую единицу горизонтальной поверхности жидкости. Считайте, что конденсатор соединен с источником напряжения, напряжение $U$ и напряженность поля внутри конденсатора постоянны.

Закон сохранения энергии для цепей постоянного тока содержащих ЭДС, пример 1

Решение. При увеличении столба жидкости между пластинами конденсатора на величину $dh$ работа силы $f$ равна:

где $S$ — горизонтальное сечение конденсатора. Изменение энергии электрического поля плоского конденсатора определим как:

Обозначим $b$ — ширину пластины конденсатора, тогда заряд, который дополнительно перейдет от источника, равен:

При этом работа источника тока:

\[\varepsilon dq=Udq=U\left(\varepsilon <\varepsilon >_0E-<\varepsilon >_0E\right)bdh\left(1.4\right),\]

если считать, что сопротивление проводов мало, то можно положить:

\[\varepsilon =U\ \left(1.5\right).\]

Учитывая, что $E=\frac$Тогда формула (1.4) перепишется в виде:

\[\varepsilon dq=\left(\varepsilon <\varepsilon >_0E^2-<\varepsilon >_0E^2\right)Sdh\left(1.6\right).\]

Применяя закон сохранения энергии в цепи постоянного тока, если она имеет источник ЭДС:

для рассматриваемого случая запишем:

Из полученной формулы (1.8) найдем $f$:

Задание. В первом примере мы считали сопротивления проводов бесконечно малыми. Как изменилась бы ситуация, если сопротивление считать конечной величиной, равной R?

Решение. Если предполагать, что сопротивление проводов не мало, то при объединении в законе сохранения (1.7) слагаемых: $\varepsilon Idt\ $ и $RI^2dt$, мы получим, что:

\[\varepsilon Idt=RI^2dt=\left(\varepsilon -IR\right)Idt=UIdt.\]

Источник

Энергия электрического тока закон сохранения энергии

Вы будете перенаправлены на Автор24

Закон сохранения энергии — всеобщий закон природы. Следовательно, он применим в том числе, и к электрическим явлениям. Рассмотрим два случая превращения энергии в электрическом поле:

  1. Проводники являются изолированными ($q=const$).
  2. Проводники соединены с источниками тока при этом не изменяются их потенциалы ($U=const$).

Закон сохранения энергии в цепях с постоянными потенциалами

Допустим, что имеется система тел, которая может включать в себя как проводники, так и диэлектрики. Тела системы могут совершать малые квазистатические перемещения. Температура системы поддерживается постоянной ($\to \varepsilon =const$), то есть тепло подводится к системе, или отводится от нее при необходимости. Диэлектрики, входящие в систему будем считать изотропными, плотность их положим постоянной. В этом случае доля внутренней энергии тел, которая не связана с электрическим полем изменяться не будет. Рассмотрим варианты превращений энергии в подобной системе.

Готовые работы на аналогичную тему

На любое тело, которое находится в электрическом поле, действуют пондемоторные силы (силы, действующие на заряды внутри тел). При бесконечно малом перемещении пондемоторные силы выполнят работу $\delta A.\ $Так как тела перемещаются, то изменение энергии dW. Так же при перемещении проводников изменяется их взаимная емкость, следовательно, для сохранение потенциала проводников неизменным, необходимо изменять заряд на них. Значит, каждый из источников тора совершает работу равную $\mathcal E dq=\mathcal E Idt$, где $\mathcal E $ — ЭДС источника тока, $I$ — сила тока, $dt$ — время перемещения. В нашей системе возникнут электрические токи, и в каждой ее части выделится тепло:

По закону сохранения заряда, работа всех источников тока равна механической работе сил электрического поля плюс изменение энергии электрического поля и тепло Джоуля — Ленца (1):

В случае если проводники и диэлектрики в системе неподвижны, то $\delta A=dW=0.$ Из (2) следует, что вся работа источников тока превращается в тепло.

