Электрическое поле. Электрический потенциал, ЭДС и напряжение. Электрическое напряжение и потенциал

Электрическое поле. Электрический потенциал, ЭДС и напряжение

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ

Основные сведения о строении вещества и физической природе электричества

Известно, что все тела состоят из отдельных очень малых частиц — атомов и молекул. Каждый химический элемент — водород, углерод, медь, алюминий и прочие — состоит из атомов определенного вида. Молекулы образуются из нескольких атомов одного или различных химических элементов.

Строение атома весьма сложно. Упрощенно атом можно представить в виде ядра, окруженного оболочкой. Оболочка образована из постоянно движущихся с чрезвычайно большой скоростью мельчайших частиц — электронов, ядро — из протонов и нейтронов. Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть даже в самый сильный микроскоп. В атомах разных химических элементов содержится различное количество протонов, нейтронов и электронов.

Рисунок 1 - Схематическое изображение атомов

Заряд электрона е= -1,6×10-20 Кл.

Тело, приобретая электроны, получает отрицательный заряд (отрицательный ион).

Тело, теряя электроны, получает положительный заряд (положительный ион). Процесс превращения нейтрального атома в ион называется ионизацией.

Атомы различных химических веществ отличаются друг от друга количеством электронов.

Электроны, потерявшие связь с атомами и перемещающиеся в пространстве между ними, называются свободными. Свободных электронов много в металлах, чем и объясняется хорошая электропроводность металлов.

Атомы ряда других вещества прочно удерживают электроны около ядра и не дают им свободно уходить из атомов. Такие вещества плохо проводят электричество.

Закон Кулона.

Сформулирован французским ученым Кулоном в 1775 г.

Сила взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел прямо пропорциональна произведению зарядов этих тел, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды.

Рисунок 2- Схемы взаимодействия электрических зарядов.

[Н],

где - заряды точечных тел [Кл];

- расстояние между их центрами [м];

- абсолютная диэлектрическая проницаемость [Ф/м];

- сила [Н].

Диэлектрическая проницаемость и электрическая постоянная.Различные вещества имеют разную абсолютную диэлектрическую проницаемость. Абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума называется электрической постоянной в СИ à Ф/м.

Опытным путем установлено .

Материал
Воздух	1,0
Бумага парафинированая	4,3
Масло минеральное	2,2
Мрамор	8,3
Миканит	9,2
Резина	2,7
Фарфор	5,8

Электрическое поле. Электрический потенциал, ЭДС и напряжение

В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела.

Электрическое поле условно изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направления действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую двигалась бы в электрическом поле положительно заряженная частица. Электрические силовые линии расходятся в разные стороны от положительно заряженных тел и сходятся у тел, обладающих отрицательным зарядом.

Поле, созданное двумя плоскими разноименно заряженными параллельными пластинами, называется однородным.

Напряженность электрического поля. Электрическое поле действует на внесенный в него заряд q с некоторой силой F. Следовательно, об интенсивности электрического поля можно судить по значению силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый электрический заряд, принятый за единицу. В электротехнике интенсивность поля характеризуют напряженностью электрического поля Е. Под напряженностью понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля.

Направление напряженности эклектического поля Е совпадает по направлению с силой F.

Внутри проводника электрическое поле отсутствует, и применяют это для экранирования – защита измерительных приборов от воздействия внешнего электромагнитного поля.

Электрический потенциал. Электрическое поле обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Энергия электрического поля может быть реализована, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определенную работу.

Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля, введено специальное понятие — электрический потенциал. Электрический потенциал поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Разность электрических потенциалов двух точек поля равна работе, затраченной силами поля на перемещение заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую точку с меньшим потенциалом.

, [В] , [В]

ЭДС . При соединении проводником двух разноименно заряженных тел, т. е. таких тел, между которыми действует некоторая разность потенциалов, свободные электроны в этих телах и в соединительном проводнике придут в движение и возникнет электрический ток. Этот ток будет протекать по проводнику до тех пор, пока потенциалы обоих тел не станут равными.

Можно, однако, обеспечить и непрерывное движение электронов по проводнику, соединяющему два разноименно заряженных тела, т. е. непрерывное прохождение электрического тока. Для прохождения постоянного тока по металлическому проводнику необходимо все время обеспечивать на его концах разность потенциалов, или напряжение. Но внутри источника эти заряды должны перемещаться от отрицательного зажима к положительному, т. е. от точки с низшим потенциалом к точке с высшим потенциалом. Такое перемещение зарядов внутри источника совершается благодаря электродвижущей силе (ЭДС), которая возбуждается в источнике. ЭДС поддерживает разность потенциалов на зажимах источника электрической энергии, обеспечивая прохождение тока по электрической цепи. Эта разность потенциалов определяет собой напряжение источника электрической энергии. ЭДС обозначается буквой Е (е) и численно равна работе, которую нужно затратить на перемещение единицы положительного заряда от одного зажима источника к другому.

