3 Электростатическое поле и его свойства
Электростатическое поле — поле, созданное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами (при отсутствии электрических токов).
Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на неподвижный[1] пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q.
Электростатический потенциа́л — скалярная энергетическая характеристика электростатического поля, характеризующая потенциальную энергию поля, которой обладает единичный заряд, помещённый в данную точку поля. Единицей измерения потенциала является, таким образом, единица измерения работы, деленная на единицу измерения заряда.
Если в пространстве имеется система заряженных тел, то в каждой точке этого пространства существует силовое электрическое поле. Оно определяется через силу, действующую на пробный заряд, помещённый в это поле. Пробный заряд должен быть малым, чтобы не повлиять на характеристику электростатического поля.
• Всегда незамкнуты: начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах
• Густота линий тем больше, чем больше напряженность, то есть напряженность поля прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих через единицу площади поверхности
4 Напряжённость электрического поля
Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на неподвижный[1] пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q.
Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим. Во многих случаях для краткости это поле обозначают общим термином – электрическое поле
Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности
Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на неподвижный[1] пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.
5 работа сил электростатического поля по перемещению заряда
Элементарная работа, совершаемая силой F при перемещении точечного электрического заряда из одной точки электростатического поля в другую на отрезке пути по определению равна
Электрическое поле и его характеристики
Тема 1.2. Электрическое поле и его характеристики.
знать: свойства и характеристики электрического поля, классификацию электрических цепей, условные обозначения элементов электрической цепи, понятия электрического тока, силы тока, напряжения, сопротивления и проводимости;
уметь: рассчитывать такие параметры электрической цепи как электрическое сопротивление, ток, напряжение, проводимость.
Литература, использованная при подготовке лекции:
Морозова Н.Ю. Электротехника и электроника/ Н.Ю. Морозова. — :ОИЦ "Академия", 2011.
Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника и электроника/ А.С. Касаткин, М.В. Немцов: учеб. М.: Академия, 2005. 9-е изд.
Березкина Т.Ф., Гусев Н.Г., Масленников В.В. Задачник по общей электротехнике с основами электроники/ Т.Ф. Березкина, Н.Г. Гусев, В.В. Масленникова. — М.: Высшая школа, 1991.
Дополнительная:
Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники: Учебное пособие для студентов неэлектротехн. спец. средних спец. учеб. заведений. — 4-е изд., стер./ И.А. Данилов, П.М. Иванов. — М.: Высшая школа, 2000.
1. Характеристики электрического поля
Для лучшего усвоения последующего материала необходимо актуализировать знания, пройденные в ходе изучения физики. Вспомним характеристики электрического поля.
Все вещества состоят из молекул, а молекулы в свою очередь из атомов. Атом состоит из протонов, электронов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, электроны отрицательный, а нейтроны — это частицы, не обладающие зарядом. Атом считается нейтральным, если он имеет одно и то же число электронов и протонов, уравновешивающих друг друга. Если атом получает электрон, он становится отрицательно заряженным, если атом теряет электрон, — положительно заряженным (рис. 1). Таким образом, каждое вещество содержит большое число элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом.
Электрический заряд — величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц.
Обозначение — q или Q. Единица измерения — Кулон.
Вокруг заряда в любой среде, в том числе и в вакууме, возникает электрическое поле.
Электрическое поле — пространство, в котором на электрически заряженные частицы и тела воздействует сила (рис.2).
Электростатическое поле — поле, создаваемое неподвижными заряженными зарядами.
Свойства электрического поля:
порождается электрическими зарядами;
обнаруживается по действию на заряд;
действует на заряды с некоторой силой.
Электрическое поле изображается силовыми линиями или линиями напряженности электрического поля (рис.3).
Под действием сил электростатического поля заряды взаимодействуют друг с другом: одноименные — отталкиваются, разноименные — притягиваются (рис.4).
Например, когда вы расчесываете волосы пластмассовой расческой, волосы и расческа становятся заряженными, поэтому волосы притягиваются к расческе или к расческе может прилипнуть кусочек бумаги. А тело человека может заряжаться до напряжения около 20 кВ.
Сила взаимодействия электрических зарядов определяется законом Кулона и направлены по прямой линии (рис. 5).
Если в электрическое поле поместить пробный положительный заряд, то силы этого поля будут стремиться переместить этот заряд в определенном направлении. Таким образом, электрическое поле обладает следующими характеристиками:
Напряженность — это сила, с которой электрическое поле действует на заряд, помещенный в данную точку. Единица измерения — вольт/метр.
где Е — напряженность, F — сила, Н; q — величина электрического заряда, Кл.
Например: иногда во время грозы или при её приближении на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, линии электропередачи и т.п.) возникает разряд в форме светящихся пучков или кисточек (так называемый коронный разряд). Это явление получило название Огни святого Эльма. Причиной его возникновения является большая напряженность электрического поля (500 В/м и выше) у острия атмосферы.