Закон сохранения энергии в цепях с постоянными зарядами

В случае $q=const$ источники тока не войдут в рассматриваемую систему, тогда левая часть выражения (2) станет равна нулю. Помимо этого, тепло Джоуля — Ленца возникающее за счет перераспределения зарядов в телах при их перемещении обычно считают несущественным. В таком случае закон сохранения энергии будет иметь вид:

Формула (3) показывает, что механическая работа сил электрического поля равна уменьшению энергии электрического поля.

Применение закона сохранения энергии

Используя закон сохранения энергии в большом количестве случаев можно рассчитать механические силы, которые действуют в электрическом поле, при чем сделать это порой существенно проще, чем, если рассматривать непосредственное действие поля на отдельные части тел системы. При этом действуют по следующей схеме. Допустим необходимо найти силу $\overrightarrow$, которая действует на тело в поле. Полагают, что тело перемещается (малое перемещение тела $\overrightarrow$). Работа искомой силы равна:

Далее находят все остальные изменения энергии (2) или (3), находят проекцию $F_r$ на направление $\overrightarrow$. Находят составляющие силы и саму силу.

Задание: Вычислите силу притяжения, которая действует между пластинами плоского конденсатора, который помещен в однородный изотропный жидкий диэлектрик с диэлектрической проницаемостью $\varepsilon $. Площадь пластин S. Напряжённость поля в конденсаторе E. Пластины отключены от источника. Сравните силы, которые действуют на пластины при наличии диэлектрика и в вакууме.

Так как сила может быть только перпендикулярна пластинам, то перемещение выберем по нормали к поверхности пластин. Обозначим через dx перемещение пластин, то механическая работа будет равна:

\[\delta A=Fdx\ \left(1.1\right).\]

Изменение энергии поля при этом составит:

Если между пластинами находится вакуум, то сила равна:

При заполнении конденсатора, который отключен от источника, диэлектриком напряженность поля внутри диэлектрика уменьшается в $\varepsilon $ раз, следовательно, уменьшается и сила притяжения пластин во столько же раз. Уменьшение сил взаимодействия между пластинами объясняется наличием сил электрострикции в жидких и газообразных диэлектриках, которые расталкивают пластины конденсатора.

Задание: Плоский конденсатор частично погружен в жидкий диэлектрик (рис.1). При зарядке конденсатора жидкость втягивается в конденсатор. Вычислить силу f, с которой поле действует на единицу горизонтальной поверхности жидкости. Считать, что пластины соединены с источником напряжения (U=const).

Закон сохранения энергии для цепей постоянного тока

Обозначим через h- высоту столба жидкости, dh — изменение (увеличение) столба жидкости. Работа искомой силы при этом будет равна:

где S — площадь горизонтального сечения конденсатора. Изменение электрического поля равно:

Читайте также:  Ограничение пускового тока в двигателях с короткозамкнутым ротором осуществляется с помощью чего

На пластины перейдет дополнительный заряд dq, равный:

где $a$ — ширина пластин, учтем, что $E=\frac$ тогда работа источника тока равна:

\[\mathcal E dq=Udq=U\left(\varepsilon <\varepsilon >_0E-<\varepsilon >_0E\right)adh=E\left(\varepsilon <\varepsilon >_0E-<\varepsilon >_0E\right)d\cdot a\cdot dh=\left(\varepsilon <\varepsilon >_0E^2-<\varepsilon >_0E^2\right)Sdh\left(2.4\right).\]

Если считать, что сопротивление проводов мало, то $\mathcal E $=U. Используем закон сохранения энергии для систем с постоянным током при условии постоянства разности потенциалов:

Источник



Закон сохранения энергии в электричестве (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5