Электрическое напряжение. Потенциал

Электрическое поле, связанное с движущимися заряженными частицами в проводнике, называется стационарным в отличие от электростатического, связанного с неподвижными заряженными частицами.

Заметим, что напряжённость электрического поля внутри проводников в статическом состоянии зарядов может быть только равной нулю Е=0. Иначе был бы ток и, следовательно, состояние зарядов не было бы статическим.

Электрический ток в проводнике и соответствующее ему стационарное электрическое поле нужно поддерживать, непрерывно пополняя энергию поля, которая расходуется в связи с движением заряженных частиц, превращаясь в тепло. Если частица с зарядом переносится в электрическом поле из точки а в точку b (рис. 2.1), то действующие на неё силы совершают работу , величина которой зависит от напряжённости поля Е, величины заряда и расстояния l, на которое переносится заряд :

Рис.2.1 Электрическое поле

С энергетической точки зрения поле вдоль рассматриваемого пути характеризуется работой, приходящейся на единицу заряда: Это отношение называется электрическим напряжением.При =1

Электрическое напряжение – это энергетическая характеристика поля, которая определяется как работа, совершаемая силами электрического поля при переносе заряда =1 Кл из точки a в точку b.

В общем случае напряжение равно линейному интегралу напряжённости электрического поля вдоль рассматриваемого пути из точки a в точку b.

(2.7)

Для равномерного поля с напряжением между двумя любыми точками:

(2.8)

Учитывая, что работа, совершаемая при перемещении заряженной частицы в электрическом поле, зависит от положения начальной и конечной точек пути, для практических расчётов вводят энергетическую характеристику поля в каждой точке, величина которой является функцией положения точки. Такой характеристикой является электрический потенциал.

Напряжение между двумя точками электрического поля равно разности потенциалов поля в этих точках:

(2.10)

Полагая приведём другое определение электрического потенциала.

Электрический потенциал – это работа, которую потребуется затратить электрическому полю для перемещения единичного положительного заряда из данной точки поля в точку с нулевым потенциалом.

Теоретически точкой с нулевым потенциалом полагают точку бесконечно удалённую в пространстве. При решении практических задач, относящихся к электрическим установкам, за нулевой потенциал принимают потенциал земли.

Единица электрического напряжения и потенциала – вольт:

Применяются также производные от вольта: 1 киловольт (кВ)=103 В; 1 милливольт ; 1 микровольт

Знак напряжения определяется направлением сил электрического поля, действующего на положительный заряд. Направление указывается стрелкой (→) или знаками (+ –).

Электрическая ёмкость. Конденсатор

Изолированный проводник, помещённый в электрическое поле, способен накапливать электрический заряд, величина которого пропорциональна его потенциалу:

. (2.11)

Коэффициент пропорциональности С называется ёмкостью.

Наибольшее практическое значение имеют системы из двух электрически изолированных между собой электропроводных тел, которые называются конденсаторами. Проводники конденсатора, называемые его обкладками, получают равные по величине, но противоположные по знаку заряды. Поэтому между обкладками конденсатора создаётся разность потенциалов. Тогда

Т. е., ёмкость электрического конденсатора характеризуется величиной заряда, который нужно сообщить одному из проводников конденсатора, чтобы напряжение между заряженными проводниками изменилось на 1 вольт.

Рис. 2.2 Условное обозначение конденсатора

Электрическое сопротивление. Закон Ома

Выражение закона Ома (2.15) можно записать в виде:

(2.16)

где R=1/G – величина обратная проводимости, называемая электрическим сопротивлением проводника.

Выражение (2.16) является математическим выражением закона Ома для пассивного участка электрической цепи.

lektsia.com

Электрическое поле. Напряженность поля, электрический потенциал и напряжение

Физическая природа электрического поля и его графическое изображение.В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела. Электрическое поле условно изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направления действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую двигалась бы в электрическом поле положительно заряженная частица. Как показано на рис. 4, электрические силовые линии расходятся в разные стороны от положительно заряженных тел и сходятся у тел, обладающих отрицательным зарядом. Поле, созданное двумя плоскими разноименно заряженными параллельными пластинами (рис. 4, г), называется однородным.

