Электрическое поле. Напряженность электрического поля.


СОДЕРЖАНИЕ:

Электрическое поле. Напряженность электрического поля.

27 дн. с момента
до конца 1 четверти

Электростатическое поле и его характеристики

Электростатическое поле существующий вокруг неподвижный заряженных тел, действует на заряд с некоторой силой, вблизи заряда – сильнее.
Электростатическое поле не изменяется во времени.
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность

Напряженностью электрического поля в данной точке называется векторная физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля.

Силовыми линиями (линиями напряженности электрического поля) называют линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке.

Силовые линии начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном ( Силовые линии электростатических полей точечных зарядов. ).

Густота линий напряженности характеризует напряженность поля (чем плотнее располагаются линии, тем поле сильнее).

Электростатическое поле точечного заряда неоднородно (ближе к заряду поле сильнее).

Силовые линии электростатических полей бесконечных равномерно заряженных плоскостей.
Электростатическое поле бесконечных равномерно заряженных плоскостей однородно. Электрическое поле, напряженность во всех точках которого одинакова, называется однородным.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля.

По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле . Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.

Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика напряженность электрического поля .

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора в каждой точке пространства совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

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:

Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции.

В соответствии с законом Кулона напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом на расстоянии от него, равна по модулю

Это поле называется кулоновским . В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда : если , то вектор направлен по радиусу от заряда, если , то вектор направлен к заряду.

Для наглядного изображения электрического поля используют силовые линии . Эти линии проводят так, чтобы направление вектора в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии (рис. 1.2.1). При изображении электрического поля с помощью силовых линий, их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.

Рисунок 1.2.1.

Силовые линии кулоновских полей положительных и отрицательных точечных зарядов изображены на рис. 1.2.2. Так как электростатическое поле, создаваемое любой системой зарядов, может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей точечных зарядов, изображенные на рис. 1.2.2 поля можно рассматривать как элементарные структурные единицы («кирпичики») любого электростатического поля.

Рисунок 1.2.2.

Кулоновское поле точечного заряда удобно записать в векторной форме. Для этого нужно провести радиус-вектор от заряда к точке наблюдения. Тогда при вектор параллелен а при вектор антипараллелен Следовательно, можно записать:
где – модуль радиус-вектора .

В качестве примера применения принципа суперпозиции полей на рис. 1.2.3. изображена картина силовых линий поля электрического диполя – системы из двух одинаковых по модулю зарядов разного знака и –, расположенных на некотором расстоянии .

Рисунок 1.2.3.

Важной характеристикой электрического диполя является так называемый дипольный момент
где – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль Диполь может служить электрической моделью многих молекул.

Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды (H2O), так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105° (рис. 1.2.4). Дипольный момент молекулы воды .

Рисунок 1.2.4.

Во многих задачах электростатики требуется определить электрическое поле по заданному распределению зарядов. Пусть, например, нужно найти электрическое поле длинной однородно заряженной нити (рис. 1.2.5) на расстоянии от нее.

Рисунок 1.2.5.

Поле в точке наблюдения может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей, создаваемых малыми элементами нити, с зарядом , где заряд нити на единицу длины. Задача сводится к суммированию (интегрированию) элементарных полей Результирующее поле оказывается равным

Вектор везде направлен по радиусу Это следует из симметрии задачи. Уже этот простой пример показывает, что прямой путь определения поля по заданному распределению зарядов приводит к громоздким математическим выкладкам. В ряде случаев можно значительно упростить расчеты, если воспользоваться теоремой Гаусса, которая выражает фундаментальное свойство электрического поля.

Электрическое поле

Исследование взаимодействия заряженных легких алюминиевых гильз и электрических султанов.

Каким образом осуществляется взаимодействие зарядов?

Идея электрического поля была введена М. Фарадеем и теоретически обоснована Дж. Максвеллом.

Электрическое поле это вид материи посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов.

Электрическое поле неподвижных зарядов не меняется со временем и называется электростатическим полем .