Содержание

Андрей Владимирович Гаврилов, доцент НГАВТ

Закон сохранения энергии в электричестве. 4

Основные законы и формулы. 4

Примеры решения задач. 8

Задачи для самостоятельного решения. 10

Галина Степановна Лукина, главный методист ХКЗФМШ

Физика и живая природа. 16

1. Задания для самостоятельного выполнения. 16

2. Задачи-вопросы. 17

3. Наблюдения. 21

4. Задачи для самостоятельного решения. 22

5. Приложение. 26

Аркадий Федорович Немцев, зав. отделом ХКЦРТДЮ

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ВОКРУГ НАС. 38

ТЕПЛОЕМКОСТЬ. 38

Плавление. Испарение. 38

Удельная теплота сгорания топлива. 39

Физические задачи из литературных произведений. 43

, доцент НГАВТ

Закон сохранения энергии в электричестве

Основные законы и формулы

Если в проводящей среде (проводнике) создать электрическое поле, то в ней возникает упорядоченное движение электрических зарядов – электрический ток

При прохождении электрического тока через однородный проводник выделяется теплота, называемая джоулевой теплотой. Количество выделившейся теплоты определяется законом Джоуля – Ленца:

Данная форма закона применима только для постоянного тока, то есть для такого тока, величина которого не изменяется с течением времени.

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике в единицу времени, называется тепловой мощностью тока

Следует отметить, что при прохождении электрического тока, теплота может не только выделяться, но и поглощаться, что наблюдается при прохождении тока через спай разнородных металлов. Данное явление получило название эффекта Пельтье. Теплота, поглощаемая или выделяемая при эффекте Пельтье, является избыточной над джоулевой теплотой и определяется выражением

Где П12 – коэффициент Пельтье. В отличие от джоулевой теплоты, пропорциональной квадрату силы тока и всегда выделяющейся в проводнике, теплота Пельтье пропорциональна первой степени силы тока, а знак ее зависит от направления тока через спай металлов.

Работа тока полностью переходит в теплоту только в случае неподвижных металлических проводников. Если ток совершает механическую работу (например, в случае электрического двигателя), то работа тока переходит в теплоту лишь частично.

Для того чтобы через проводник достаточно долго протекал электрический ток, необходимо принимать меры по поддержанию в проводнике электрического поля. Электростатическое поле, то есть поле неподвижных электрических зарядов, не способно длительное время поддерживать ток. В результате действия кулоновских сил в проводнике происходит такое перераспределение свободных носителей зарядов, при котором поле внутри него становится равным нулю. Так, если в электростатическое поле внести проводник, то возникшее в нем движение зарядов очень быстро прекращается и потенциал поля в любой точке проводника становится одинаковым.

Работа кулоновских сил по перемещению заряда определяется выражением:

Если заряд перемещается в электростатическом поле по замкнутой траектории, то работа кулоновских сил в этом случае равна нулю.

Для того, чтобы в электрической цепи длительное время протекал электрический ток, необходимо, чтобы цепь содержала участок, на котором на свободные заряды кроме кулоновских сил действовали бы силы природа которых отлична от кулоновских – сторонние силы. Сторонние силы на заряды действуют в особых устройствах — источниках тока. Так, например, в химических источниках тока, сторонние силы возникают в результате химических реакций.

Величина, числена равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС)

Химические источники тока способны поддерживать ток в цепи достаточно длительный промежуток времени, до тех пор, пока не происходят необратимые реакции с химическими соединениями, входящими в их состав. Так, если замкнуть проводником химический источник тока, то величина тока будет с течением времени уменьшаться до нуля по мере расходования энергии химических реакций в источнике.

Существуют обратимые химические источники тока – аккумуляторы. Такие устройства при разрядке можно восстанавливать — заряжать – то есть при помощи тока от внешнего источника восстанавливать их работоспособность за счет обращения химических реакций. При зарядке аккумуляторы накапливают электрическую энергию. Количество энергии, которую способен запасти аккумулятор, определяется его емкостью. Емкость аккумуляторов измеряется в ампер-часах.

Электрические цепи, то есть цепи в которых может протекать электрический ток, содержат источники тока, проводники, также в состав цепи могут входить конденсаторы.

