The Spacetime Metric
Poziom 2 · Fizyka szkoły średniejKlasy 10–12Około 9 godzin

Elektryczność, magnetyzm i obraz Maxwella

Połącz ładunek, pola, obwody, indukcję, światło i pęd elektromagnetyczny.

Model interaktywny

Zbadaj, zanim policzysz

Poprzeczne i podłużne składowe pola przedstawione jako odrębne wzory falowe.
Równania Maxwella określają, które wzory pola rozchodzą się w zwykłej próżni i jak kształtują je źródła oraz brzegi.

Laboratorium interaktywne

Ławka wprowadzona do Faraday–Lenz

Zmień cewkę i jej interwał strumienia magnetycznego. Napięcie indukowane reaguje na szybkość strumienia, podczas gdy znak Lenza utrzymuje napięcie elektryczne związane z pracą przez sterownik.

− EMF+ EMFzero

Zmiana strumienia na turę: 2.00e-3 WB

Wywołane pole zapalne: -1.600 V

Obecnie: -0.160 A

Moc rezystancyjna: 0.256 W

Indukowany kierunek: clockwise in the declared view. Przeciwna odpowiedź magnetyczna oznacza, że czynnik zmieniający strumień dostarcza energię elektryczną dostarczaną do obwodu.

Poziom 2 · Fizyka szkoły średniej · Zestaw dydaktyczny

Zapisz badanie. Nauczaj rozumowania.

Karta laboratoryjna dla ucznia i przewodnik dla prowadzącego zamieniają model interaktywny w powtarzalne badanie.

Karta ucznia

Mapa polaryzacji indukcyjnej Faradaya

Jak szybkość zmiany strumienia i kierunek wpływu determinują wielkość i znak napięcia indukowanego?

Pobierz Markdown dla ucznia

Przewodnik prowadzącego

Nauczaj badania, nie interfejsu

Uczący się łączą indukowaną wartość EMF z tempem zmiany strumienia oraz polaryzację z opozycją zmiany.

Pobierz Markdown dla prowadzącego
Otwórz kompletny zestaw do druku →

Lekcja 1 z 3

Ładunek, pole elektryczne i napięcie

Jak łączą się ze sobą opis lokalnego pola i opis energii na jednostkę ładunku?

Pole elektryczne podaje siłę na jednostkę dodatniego ładunku próbnego. Napięcie podaje różnicę energii potencjalnej elektrycznej na jednostkę ładunku.

Pole jest wektorem, a napięcie skalarem. Oba opisują jeden układ elektromagnetyczny z uzupełniających się punktów widzenia.

pole elektryczne · napięcie · natężenie prądu · opór

Przykład rozwiązany

Jakiej sile podlega ładunek 2 μC w polu 300 N/C?

  1. 1. Zamień 2 μC na 2×10⁻⁶ C.
  2. 2. Skorzystaj z F = qE.
  3. 3. Pomnóż 2×10⁻⁶×300.

Wartość siły wynosi 6×10⁻⁴ N, a dla ładunku dodatniego jest skierowana wzdłuż pola.

Spróbuj

Zmapuj powierzchnie ekwipotencjalne

Materiały: Bezpieczna niskonapięciowa symulacja mapowania pola.

  1. 1. Umieść dwie wirtualne elektrody.
  2. 2. Odczytaj napięcie w punktach siatki.
  3. 3. Połącz punkty o jednakowym napięciu.
  4. 4. Porównaj kierunek pola elektrycznego z tymi liniami.

Zwróć uwagę: Strzałki pola elektrycznego przecinają linie ekwipotencjalne pod kątem prostym i wskazują kierunek malejącej energii potencjalnej dodatniego ładunku próbnego.

Sprawdź, czy rozumiesz: Czy wysokie napięcie koniecznie oznacza duży prąd?

Odpowiedź: Nie.

Prąd zależy też od oporu obwodu i połączeń; obwód otwarty może mieć napięcie przy pomijalnym prądzie.

Lekcja 2 z 3

Siła magnetyczna i indukcja

Jak zmieniające się pola mogą przekazywać energię bez bezpośredniego kontaktu?

Pola magnetyczne działają na poruszający się ładunek i na momenty magnetyczne. Dla ładunku punktowego kierunek siły jest prostopadły zarówno do prędkości, jak i do pola.

Zmieniający się strumień magnetyczny wytwarza pole elektryczne. Reguła Lenza ustala kierunek tak, by efekty indukowane przeciwdziałały zmianie strumienia, co zachowuje bilans energii.

strumień magnetyczny · siła Lorentza · indukcja · reguła Lenza

Przykład rozwiązany

Dlaczego magnes zwalnia, gdy spada przez przewodzącą rurę?

  1. 1. Zmieniający się strumień indukuje prądy wirowe.
  2. 2. Te prądy wytwarzają pole magnetyczne przeciwdziałające zmianie.
  3. 3. Energia mechaniczna zamienia się w ciepło wydzielane na oporze.

