Człowiek najlepsza inwestycja

Człowiek najlepsza inwestycja Fizyka ćwiczenia F6 - Prąd stały, pole magnetyczne magnesów i prądów stałych Prowadzący: dr Edmund Paweł Golis Instytut Fizyki Konsultacje stałe dla projektu; od Pn. do Pt. w godz. 8 15-9 00 pokój 008 budynek B1 parter oraz uzgadniane indywidualnie poprzez e-mail: e.golis@ajd.czest.pl lub gg 7974708 Projekt współfinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

NatęŜenie prądu elektrycznego NatęŜenie prądu elektrycznego jest równe stosunkowi ładunku przepływającego przez poprzeczny przekrój przewodnika do czasu jego przepływu Jednostka natęŝenia prądu jest amper [A], prąd mierzymy za pomocą amperomierza Napięcie elektryczne Napięcie elektryczne jest róŝnicą potencjałów między punktami obwodu i wyraŝamy je w woltach [V], napięcie mierzymy za pomocą woltomierza Prąd stały Prąd stały jest prądem elektrycznym o stałym kierunku i stałym natęŝeniu Przykładem prądu stałego jest prąd wytworzony przez ogniwo galwaniczne w zamkniętym obwodzie elektrycznym

Prawo Ohma dla prądu stałego Stosunek napięcia do natęŝenia prądu jest stały (dla stałej temperatury) i równy oporowi elektrycznemu przewodnika Jednostką oporu elektrycznego jest om [Ω] Opór przewodnika moŝna wyliczyć z zaleŝności: gdzie ρ jest oporem właściwym substancji, l długością przewodnika a S jego przekrojem Opór elektryczny metali rośnie liniowo z temperaturą wg wzoru R t = R 0 (1 + αt ) gdzie R 0 jest oporem przewodnika w temperaturze 0 0 C, α temperaturowym współczynnikiem oporu

Szeregowe łączenie oporów Opór zastępczy Równoległe łączenie oporów Opór zastępczy

Zadanie 1 Korzystając z prawa Ohma wyprowadź wzory na opór zastępczy w połączeniu szeregowym i równoległym oporników Zadanie 2 Przewodnik o oporze 1 Ω i o przekroju prostokątnym przecięto wzdłuŝ na dwie równe części i połączono je szeregowo. Oblicz opór tak zbudowanego układu. Zadanie 3 Mając do dyspozycji 3 jednakowe oporniki o oporze 10Ω przeanalizuj wszystkie moŝliwe połączenia tych oporników i oblicz dla nich opory zastępcze. WskaŜ połączenia o największej i najmniejszej wartości oporu. Zadanie 4 Znajdź temperaturę wolframowego włókna Ŝarówki w czasie pracy jeŝeli wiadomo, Ŝe natęŝenie prądu przepływającego przez Ŝarówkę w momencie jej włączenia w temperaturze 20 0 C jest 12,5 razy większe niŝ natęŝenie prądu przepływającego przez Ŝarówkę w czasie jej pracy. Współczynnik temperaturowy oporu dla wolframu wynosi 5,1*10-3 0 C -1.

Kondensatory PróŜniowy kondensator płaski jest układem dwóch równoległych płyt przewodzących. Pojemność kondensatora jest stosunkiem ładunku zgromadzonego na jego okładkach do róŝnicy potencjałów między nimi Jednostką pojemności elektrycznej jest farad [F] = [C] / [V] JeŜeli rozmiary liniowe okładek są duŝo większe od odległości między nimi to pojemność kondensatora płaskiego próŝniowego wynosi: gdzie S jest powierzchnią okładek, d - odległością między nimi a ε 0 przenikalnością dielektryczna próŝni. Po wypełnieniu kondensatora dielektrykiem o względnej przenikalności elektrycznej ε r (stałej dielektrycznej), jego pojemność wzrasta ε r razy i wynosi C = ε r. C 0, gdzie C 0 pojemność kondensatora próŝniowego Wewnątrz kondensatora płaskiego panuje jednorodne pole elektryczne o natęŝeniu:

Energia kondensatora wyraŝa się wzorami: Pojemność zastępcza kondensatorów wynosi: przy połączeniu szeregowym przy połączeniu równoległym