Энергетический баланс в электрических цепях определяется законом сохранения и превращения энергии. Запишем его в следующем виде:

где Авнеш – работа, совершенная над системой внешними силами, ΔW – изменение энергии системы, Q –выделившееся количество теплоты. Будем считать, что, если Авнеш > 0, то внешние силы совершают над системой положительную работу, а если Авнеш 0, то энергия системы увеличивается, а если ΔW 0, то в системе выделяется тепло, а если Q 0 и Аист > 0, если источник заряжается – то Δq 2r. Какими будут конечные скорости шариков после удара, если в момент соударения за счёт пробоя их заряды выровнялись? Гравитационным взаимодействием пренебречь.

Задача №6. Точечный заряд q = 10 мкКл находится на расстоянии L = 1 см от проводящей плоскости. Какую работу надо совершить, чтобы удалить его на очень большое расстояние от плоскости?

Задача №7. Маленький заряженный шарик массой m шарнирно подвешен на невесомом непроводящем стержне длиной L. На расстоянии 1,5L слева от шарнира находится вертикальная заземлённая металлическая пластина больших размеров. Стержень отклоняют от вертикали вправо на угол и отпускают без начальной скорости. В ходе начавшихся колебаний стержень достигает горизонтального положения, после чего движется обратно, и процесс повторяется. Найдите заряд шарика. Ускорение свободного падения равно g.

Задача №8. Найдите объемную плотность энергии электрического поля вблизи бесконечной заряженной плоскости с поверхностной плотностью зарядов 10 нКл/м2. Объемная плотность энергии – энергия, приходящаяся на единицу объема.

Задача №9. Большая тонкая проводящая пластина площадью S и толщиной d помещена в однородное электрическое поле напряженностью Е. Какое количество теплоты выделиться, если поле мгновенно выключить? Какую минимальную работу надо совершить, чтобы вынуть пластину из поля?

Задача №10. На обкладках плоского конденсатора находятся заряды + q и – q. Площадь обкладки S, расстояние между ними d. Какую работу надо совершить, чтобы сблизить обкладки до расстояния d?

Задача №11. Внутри плоского конденсатора, площадь обкладки которого 200 см2 и расстояние между ними 1 см находится пластинка из стекла (ε = 5), целиком заполняющая промежуток между обкладками. Как изменится энергия конденсатора, если удалить эту пластинку? Решить задачу для случая 1) конденсатор все время подключен к источнику тока с напряжением 200 В. 2) конденсатор первоначально был присоединен к тому же источнику, затем его отключили, и только после этого удалили пластинку.

Задача №12. Плоский конденсатор заполнили диэлектриком и на пластины подали некоторую разность потенциалов. Энергия конденсатора при этом равна W = 2*10-5 Дж. После того, как конденсатор отключили от источника, диэлектрик вынули из конденсатора. Работа, которую надо было совершить для этого, равна А = 7*10-5 Дж. Найдите диэлектрическую проницаемость диэлектрика.

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

Задача №13. Стеклянная пластинка полностью заполняет пространство между обкладками плоского конденсатора, емкость которого в отсутствии пластинки 20 нФ. Конденсатор подключили к источнику тока с напряжением 100 В. Пластинку медленно без трения вынули из конденсатора. Найдите приращение энергии конденсатора и механическую работу против электрических сил при извлечении пластинки.

Задача №14. Конденсатор емкостью С несет на обкладках заряд q. Какое количество теплоты выделится в конденсаторе, если его заполнить веществом с диэлектрической проницаемостью ε?

Читайте также:  Характеристики трансформатора тока обозначение

Задача №15. Плоский конденсатор находится во внешнем электрическом поле напряженностью Е, перпендикулярной пластинам. На пластинах площадью S находятся заряды +q и –q. Расстояние между пластинами d. Какую минимальную работу надо совершить, чтобы поменять пластины местами? Расположить параллельно полю? Вынуть из поля?