Свойства электрического поля:

  1. Порождается электрическим зарядом.
  2. Обнаруживается по действию на заряд.
  3. Действует на заряд с некоторой силой.
  4. Распространяется в пространстве с конечной скоростью с=3·10 8 м/с.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность.

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина, равная отношению силы , действующей на пробный точечный заряд q, к этому заряду:

Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора кулоновской силы.

Напряженность поля не зависит от значения пробного заряда q; определяется зарядами – источниками поля, является силовой характеристикой этого поля.

Единица в СИ – Н/Кл или В/м.

Поле, напряженность которого в любой точке одинакова (E = const), называют однородным.

Напряженность точечного электрического заряда в данной точке зависит от модуля заряда Q и от расстояния до этого заряда R.

Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов. В этом заключается принцип суперпозиции электрических полей .

Электрические поля изображаются графически с помощью линий напряженности .

Неоднородное электрическое поле

Силовая линия (линия напряженности) электрического поля – линия, в каждой точке которой напряженность поля направлена по касательной. Силовые линии поля в электростатике начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Густота силовых линий пропорциональна модулю вектора напряженности.

Однородное электрическое поле

На электрический заряд помещенный в однородное электрическое поле действует кулоновская сила способная совершать работу по перемещению электрического заряда.

Работа электрического поля не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории равна нулю. Такие поля называются потенциальными. Для этих поле характерна незамкнутость линий напряженности.

Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал (разность потенциалов), скалярная физическая величина, выражаемая в вольтах (В); 1В = 1 Дж / 1 Кл.

Потенциал поля в данной точке, находящейся на расстоянии R от заряда Q:

Потенциал поля может быть как положительным, так и отрицательным. Следуя принципу суперпозиции полей, можно утверждать, что если в данной точке пространства известен потенциал поля, созданного отдельно каждым из N зарядов (тел), то потенциал суммарного поля равен алгебраической сумме потенциалов каждого из полей

На практике используют разность потенциалов :

В электрическом поле разность потенциалов между двумя любыми точками равна напряжению между этими точками.

Эквипотенциальная поверхность – поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одно и то же значение.

На рисунке показаны эквипотенциальные поверхности точечных положительного и отрицательного зарядов и системы двух положительных зарядов.

Связь между напряженностью электрического поля и напряжением:

Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей

Урок 61. Физика 10 класс

Конспект урока «Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей»

Напомним, что не так давно мы познакомились с понятием электрического поля. Электрическое поле — это особая форма материи, которая создается покоящимися электрическими зарядами и оказывает воздействие на другие заряды.

Для того, чтобы каким-то образом описать электрическое поле, необходимо ввести количественную характеристику, которая называется напряженностью электрического поля. Рассмотрим электрическое поле, создаваемое зарядом q1. Мы можем помещать в разные точки этого поля заряд q2 и измерять силу, с которой поле заряда q1 действует на заряд q2.

Исходя из закона Кулона:

Таким образом, отношение силы, действующей на заряд со стороны поля, к величине этого заряда не зависит от самого заряда:

Поэтому, можно считать это отношение характеристикой поля. Итак, напряженность электрического поля — это отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к величине этого заряда:

Как видно из формулы, единицей измерения напряженности поля является ньютон на кулон:

Напряженность электрического поля, как и сила, является векторной величиной.

Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный заряд, помещенный в данное поле.

Исходя из всего выше сказанного, мы можем найти напряженность электрического поля, созданного точечным зарядом:

Как видно из формулы, напряженность поля в данной точке прямо пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядом и данной точкой поля.

Рассмотрим простой пример, когда точечный положительный заряд создает электростатическое поле.

Модуль напряженности данного поля вычисляется по формуле, которую мы только что рассматривали. То есть напряженность будет убывать пропорционально квадрату расстояния между зарядом и данной точкой поля. Таким образом, во множестве точек, равноудаленных от заряда будет наблюдаться одинаковая напряженность. Как вы знаете, множество точек равноудаленных от центра — это есть ни что иное, как сфера.