Потенциал — работа, которая производится силами электрического поля при перемещении единицы положительного заряда из данной точки в бесконечность (в точку с нулевым потенциалом) (рис.6). Единица измерения — вольт.
где — потенциал; А — работа сил электрического поля, Н∙м; q — количество электричества, Кл; F — сила, Н; S — путь, м.
Эта работа равна потенциальной энергии WМ, которой обладает заряд в 1 Кл в рассматриваемой точке поле (например, М).
В электрическом поле потенциал положительного заряда любой точки положителен, а в поле отрицательного заряда — отрицателен.
Потенциал различных точек электрического поля обычно сравнивают с потенциалом земли, который принято считать равным нулю (подобно тому, как температуру любого тела сравнивают с температурой таяния льда). Это значит, что потенциал проводника, электрически соединенного с Землей, равен нулю. Положительный потенциал больше (выше) потенциала земли, а отрицательный потенциал меньше (ниже) потенциала земли.
Ответьте на вопрос, для чего применяют преднамеренное электрическое соединение с землей какой-либо точки электрической сети, электроустановки или оборудования?
При преднамеренном электрическом соединении с землей, например, корпуса электрооборудования, которое может в результате каких-либо причин оказаться под высоким напряжением, происходит уменьшение до безопасного значения разности потенциалов между заземляемым проводящим предметом и другими проводящими предметами, имеющими естественное заземление. Тем самым, персонал, обслуживающий это оборудования защищается от взаимодействия электрического напряжения.
Если поле создано положительным зарядом, то чем дальше точка поля удалена от заряда, тем меньше её потенциал, и наоборот, если электрическое поле создано отрицательным зарядом. Так rABC, то A B C (рис.7).
Напряжение — разность потенциалов двух точек электрического поля (рис.5). Единица измерения — Вольт.
где U — напряжение; М, N — потенциалы точек электрического поля, В; Е — напряженность, В/м; l — расстояние, на которое переместился заряд, м.
Рассмотрим следующий пример. Пусть в точке А электрического поля потенциал относительно земли А = 20 В, в точке В потенциал В = 10 В, в точке С С = 5 В. Тогда, разность потенциалов — напряжение между этими точками (рис. 8):
Для обычных людей электрическое напряжение определяет применимость того или иного электроприбора, например, мы знаем, что для электрочайника или телевизора нужно 220 В, а для МР3 плеера нужны две — три батарейки формата АА по 1,5 В. Чем выше напряжение, тем ярче его проявление. Вспомните опыт по физике, когда на электродах электростатической машины сверкают искры и раздается характерный треск, а вспомните летнюю грозу с громом и молнией, напряжение которой порядка миллиарда вольт.
Вывод: электрическое поле создается электрическими зарядами. Между электрическими зарядами существует взаимодействие. Характеристиками электрического поля являются силовая — напряженность и энергетическая — потенциал. Одним из основных понятий электричества является электрическое напряжение, как разность потенциалов двух точек электрического поля.
Электрический ток.
Вокруг ядра каждого атома вращаются электроны. Электроны, находящиеся на внешних орбитах, могут отделяться от атома и становиться "свободными". Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом, а атом, присоединивший электроны, — отрицательным ионом. Процесс образования ионов называется ионизацией.
Интересны факт, что в переводе с древнегреческого слова "электрон" означает "янтарь": ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты — куски янтаря терли шерстью, после чего те начали притягивать к себе мелкие предметы.
Действием сил электрического поля можно упорядочить перемещение заряженных частиц.
Электрический ток — упорядоченное направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля.
Интересный факт. Отрицательно заряженные свободные электроны совершают хаотическое движение в пространстве между ионами, но под действием электрического поля они начинают смещаться в сторону положительно заряженного электрода. Скорость этого смещения очень мала, примерно. 1 мм в секунду. Однако электрическое поле распространяется по проводнику со скоростью света (300 000 км/с), и, т.к. все электроны начинают двигаться одновременно, получается, что ток движется со скорость света.
По природе электрический ток может быть:
током проводимости ( в металлах и их сплавах при движении свободных электронов);
током переноса ( в электролитах и газах при движении ионов);
током поляризации (в диэлектриках при движении связанных заряженных частиц при изменении поляризации диэлектрика).
Как вы думаете, в каких условиях может протекать электрический ток?
Условиями протекания электрического тока являются:
наличие в проводнике носителей зарядов, способных перемещаться (электронов, ионов);
наличие замкнутой электрической цепи;
наличие в проводнике электрического поля.
Подумайте, почему птиц не бьет током на высоковольтных проводах ЛЭП. Пока птица касается только одной линии, не создавая замкнутый контур, ничего не происходит. Но стоит её только соприкоснуться с другой линией или задеть свои хвостом стальную опору, она станет "мостиком" для тока и погибнет от сильного короткого замыкания.
Судить об электрическом токе можно только по явлениям, сопровождающим его происхождение: тепловому, магнитному, химическому. Направление тока в проводнике считают совпадающим с направлением напряженности электрического поля, поэтому за направление электрического тока условно принято считать направление движения положительных зарядов, т.е. обратное направлению движения электронов (рис.9). Электрический ток, как правило протекает от большого потенциала к меньшему.