Задача №16. Конденсатор емкостью С заряжен до напряжения U. К нему подключают точно такой же конденсатор. Сопротивление подводящих проводов равно R. Какое количество теплоты выделиться в проводах?

Задача №17. Два одинаковых плоских конденсатора емкостью С каждый соединяют параллельно и заряжают до напряжения U. Пластины одного из них медленно разводят на большое расстояние. Какая при этом совершается работа?

Задача №18. Два конденсатора емкостью С каждый, заряжены до напряжения U и соединены через резистор. Пластины одного конденсатора быстро раздвигают, так, что расстояние между ними увеличивается вдвое, а заряд на пластинах за время их перемещения не изменяется. Какое количество теплоты выделится в резисторе?

Задача №19. Конденсатор емкостью С1=1 мкФ зарядили до напряжения 300 В и подключили к незаряженному конденсатору С2 емкостью 2 мкФ. Как изменилась при этом энергия системы?

Задача №20. Два одинаковых плоских конденсатора емкостью С каждый присоединяют к двум одинаковым батареям с ЭДС Е. В какой-то момент времени один конденсатор отключают от батареи, а второй оставляют присоединенным. Затем медленно разводят обкладки обеих конденсаторов, уменьшая емкость каждого в n раз. Какая механическая работа совершается в каждом случае? Объясните полученный результат.

Задача №21. В схеме, изображенной на рис., найдите количество теплоты, выделившееся в каждом резисторе при замыкании ключа. Конденсатор, емкостью С1 заряжен до напряжения U1, а конденсатор емкостью С2 – до напряжения U2. Сопротивления резисторов R1 и R2.

Задача №22. Два конденсатора емкостями С1 и С2 соединили последовательно и подключили к источнику тока с напряжением U. Затем конденсаторы отключили и включили параллельно так, что + одного конденсатора оказался подключенным к + другого. Какая при этом выделилась энергия?

Задача №23. В схеме приведенной на рис. , конденсатор емкостью С, зарядили до напряжения U. Какое количество энергии будет запасено в аккумуляторе с ЭДС ε после замыкания ключа? Какое количество теплоты выделится в резисторе?

Задача №24. Какое количество тепла выделится в цепи при переключении ключа К из положения 1 в положение 2?

Задача №25. Какое количество тепла выделится в цепи при переключении ключа К из положения 1 в положение 2?

Задача №26. В электрической цепи, схема которой показана на рис., ключ К замкнут. Заряд конденсатора q = 2 мкКл, внутреннее сопротивление батареи r = 5 Ом, сопротивление резистора 25 Ом. Найдите ЭДС батареи, если при размыкании ключа К на резисторе выделяется количество теплоты Q = 20 мкДж.

Задача №27. В электрической цепи, схема которой показана на рис., ключ К замкнут. ЭДС батареи Е=24 В, ее внутреннее сопротивление r = 5 Ом, заряд конденсатора 2 мкКл. При размыкании ключа К на резисторе выделяется количество теплоты 20 мкДж. Найдите сопротивление резистора.

Задача №28. Свинцовая проволочка диаметром 0,3 мм плавится при пропускании через нее тока 1,8 А, а проволочка диаметром 0,6 мм – при токе 5 А. При каком токе разорвет цепь предохранитель, составленный из двух этих проволочек, соединенных параллельно?

Задача №29. В гирлянде для новогодней елки последовательно соединены двенадцать одинаковых лампочек. Как изменится мощность, потребляемая гирляндой, если в ней оставить только шесть лампочек?

Задача №30. Какой ток пойдет по подводящим проводам при коротком замыкании в цепи, если при поочередном включении двух электроплиток с сопротивлением R1 = 200 Ом и R2 = 500 Ом на них выделяется одинаковая мощность 200 Вт.

Задача №31. При прохождении постоянного электрического тока по участку АВ на резисторе сопротивлением R2 выделяется тепловая мощность P2. Какая тепловая мощность выделяется на каждом из резисторов сопротивлениями R1 и R3?