Теперь, внесем в данное поле так называемый пробный заряд. Пробным зарядом называется точечный положительный заряд.

Как вы знаете, в данном случае возникнет кулоновская сила отталкивания:

Исходя из этого, мы можем определить направление вектора напряженности. Таким образом, мы можем заключить, что вектор напряженности будет направлен вдоль прямой, соединяющей заряд и данную точку поля.

Теперь внесем пробный заряд в поле, создаваемое отрицательным зарядом. В этом случае между отрицательным зарядом и пробным зарядом возникнет кулоновская сила притяжения. Поскольку напряженность сонаправлена с силой Кулона, мы можем заключить, что напряженность поля, создаваемого отрицательным зарядом, будет направлена не от заряда, а к заряду.

Возникает резонный вопрос: как охарактеризовать поле, если оно создается не одним, а несколькими зарядами? В этом случае, нам снова нужно воспользоваться пробным зарядом и рассмотреть, силы, действующие на него:

Итак, на рисунке пробный заряд обозначен за q. На него будут действовать кулоновские силы притяжения со стороны зарядов q1 и q3 (поскольку они отрицательные) и кулоновская сила отталкивания со стороны заряда q2 (поскольку он положительный). Как вы знаете, результирующая сила равна векторной сумме всех сил, действующих на данное тело:

Если теперь мы разделим это уравнение на величину пробного заряда, то получим, что напряженность поля в данной точке равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых зарядами:

Этот метод называется принципом суперпозиции полей, который гласит следующее: если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, с определенными напряженностями, то результирующая напряженность поля в этой точке будет равна векторной сумме напряженностей этих полей.

Пример решения задачи.

Задача. Два равных по модулю заряда находятся в вершинах равностороннего треугольника, сторона которого равна 2 м. Найдите модуль и направление напряженности в третьей вершине треугольника, если модуль заряда равен 150 нКл.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля.

Наряду с законом Кулона возможно и другое описание взаимодействия электрических зарядов.

Дальнодействие и близкодействие. Закон Кулона, подобно закону всемирного тяготения, трактует взаимодействие зарядов как «действие на расстоянии», или «дальнодействие». Действительно, кулоновская сила зависит лишь от величины зарядов и от расстояния между ними. Кулон был убежден, что промежуточная среда, т. е. «пустота» между зарядами, никакого участия во взаимодействии не принимает.

Такая точка зрения, несомненно, была навеяна впечатляющими успехами ньютоновской теории тяготения, блестяще подтверждавшейся астрономическими наблюдениями. Однако еще сам Ньютон писал: «Непонятно, каким образом неодушевленная косная материя, без посредства чего-либо иного, что нематериально, могла бы действовать на другое тело без взаимного прикосновения». Тем не менее концепция дальнодействия, основанная на представлении о мгновенном действии одного тела на другое на расстоянии без участия какой-либо промежуточной среды, еще долго доминировала в научном мировоззрении.

Идея поля как материальной среды, посредством которой осуществляется любое взаимодействие пространственно удаленных тел, была введена в физику в 30-е годы XIX века великим английским естествоиспытателем М. Фарадеем, который считал, что «материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого

ею». Фарадей развил последовательную концепцию электромагнитного поля, основанную на идее конечной скорости распространения взаимодействия. Законченная теория электромагнитного поля, облеченная в строгую математическую форму, была впоследствии развита другим великим английским физиком Дж. Максвеллом.

По современным представлениям электрические заряды наделяют окружающее их пространство особыми физическими свойствами — создают электрическое поле. Основным свойством поля является то, что на находящуюся в этом поле заряженную частицу действует некоторая сила, т. е. взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством создаваемых ими полей. Поле, создаваемое неподвижными зарядами, не изменяется со временем и называется электростатическим. Для изучения поля необходимо найти его физические характеристики. Рассматривают две такие характеристики — силовую и энергетическую.