Zadanie 5 Układ z rysunku trzech płaskich kondensatorów próŝniowych o powierzchni okładek 500 cm 2 kaŝdy podłączono do źródła o napięciu 100V. Odległości między okładkami kondensatorów wynoszą 6 mm, 3 mm i 2 mm odpowiednio dla C 1, C 2, i C 3. Oblicz: pojemność zastępczą układu, rozkład napięć i ładunków na poszczególnych kondensatorach oraz wielkości natęŝeń pól elektrycznych między okładkami kondensatorów. Zadanie 6 Kondensator płaski o pojemności 4µF naładowano w próŝni do napięcia 120V i odłączono od źródła napięcia. Następnie kondensator zanurzono pionowo w ciekłym dielektryku o stałej dielektrycznej równej 11, tak, Ŝe dielektryk wypełnił połowę objętości kondensatora. Oblicz pojemność zastępczą oraz napięcie po zanurzeniu kondensatora w dielektryku

Zadanie 7 Po naładowaniu próŝniowego kondensatora płaskiego o pojemności 10µF do napięcia 100V, zostaje on odłączony od źródła napięcia. Jaka pracę trzeba wykonać, aby rozsunąć okładki tego kondensatora na odległość dwa razy większą niŝ początkowa? Ile będzie wynosiło napięcie między okładkami kondensatora po ich rozsunięciu? Zadanie 8 Układ składający się z dwóch kondensatorów o tej samej pojemności C (C 1 =C 2 ) i klucza K (klucz w połoŝeniu A) łączymy ze źródłem prądu o sile elektromotorycznej E jak na rysunku. Wielokrotnie zmieniamy połoŝenie klucza łącząc kondensator C 1 kolejno ze stykami B, A, B itd.. Jak zmienia się napięcie na kondensatorze C 2 po kaŝdym przełączeniu klucza?

Siła elektromotoryczna Jest wielkością charakteryzującą źródło prądu elektrycznego równą napięciu w woltach na jego zaciskach przy zerowym przepływie prądu. Przepływy prądowe w obwodach elektrycznych opisują prawa Kirchhoffa. I prawo Kirchhoffa Algebraiczna suma prądów dopływających do węzła obwodu elektrycznego i wypływających z niego jest równa zero. Prawo to jest konsekwencją zasady zachowania ładunku elektrycznego. I 1 + I 2 + I 3 I 4 I 5 I 6 = 0

II prawo Kirchhoffa Dla dowolnie wybranego oczka suma algebraiczna sił elektromotorycznych i spadków napięć liczonych wzdłuŝ wybranego kierunku jest równa zero Dla 1 oczka E 1 - I 1 r 1 + I 2 R 2 + I 2 r 2 E 2 = 0 Dla 2 oczka E 2 - I 2 r 2 - I 2 R 2 I 3 R 1 = 0 Dla 3 oczka E 1 - I 1 r 1 I 3 R 1 = 0

Zadanie 9 Ile wynosi wartość oporu elektrycznego opornika R, mierzonego za pomocą mostka Wheatstone a pokazanego na rysunku? Zadanie 10 Jakiego opornika i jak połączonego naleŝy uŝyć w celu poszerzenia zakresu miliamperomierza o oporze wewnętrznym 9Ω, z 10mA do 0,1A?

Zadanie 11 Co naleŝy zrobić, aby miliamperomierz z zadania 10 uŝyć do pomiaru napięcia w zakresie od 0V do 100V? Zadanie 12 Akumulator o sile elektromotorycznej 12V i oporze wewnętrznym 0,2Ω ładuje się ze źródła o sile elektromotorycznej 13V i oporze wewnętrznym 0,1Ω. Równolegle do akumulatora podłączono Ŝarówkę o oporze 4,1Ω (jak na rysunku). Jaka jest wartość natęŝenia prądu płynącego przez Ŝarówkę?

Moc prądu stałego Moc prądu stałego wyraŝa się wzorami: Przy zadanym napięciu U moc osiąga maksimum dla minimalnej wartości oporu. Przy zadanym prądzie moc jest proporcjonalna do wartości oporu elektrycznego. Zadanie 13 Do baterii o sile elektromotorycznej 4,5V oraz oporze wewnętrznym 0,2Ω podłączono opornicę o zmiennej oporności (jak przedstawiono na rysunku). Ile wynosi maksymalna moc wydzielona na opornicy?