Различают два вида тока.
Постоянный ток — это ток, значение которого не изменяется во времени (рис.10).
Переменный ток — ток, значение и направление которого изменяется во времени (рис.11).
Количественной мерой электрического тока является сила тока.
Сила тока — количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени (секунду). Единица измерения — Ампер.
где I — сила тока; Q — кол-вл электричества, Кл; t — время, с.
Наряду с ампером для измерения силы тока применяют кратные и дольные единицы: миллиампер (мА), микроампер (мкА), килоампер (кА).
1 мА = 10 -3 А, 1 мкА = 10 -6 А, 1 кА — 10 3 А.
Один ампер — это сила тока, при которой через поперечное сечение проводника в секунду проходит один кулон электричества, т.е. 6,3*10 18 электронов.
Электрический ток опасен для человека (табл.1). при токе 100 мА (0,1 А) в течение 3 с наступает паралич дыхания и сердца. Правилами техники безопасности за безусловно опасный ток 50 мА (0,05А).
К примеру, сила тока, протекающего в комнатной лампе, составляет 0,5 — 1 А, в телефоне — сотые доли ампера (табл.2).
Электростатическое поле, основные характеристики
Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность.
Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая силой – F, действующей на пробный единичный положительный заряд – Q,, помещенный в эту точку поля:
Как следует из закона Кулона, напряженность поля точечного заряда в вакууме будет равна
Направление вектора совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.
Единица напряженности электростатического поля — «Ньютон на Кулон» (Н/Кл).
1 Н/Кл — напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1Кл действует с силой в 1Н; 1 Н/Кл = 1В/м, где В (вольт) — единица потенциала электростатического поля.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Рекомендуем для прочтения:
Понятие, значение, система Особенной части Понятие Особенной части уголовного права, её значение и система.
ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ Пассивный транспорт – транспорт веществ через мембрану, осущестляемый без затрат энергии.
Риторический канон Основу классической риторики составляет риторический канон – свод правил.
История возникновения финансов. Этапы развития финансов Термин “финансы” появился в Западной Европе в XVII веке и в переводе на русский означает “денежный платеж”.
Способы определения координат центра тяжести. Исходя из полученных выше общих формул, можно указать конкретные способы определения координат центров тяжести тел.
Характеристики электростатического поля. Напряженность.
Как упоминалось в предыдущем разделе, вокруг всякого заряженного тела существует электрическое поле, которое является носителем взаимодействия зарядов. Если поле создано неподвижными зарядами, то оно называется электростатическим, т.е. его свойства в каждой точке пространства не зависят от времени. Чтобы сравнить поля, создаваемые разными зарядами, введем характеристику, называемую напряженностью E. Напряженность определяет степень взаимодействия зарядов и поэтому ее можно назвать силовой характеристикой поля.
Исследовать поля, создаваемые разными зарядами, можно с помощью пробных (единичных) зарядов.
Напряженностью электрического поля в данной точке пространства называется величина, равная отношению силы F, действующей на единичный положительный заряд q, помещенный в данную точку, к величине этого заряда.
E = F/q.
(E = F при q = 1).
Для взаимодействия точечных зарядов справедлив закон Кулона. Следовательно,
E = F/q = Q/(4pee0r2)*r/r,
где Q — заряд, создающий поле,
e — диэлектрическая проницаемость среды.
Пробным зарядом называется тело, величина заряда которого настолько мала, что не искажает свойства исследуемого поля. Его величина равняется минимальному заряду, обнаруженному в природе, q = 1.6*10-19 Кл.
Единицы измерения напряженности с системе СИ [E]: 1 В/м = 1 Дж/(м*Кл) = 1 Н/м.
Поскольку сила и напряженность поля — есть пропорциональные величины F = q*E, то для напряженности электрических полей справедлив принцип суперпозиции.
E = E1 + E2 + E3 + Ei + … + En,
т.е. напряженность поля системы n зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из зарядов системы в рассматриваемой точке.
Принцип суперпозиции отражает независимость действия электростатических полей.
Графическое изображение электростатических полей.
Фарадей предложил изображать поле линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности электростатического поля в этой точке (см. рис. 2.). Такие линии получили название линий напряженности или силовых линий.
Линии напряженности начинаются у положительных зарядов (или в бесконечности) и оканчиваются у отрицательных зарядов. По густоте силовых линий можно судить о величине напряженности.
Отметим, что напряженность поля в диэлектрике меньше, чем в вакууме из-за явления поляризации и, следовательно, густота силовых линий в диэлектрике меньше. Отношение напряженности поля в вакууме к напряженности в данной среде называют диэлектрической проницаемостью вещества.
e = Eвак./E.
Напряженность электростатического поля в металле равняется нулю, так как поле свободных зарядов, существующих в нем, через достаточно короткий промежуток времени уравновесит внешнее поле и ток в металле будет равен нулю. Поэтому силовые линии в металл не проникают.