Напряженность электрического поля. Для экспериментального изучения электрического поля в него нужно поместить пробный заряд. Практически это будет какое-то заряженное тело, которое, во-первых, должно иметь достаточно малые размеры, чтобы можно было судить о свойствах поля в определенной точке пространства, и, во-вторых, его электрический заряд должен быть достаточно малым, чтобы можно было пренебречь влиянием этого заряда на распределение зарядов, создающих изучаемое поле.

На пробный заряд, помещенный в электрическое поле, действует сила, которая зависит как от поля, так и от самого пробного заряда. Эта сила тем больше, чем больше пробный заряд. Измеряя силы, действующие на разные пробные заряды, помещенные в одну и ту же точку, можно убедиться, что отношение силы к пробному заряду уже не зависит от величины заряда. Значит, это отношение характеризует само поле. Силовой характеристикой электрического поля является напряженность Е — векторная величина, равная в каждой точке отношению силы действующей на пробный заряд помещенный в эту точку, к заряду

Другими словами, напряженность поля Е измеряется силой, действующей на единичный положительный пробный заряд. В общем случае напряженность поля разная в разных точках. Поле, в котором напряженность во всех точках одинакова как по модулю, так и по направлению, называется однородным.

Зная напряженность электрического поля, можно найти силу, действующую на любой заряд помещенный в данную точку. В соответствии с (1) выражение для этой силы имеет вид

Как же найти напряженность поля в какой-либо точке?

Напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом, можно рассчитать с помощью закона Кулона. Будем рассматривать точечный заряд как источник электрического поля. Этот заряд действует на расположенный на расстоянии от него пробный заряд с силой, модуль которой равен

Поэтому в соответствии с (1), разделив это выражение на получаем модуль Е напряженности поля в точке, где расположен пробный заряд, т. е. на расстоянии от заряда

Таким образом, напряженность поля точечного заряда убывает с расстоянием обратно пропорционально квадрату расстояния или, как говорят, по закону обратных квадратов. Такое поле называют кулоновским. При приближении к создающему поле точечному заряду напряженность поля точечного заряда неограниченно возрастает: из (4) следует, что при

Коэффициент к в формуле (4) зависит от выбора системы единиц. В СГСЭ к = 1, а в СИ . Соответственно формула (4) записывается в одном из двух видов:

Единица напряженности в СГСЭ специального названия не имеет, а в СИ она называется «вольт на метр»

Вследствие изотропности пространства, т. е. эквивалентности всех направлений, электрическое поле уединенного точечного заряда сферически-симметрично. Это обстоятельство проявляется в формуле (4) в том, что модуль напряженности поля зависит только от расстояния до заряда, создающего поле. Вектор напряженности Е имеет радиальное направление: он направлен от создающего поле заряда если это положительный заряд (рис. 6а, а), и к создающему поле заряду если этот заряд отрицательный (рис. 6б).

Выражение для напряженности поля точечного заряда можно записать в векторном виде. Начало координат удобно поместить в точку, где находится заряд, создающий поле. Тогда напряженность поля в любой точке, характеризуемой радиусом-вектором дается выражением

В этом можно убедиться, сопоставив определение (1) вектора напряженности поля с формулой (2) § 1, либо отталкиваясь

Рис. 6. Напряженность Е поля, создаваемого зарядом и сила действующая на пробный заряд

непосредственно от формулы (4) и учитывая сформулированные выше соображения о направлении вектора Е.

Принцип суперпозиции. Как найти напряженность электрического поля, создаваемого произвольным распределением зарядов?

Опыт показывает, что электрические поля удовлетворяют принципу суперпозиции. Напряженность поля, создаваемого несколькими зарядами, равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности:

Принцип суперпозиции фактически означает, что присутствие других электрических зарядов никак не сказывается на поле, создаваемом данным зарядом. Такое свойство, когда отдельные источники действуют независимо и их действия просто складываются, присуще так называемым линейным системам, и само такое свойство физических систем называется линейностью. Происхождение этого названия связано с тем, что такие системы описываются линейными уравнениями (уравнениями первой степени).

Подчеркнем, что справедливость принципа суперпозиции для электрического поля не является логической необходимостью или чем-то само собой разумеющимся. Этот принцип представляет собой обобщение опытных фактов.