To hamowanie jest indukcją elektromagnetyczną, a nie niewyjaśnionym oporem czy zaginioną energią.

Spróbuj

Wirtualne laboratorium indukcji

Materiały: Symulacja z cewką i magnesem.

  1. 1. Przesuń magnes powoli przez cewkę.
  2. 2. Powtórz szybciej.
  3. 3. Odwróć biegun i kierunek ruchu.
  4. 4. Zanotuj znak napięcia i wartość szczytową.

Zwróć uwagę: Szybsza zmiana strumienia daje większe napięcie indukowane; odwrócenie zmiany odwraca biegunowość.

Sprawdź, czy rozumiesz: Dlaczego reguła Lenza przeciwdziała zmianie, zamiast ją swobodnie wzmacniać?

Odpowiedź: Wzmacnianie bez dodatkowego zasilania łamałoby zasadę zachowania energii.

Siła reakcji sprawia, że to wymuszenie dostarcza energię elektryczną oddawaną do obwodu.

Lekcja 3 z 3

Równania Maxwella i fale elektromagnetyczne

Jak zmieniające się pola elektryczne i magnetyczne podtrzymują światło biegnące przez przestrzeń?

Równania Maxwella wiążą ładunki z polami elektrycznymi, prądy z polami magnetycznymi, zmieniające się pola magnetyczne z wirowymi polami elektrycznymi, a zmieniające się pola elektryczne z polami magnetycznymi.

W przestrzeni bez źródeł te sprzężone zmiany tworzą fale biegnące z prędkością c. Ich energia i pęd mogą wywierać ciśnienie promieniowania.

równania Maxwella · fala elektromagnetyczna · wektor Poyntinga · ciśnienie promieniowania

Przykład rozwiązany

Wiązka o mocy 10 W zostaje w całości pochłonięta. Jakiego rzędu siłę może dostarczyć jej pęd?

  1. 1. Dla pochłoniętego światła F = P/c.
  2. 2. Przyjmij c ≈ 3×10⁸ m/s.
  3. 3. Oblicz 10/(3×10⁸).

Około 3,3×10⁻⁸ N — mało, ale istotnie w precyzyjnych eksperymentach z ciągiem.

Spróbuj

Bilans sił we wnęce

Materiały: Kartka papieru, wartość mocy we wnęce i kalkulator.

  1. 1. Oblicz maksymalną zwykłą skalę ciśnienia promieniowania P/c.
  2. 2. Wypisz siły od kabli, ogrzewanie, odgazowanie i sprzężenie magnetyczne.
  3. 3. Uszereguj spodziewane wielkości.
  4. 4. Zaprojektuj test z odwróceniem albo test zerowy.

Zwróć uwagę: Znane efekty elektromagnetyczne wytwarzają realne, maleńkie siły, które trzeba ograniczyć, zanim ogłosi się nowy napęd.

Sprawdź, czy rozumiesz: Czy fala elektromagnetyczna może nieść pęd, choć fotony mają zerową masę spoczynkową?

Odpowiedź: Tak.

Energia i pęd relatywistyczny są ze sobą powiązane; światło przekazuje pęd przy pochłonięciu albo odbiciu.

Od wzoru do znaczenia

Przeczytaj równanie zwykłym językiem.

  1. F = qE; V = ΔU/q

    Pole zadaje siłę na jednostkę ładunku; napięcie zadaje różnicę energii na jednostkę ładunku.

    Jednostki: N; V = J/C

  2. F = q(v × B)

    Siła magnetyczna jest prostopadła do ruchu ładunku i do pola magnetycznego.

    Jednostki: N

  3. c = 1/√(μ₀ε₀); F_light ≈ P/c

    Stałe próżni zadają prędkość fali; moc wiązki zadaje skalę siły ciśnienia promieniowania.

    Jednostki: m/s; N

Praktyka samodzielna

Zestaw zadań

Rozwiąż każde zadanie, zanim otworzysz podpowiedź i rozwiązanie.

  1. 1. Źródło 12 V wymusza prąd 0,50 A. Jaka moc jest dostarczana?

    Pokaż podpowiedź

    Skorzystaj z P = VI.

    Pokaż rozwiązanie

    6,0 W.

  2. 2. Strumień magnetyczny przez jeden zwój zmienia się o 0,020 Wb w ciągu 0,10 s. Znajdź wartość średniej indukowanej SEM.

    Pokaż podpowiedź

    Skorzystaj z |SEM| = |ΔΦ/Δt|.

    Pokaż rozwiązanie

    0,20 V.

  3. 3. Oszacuj siłę od pochłoniętego światła dla wiązki o mocy 1 kW.

    Pokaż podpowiedź

    Skorzystaj z P/c.

    Pokaż rozwiązanie

    Około 3,3 μN.

Idź dalej, do dowodów

Następna lektura, z jej źródłami