Indukcja magnetyczna wokół przewodnika z prądem Wokół przewodnika prostoliniowego, w którym płynie prąd o natęŝeniu I, powstaje wirowe pole magnetyczne o indukcji B wyraŝonej w teslach [T], danej wzorem: gdzie µ 0 = 4π * 10-7 Tm/A, jest przenikalnością magnetyczną próŝni, a R jest odległością od przewodnika. Pole magnetyczne jest skierowane zgodnie z regułą prawej dłoni (śruby prawoskrętnej). W środku pętli o promieniu R wartość indukcji magnetycznej wynosi:

W długim solenoidzie (zwojnicy) powstaje jednorodne pole magnetyczne o indukcji: gdzie n jest liczbą zwojów na jednostkę długości solenoidu. Po włoŝeniu do solenoidu rdzenia ferromagnetycznego wartość indukcji ulega wzmocnieniu i wyraŝa się wzorem: gdzie µ jest względną przenikalnością magnetyczną materiału rdzenia.

Zadanie 14 Oblicz wartość indukcji magnetycznej w środku pętli o promieniu 10 cm, wykonanej na długim przewodniku prostoliniowym, w którym płynie prąd o natęŝeniu 5 A. Zadanie 15 Dwa końce elektromagnesu odpychają północne bieguny igiełek magnetycznych. Czy jest to moŝliwe? Jak wytłumaczyć to zjawisko? Zadanie 16 Dwa identyczne magnesy sztabkowe ustawiono w tej samej odległości od siebie, raz biegunami jednoimiennymi a raz róŝnoimiennymi. Narysuj linie sił pola magnetycznego w obu przypadkach i odpowiedz na pytanie, czy siła ich wzajemnego oddziaływania jest identyczna? Zadanie 17 Jak, mając do dyspozycji dwie identycznie wyglądające sztabki stalowe, stwierdzić, nie uŝywając Ŝadnych innych przedmiotów i przyrządów, która z nich jest namagnesowana, a która nie?

Oddziaływanie pola magnetycznego na przewodnik z prądem Na przewodnik o długości l, w którym płynie prąd o natęŝeniu I, umieszczony w polu magnetycznym o indukcji B działa siła elektrodynamiczna, zwana siłą Lorentza, wyraŝona wzorem: gdzie α to kat pomiędzy kierunkiem wektora indukcji i kierunkiem przepływu prądu. Kierunek siły F moŝna wyznaczyć z reguły lewej dłoni zwanej regułą Fleminga. Dwa umieszczone obok siebie przewodniki, w których płynie prąd elektryczny, poprzez pole magnetyczne oddziaływają na siebie. Oddziaływanie to ma charakter przyciągania, gdy kierunki prądów w przewodnikach są zgodne, lub odpychania gdy kierunki prądów są przeciwne.

Zadanie 18 Jaka siłą, liczoną na 1 m długości, przyciągają się wzajemnie dwa równoległe, nieskończenie długie i prostoliniowe przewodniki, oddalone od siebie o 1 m, jeŝeli płyną w nich takie same prądy o natęŝeniu 1 A, w kierunkach zgodnych? Zadanie 19 O jaki kąt wychyli się pręt o masie 100 g i długości 20 cm zawieszony poziomo na dwóch niewaŝkich, równoległych i jednakowej długości giętkich przewodach, przymocowanych do jego końców, jeśli umieszczony jest on w pionowym polu magnetycznym o indukcji 0,2 T i płynie przez niego prąd 5 A? Zadanie 20 Przewodnik, przez który płynie prąd 5 A umieszczono w polu magnetycznym o indukcyjności równej 10 T. Kąt między kierunkiem prądu i polem magnetycznym równa się 60 0. Znajdź długość tego przewodnika, jeŝeli wiadomo, Ŝe pole działa na niego siłą 20 N.

dr Edmund Paweł Golis Instytut Fizyki Konsultacje stałe dla projektu; od Poniedziałku do Piątku w godz. 8 15-9 00 pokój 008 budynek B1 parter oraz uzgadniane indywidualnie poprzez e-mail: e.golis@ajd.czest.pl lub gg 7974708