Принцип суперпозиции позволяет рассчитать напряженность поля, создаваемого любым распределением неподвижных электрических зарядов. В случае нескольких точечных зарядов рецепт расчета результирующей напряженности очевиден. Любой неточечный заряд можно мысленно разбить на такие малые части, чтобы каждую из них можно было рассматривать как точечный заряд. Напряженность электрического поля в произвольной точке находится как

векторная сумма напряженностей, создаваемых этими «точечными» зарядами. Соответствующие расчеты значительно упрощаются в тех случаях, коща в распределении создающих поле зарядов имеется определенная симметрия.

Линии напряженности. Наглядное графическое изображение электрических полей дают линии напряженности или силовые линии.

Рис. 7. Линии напряженности поля положительного и отрицательного точечных зарядов

Эти линии электрического поля проводятся таким образом, чтобы в каждой точке касательная к линии совпадала по направлению с вектором напряженности в этой точке. Иначе говоря, в любом месте вектор напряженности направлен по касательной к силовой линии, проходящей через эту точку. Силовым линиям приписывают направление: они выходят из положительных зарядов или приходят из бесконечности. Они либо оканчиваются на отрицательных зарядах, либо уходят в бесконечность. На рисунках это направление указывают стрелками на силовой линии.

Силовую линию можно провести через любую точку электрического поля.

Линии проводят гуще в тех местах, где напряженность поля больше, и реже там, где она меньше. Таким образом, густота силовых линий дает представление о модуле напряженности.

Рис. 8. Линии напряженности поля разноименных одинаковых зарядов

На рис. 7 показаны силовые линии поля уединенного положительного и отрицательного точечных зарядов. Из симметрии очевидно, что это радиальные прямые, распределенные с одинаковой густотой по всем направлениям.

Более сложный вид имеет картина линий поля, создаваемого двумя зарядами противоположных знаков. Такое поле, очевидно,

обладает осевой симметрией: вся картина остается неизменной при повороте на любой угол вокруг оси, проходящей через заряды. Когда модули зарядов одинаковы, картина линий также симметрична относительно плоскости, проходящей перпендикулярно соединяющему их отрезку через его середину (рис. 8). В этом случае силовые линии выходят из положительного заряда и все они оканчиваются на отрицательном, хотя на рис. 8 нельзя показать, как замыкаются уходящие далеко от зарядов линии.

Напряженность электрического поля

Во всяком материальном теле содержится большое количество заряженных электрических частиц вещества — электрических зарядов. В электрически нейтральном теле содержится одинаковое число положительных и отрицательных частиц. В заряженном теле преобладают положительные или отрицательные заряды.

Единицей измерения заряда служит кулон (к). Электрический заряд мельчайшей частицы вещества — электрона составляет 1,6•10 19 к.

Разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу, одноименно заряженные — отталкиваются. Взаимодействие зарядов объясняется тем, что каждый из них неразрывно связан с окружающим его электрическим полем. Таким образом, взаимодействие зарядов происходит при посредстве электрического поля. Электрическое поле обладает энергией—электрической энергией.

При перемещении заряженных частиц под действием сил электрического поля производится работа за счет энергии поля.

Электрически заряженные частицы вещества и электрическое поле представляют собой две неразрывно связанные формы материи.

Поле неподвижных зарядов называется электростатическим.

Величина, характеризующая электрическое поле в каждой точке его, называется напряженностью электрического поля (Е).


Напряженность поля выражается отношением силы поля F, с которой поле действует на точечный пробный заряд q, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда, т. е. напряженность поля.

При q, равном единице, E численно равно F, таким об­разом, напряженность электрического поля численно равна силе поля, действующей на электрический заряд, равный единице.

На рис. 1-1 показан вектор напряжен­ности Е электрического поля между двумя параллельными пластинами с зарядами + Q и — Q.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля, электрический потенциал и напряжение.