Задача №32. К источнику постоянного напряжения 200 В подключена схема из четырех резисторов, как показано на рисунке. На двух резисторах выделяется мощность 50 Вт, на других двух — 100 Вт. Как изменятся эти мощности, если замкнуть ключ К?

Задача №33. К выводам сложной цепи, состоящей из резисторов и источников тока, подключили вольтметр – он показал напряжение 6 В. Затем к этим же выводам подключили амперметр – он показал ток 1 А. Какую максимальную мощность можно получить, подключив к этим выводам нагревательный элемент? Приборы считать идеальными.

Задача №34. Нагреватель электрического чайника имеет две секции. При включении одной из них вода закипает за время 15 мин, при включении другой — за время 30 мин. Через какое время закипит вода если а) секции включить последовательно б) секции включить параллельно?

Задача №35. Электродвигатель, сопротивление обмотки якоря которого равно R подключают к источнику постоянного напряжения U, при этом через него протекает ток I. Вычислите потребляемую двигателем мощность, мощность, теряемую на нагрев обмотки, и КПД двигателя.

Задача №36. Электромотор питается от источника тока с постоянным по величине напряжением 24 В. Чему равна мощность, развиваемая мотором, при протекании по обмотке тока 8 А, если известно, что при полностью заторможенном якоре течет ток 16 А?

Галина Степановна Лукина, главный методист ХКЗФМШ

Физика и живая природа

1. Задания для самостоятельного выполнения

В жизни каждому из нас нередко при­ходится делать прикидки, оценки: успеем ли перейти дорогу, хватит ли времени для выполнения работы, как далеко расположен нужный объект, и т. п.

Для выполнения простейших измерений или расчетов в отсутствие необходимых инструментов иногда приходится прибегать к «подручным средствам». Такими «подручными средствами» могут служить кисти наших рук, сами руки. А определение «на глазок» длины предмета или расстояния до нужного объекта возможно методом сравнения с нашим ростом, длиной шага, размером обуви и т. д.

Задание 1 (3 балла за задание в целом). Измерьте с помощью обычной школьной линейки (или тетрадного листа в клеточку) все возможные параметры своей руки, которые могут помочь в определении размеров других предметов:

— длину самого короткого и самого длинного пальца руки,

— максимальный раствор ладони (расстояние от кончика мизинца до кончика большого пальца при полностью раскрытой ладони),

— максимальное расстояние от кончика указательного пальца до кончика большого пальца при полностью раскрытой ладони,

— «локоть» (расстояние от локтевого сустава до кончика среднего пальца лежащей на столе руки).

Запишите (для памяти) полученные значения на шпаргалку или в записную книжку. Они не однажды вам могут понадобиться.

Задание 2 (3 балла за задание в целом). Пользуясь только что полученными «ручными» мерками, оцените:

— длину и ширину столешницы вашего учебного стола,

— длину и ширину любого помещения,

— размеры рамки для фотографии.

Проверьте линейкой или сантиметром, правильность оценочных значений.

Задание 3 (1 балл). Зная свой рост или рост любого из присутствующих в помещении людей, оцените методом сравнения высоту потолка данного помещения в метрах.

Замечание. Если вам понравилось пользоваться «подручными» мерками, следует помнить, что их надо постоянно обновлять.

Задание 4 (1 балл). Оцените среднюю длину собственного шага (в см).

Задание 5 (5 баллов за задание в целом).

1. Оцените среднюю скорость своего движения обычным шагом:

2. Оцените среднюю скорость своего движения бегом.

3. Сравните полученные значения скорости со скоростью передвижения известных вам живых существ.

4. Рассчитайте кинетическую энергию, которую вы развиваете во время бега и во время ходьбы.

Таблица 1. Справочные материалы

Ориентировочные значения максимальной скорости в животном мире (в км/ч)

Источник