Электрическое поле можно сделать видимым, если поместить в него взвешенные в жидком масле частички гипса: они поворачиваются вдоль поля, располагаясь по его силовым линиям (рис. 5).

Напряженность поля.Электрическое поле действует на внесенный в него заряд ц (рис. 6) с некоторой силой Р. Следовательно, об интенсивности электрического поля можно судить по значению силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый электрический заряд, принятый за единицу. В электротехнике интенсивность поля характеризуют напряженностью электрического поля Е. Под напряженностью понимают отношение силы Р, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду ц этого тела:

Рис. 6. Схема действия электрического поля на внесенный в него электрический заряд ц

ностью Е изображается графически силовыми линиями большой густоты; поле с малой напряженностью — редко расположенными силовыми линиями. По мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т. е. напряженность поля уменьшается (см. рис. 4, а, б и в). Только в однородном электрическом поле (см. рис. А, г) напряженность одинакова во всех его точках.

Электрический потенциал.Электрическое поле обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Как известно, энергию можно также накопить в пружине, для чего ее нужно сжать или растянуть. За счет этой энергии можно получить определенную работу. Если освободить один из концов пружины, то он сможет переместить на некоторое расстояние связанное с этим концом тело. Точно так же энергия электрического поля может быть реализована, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определенную работу.

Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля, введено специальное понятие — электрический потенциал. Электрический потенциал ср поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Понятие электрического потенциала аналогично понятию уровня для различных точек земной поверхности. Очевидно, что для подъема локомотива в точку Б (рис. 7) нужно затратить большую работу, чем для подъема его в точку А. Поэтому локомотив, поднятый на уровень #2, при спуске сможет совершить большую работу, чем локомотив, поднятый на уровень Н\. За нулевой уровень, от которого производится отсчет высоты, принимают обычно уровень моря.

Точно так же за нулевой потенциал условно принимают потенциал, который имеет поверхность земли.

Электрическое напряжение.Различные точки электрического поля обладают разными потенциалами. Обычно нас мало интересует абсолютная величина потенциалов отдельных точек электрического поля, но нам весьма важно знать разность потенциалов ф1—фг между двумя точками поля А и Б (рис. 8). Разность потенциалов ф1 и ф2 двух точек поля характеризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемещение единичного заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую-точку с меньшим потенциалом. Точно так же нас на практике мало интересуют абсолютные высоты Н\ и //2 точек А и Б над уровнем моря (см. рис. 7), но для нас важно знать разность уровней Н между этими точками, так как на подъем локомотива из точки А в точку Б надо затратить работу, зависящую от величины Н. Разность потенциалов между двумя точками поля носит название электрического напряжения. Электрическое напряжение обозначают буквой V (и). Оно численно равно отношению работы 1^, которую нужно затратить на перемещение положительного заряда ц из одной точки поля в другую, к этому заряду, т. е.

Следовательно, напряжение (У, действующее между различными точками электрического поля, характеризует запасенную в этом поле энергию, которая может быть отдана путем перемещения между этими точками электрических зарядов.

Электрическое напряжение — важнейшая электрическая величина, позволяющая вычислять работу и мощность, развиваемую при перемещении зарядов в электрическом поле. Единицей электрического напряжения служит вольт (В). В технике напряжение иногда измеряют в тысячных долях вольта — милливольтах (мВ) и миллионных долях вольта — микровольтах (мкВ). Для измерения высоких напряжений пользуются более крупными единицами — киловольтами (кВ) — тысячами вольт.

Напряженность электрического поля при однородном поле представляет собой отношение электрического напряжения, дейст-12

вующего между двумя точками поля, к расстоянию / между этими точками:

Напряженность электрического поля измеряют в вольтах на метр (В/м). При напряженности поля в 1 В/м на заряд в 1 Кл действует сила, равная 1 ньютону (1 Н). В некоторых случаях применяют более крупные единицы измерения напряженности поля В/см (100 В/м) и В/мм (1000 В/м).

Электрический ток

infopedia.su

Электрическое поле. Электрический потенциал, ЭДС и напряжение — КиберПедия

Поле, созданное двумя плоскими разноименно заряженными параллельными пластинами, называется однородным.

Направление напряженности эклектического поля Е совпадает по направлению с силой F.

, [В] , [В]

cyberpedia.su

Каталог товаров

Электрическое поле. Электрический потенциал, ЭДС и напряжение. Электрическое напряжение и потенциал