В пространстве вокруг заряженного тела существует электрическое поле, обладающее запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные частицы. Условно электрическое поле изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направление действия электрических сил, создаваемых полем (рис.10). Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую бы двигалась в поле положительно заряженная частица.

Напряженность поля ) — характеризует интенсивность электрического поля, т.е. его способность притягивать или отталкивать некоторый электрический заряд принятый за единицу.

Численно напряженность поля определяется как отношение силы, действующей на заряженное тело, к заряду этого тела.

Электрический потенциал (φ) характеризует энергию, запасенную в каждой точке поля.

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.

За нулевой потенциал условно принят потенциал поверхности земли.

Разность потенциалов двух точек поля характеризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемещение единичного положительного заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую точку с меньшим потенциалом, и называется электрическим напряжением (U)U=φ1— φ2 [В]

Электрический ток и электропроводность вещества.

Согласно электронной теории одни атомы могут терять электроны, другие же приобретать их, в результате чего превращаются в положительные и отрицательные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Ионизация может возникнуть только при сообщении атому определенного количества энергии: в виде тепла, облучения и т.д. Электроны, потерявшие связь с атомами и перемещающиеся в пространстве между ними, называются свободными.

Если в каком-либо теле накопятся электроны или ионы, то говорят, что в теле накопилось электричество или они несут электрический заряд. Единицей электрического заряда принято считать заряд электрона. В системе СИ количество электричества измеряют в кулонах 1Кл=6,29*10 18 электронов.

В веществе, помещенном в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения элементарных носителей электричества – ионов и электронов.

Направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля называется электрическим током (I).

За единицу силы тока принят ампер [A]: это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит 1 кулон электричества.

Постоянным называется ток, значение и направление которого в любой момент времени остаются неизменными. Токи, значение и (или) направление которых не остаются постоянными, называются переменными.

Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью. Электропроводность веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Существует два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока. Это металлы – ток в них обусловлен движением свободных электронов (электронная проводимость) и электролиты – прохождение тока в них связано с движением ионов (ионная проводимость).

Электрическое сопротивление и проводимость.

При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются с ионами и атомами вещества, из которого сделан проводник и передают им часть своей энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего проводник.

Противодействие проводника прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением (R) [Ом].

Сопротивление прямолинейного проводника зависит не только от материала проводника, но и его длины и площади поперечного сечения. R= ρl/s; ρ [Ом/м/мм 2 ]

Электрическая цепь

Электрическую цепь образуют источники электрической энергии (источники питания), ее приемники (электродвигатели, электронагревательные приборы, лампы) и соединительные провода, а также вспомогательное оборудование (для включения и выключения электроустановок), электроизмерительные приборы, защитные устройства.

Электрическую цепь можно разделить на два участка: внутреннюю цепь (сам источник) и внешнюю цепь (линейные провода и приемники).

Чертеж, на котором на котором изображены электрические цепи с помощью условных графических обозначений, называют электрической схемой (Рис.11).

Рис.3

Для того чтобы обеспечить непрерывное прохождение тока по электрической цепи, цепь должна быть замкнутой, а на зажимах источника питания необходимо поддерживать разность потенциалов.

Во внешней цепи ток направлен от плюса к минусу, внутри источника наоборот. Такое перемещение зарядов внутри источника совершается благодаря э.д.с., которая возбуждается внутри источника.

Э.д.с. поддерживает разность потенциалов на зажимах источника и определяет собой напряжение источника питания.

Э.д.с. обозначается Е и численно, равна работе, которую необходимо затратить на перемещение единичного положительного заряда от одного зажима к другому.

Направления тока, напряжения и э.д.с. на схемах изображают стрелками, за положительное направление тока принимают движение положительных зарядов, т.е. от плюса к минусу. Положительное направление напряжения и э.д.с. совпадает с направлением тока.

Закон Ома для электрической цепи: сила тока в электрической цепи равна э.д.с. источника поделенного на полное сопротивление цепи, которое можно представить виде суммы сопротивления приемника и внутреннего сопротивления источника питания. I=E/R I=E/R+R

Закон Омаможет быть применен не ко всей цепи, но к любому ее участку (например аб): сила тока на данном участке цепи равна напряжению, приложенному к участку, поделенному на сопротивление этого участка. I=U/R; U=IR; R=U/I

Закон Ома применим только к линейным цепям.

Способы соединения потребителей.

При последовательном соединении (рис.12)по всем элементам цепи протекает один и тот же ток.

Рис.11
Рис.12

RЭ=R1+R2+… U1:U2 =R1:R2

Если последовательно включеноnрезисторов с одинаковыми сопротивлениями R, то RЭ=nR

При параллельном соединении (рис.13) нескольких приемников ко всем резисторам приложено одинаковое напряжение

Рис.13

I1:I2 =1/R1+1/R2

Для двух резисторов

При параллельном включении n одинаковых резисторов RЭ= R/n.

При смешанном соединении резисторовэквивалентное сопротивление определяют методом преобразования.

Дата добавления: 2015-12-16 ; просмотров: 741 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Электрическое поле, характеристики – напряженность, потенциал

Лекция № 13 Электрическое поле. Напряженность. Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.

Электрическое поле, напряженность.

1.Напряжённость электрического поля

Основной закон электростатики — закон Кулона — позволяет вычислить силу взаимодействия двух точечных зарядов. Данный закон, однако, ничего не говорит нам о том, каким образом осуществляется это взаимодействие. Как так получается, что один заряд может действовать на другой даже на весьма большом расстоянии?

1.1 Электрическое поле

Физическим объектом, передающим взаимодействие между зарядами даже сквозь пустоту, оказалось электромагнитное поле. Решающими здесь оказались идеи и труды двух великих учёных XIX столетия — Фарадея и Максвелла. Экспериментальным подтверждением теории близкодействия явилось открытие электромагнитных волн.

Неподвижные заряды не создают магнитного поля; поэтому, пока мы изучаем электростатику, мы будем говорить только об электрическом поле. Итак: Электрический заряд создаёт вокруг себя электрическое поле, которое, в свою очередь, действует с некоторой силой на другие заряды.

Электрическое поле не нуждается в какой-то специальной среде, которая являлась бы его носителем. Оно может возникать как в веществе, так и в вакууме, и является, наряду с веществом, альтернативной формой существования материи.

По современным физическим представлениям электрическое поле является первичным физическим объектом: мы пока не можем сказать, каково его внутреннее устройство (точно так же мы не можем сказать, например, из чего состоит электрон). Мы можем лишь изучать свойства электрического поля, устанавливать законы его поведения и использовать эти законы в своих целях.

Источниками электрического поля являются электрические заряды. Индикатором для обнаружения поля также является электрический заряд — так называемый пробный заряд. По действию на пробный заряд мы и можем судить о наличии электрического поля в данной области пространства. Кроме того, с помощью пробного заряда мы можем исследовать величину поля в различных пространственных точках. Разумеется, для этого пробный заряд должен быть точечным.

Опыт показывает, что сила, с которой поле действует на пробный заряд, прямо пропорциональна величине заряда. Поэтому отношение силы к заряду уже не зависит от величины заряда и является характеристикой поля.

Напряжённость электрического поля — это отношение вектора силы F , с которой поле действует на пробный заряд q, к самому пробному заряду (с учётом его знака):

Напряжённость поля, как видим, является векторной величиной. В каждой точке пространства электрическое поле характеризуется вектором напряжённости. Поле считается заданным, если нам известна зависимость вектора напряжённости от координат точки и, вообще говоря, от времени.

Как следует из определения, напряжённость измеряется в Н/Кл. Общепринятая единица напряжённости есть В/м. Мы скоро увидим, что это одно и то же.

Если напряжённость поля известна, то формула (1) позволяет найти силу, которая действует на точечный заряд со стороны электрического поля:

Сила и напряжённость, таким образом, являются коллинеарными векторами. Если заряд положительный, то сила направлена в ту же сторону, что и напряжённость. Если заряд отрицательный, то сила направлена противоположно напряжённости. Одна из основных задач электростатики – нахождение напряжённости поля, создаваемого данной системой зарядов. Рассмотрим некоторые примеры.

1.2 Напряжённость поля точечного заряда

Определение модуля и направления вектора напряжённости поля точечного заряда — это самая простая и легко решаемая задача. Рассмотрим положительный точечный заряд q, находящийся в вакууме. Поместим на расстоянии r от него положительный пробный заряд q. Со стороны заряда q на пробный заряд действует сила отталкивания, поэтому напряжённость поля положительного заряда q направлена от него (рис. 1):

Рис. 1 Напряжённость поля положительного заряда

Величина силы отталкивания равна:

Делим силу на пробный заряд q и находим модуль напряжённости поля заряда q:

Пусть теперь заряд, создающий поле, будет отрицательным; модуль этого заряда также обозначаем q. Сила, действующая на положительный пробный заряд, станет силой притяжения. Поэтому напряжённость поля отрицательного заряда направлена к нему (рис. 2):

Рис. 2 Напряжённость поля отрицательного заряда

Модуль напряжённости поля снова находится по формуле (2). Если заряд q находится в среде с диэлектрической проницаемостью ε, то сила его действия на пробный заряд уменьшается в ε раз:

Следовательно, в ε раз уменьшается и напряжённость поля:

Модуль напряжённости поля точечного заряда q находится по формуле (2) в вакууме и по формуле (3) в диэлектрической среде. Вектор напряжённости в данной точке направлен вдоль прямой, соединяющей точку с зарядом: от заряда при q > 0 и к заряду при q 0. Из формулы (9) следует, что при движении заряда вдоль силовой линии потенциальная энергия убывает с ростом x. Это естественно: ведь поле совершает положительную работу, разгоняя заряд, а кинетическая энергия заряда растёт за счёт убыли его потенциальной энергии.

Несложно показать, что формула (9) остаётся справедливой и для q ϕ2 — ведь напряжённость направлена в сторону убывания потенциала.) Приравнивая правые части последних двух формул, получим: qU = qEd, откуда

Эта простая формула позволяет находить напряжение между точками однородного поля E, находящимися на одной силовой линии; при этом напряжённость поля направлена от начальной точки к конечной.

Выразим из формулы (21) напряжённость:

Эта формула пригодится нам впоследствии, при нахождении напряжённости поля в конденсаторе. А сейчас обратим внимание на одно следствие данной формулы: единицей измерения напряжённости является В/м. Эта единица используется чаще, чем первоначальная Н/Кл. Что ж, немало вещей пришлось узнать, чтобы понять равенство Н/Кл = В/м.

Электрическое поле и электрический ток

Взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле.

Электрическое поле

Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Если к электроскопу, не касаясь его оси, поднести на некотором расстоянии заряженную палочку, то стрелка все равно будет откланяться. Это и есть действие электрического поля.

Напряженность электрического поля

Заряды, находясь на некотором расстоянии один от другого, взаимодействуют. Это взаимодействие осуществляется посредством электрического поля. Наличие электрического поля можно обнаружить, помещая в различные точки пространства электрические заряды. Если на заряд в данной точке действует электрическая сила, то это означает, что в данной точке пространства существует электрическое поле. Графически силовые поля изображают силовыми линиями.

Силовая линия – это линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором напряженности электрического поля в этой точке.

Напряженность электрического поля – это физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный заряд, помещенный в данную точку поля. За направление вектора напряженности принимают направление силы, действующей на точечный положительный заряд.

Однородное электрическое поле – это такое поле, во всех точках которого напряженность имеет одно и то же абсолютное значение и направление. Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Силовые линии такого поля являются прямыми одинаковой густоты.

Потенциал. Разность потенциалов. Кроме напряженности, важной характеристикой электрического поля является потенциал j. Потенциал j – это энергетическая характеристика электрического поля, тогда как напряженность E – это его силовая характеристика, потому что потенциал равен потенциальной энергии, которой обладает единичный заряд в данной точке поля, а напряженность равна силе, с которой поле действует на этот единичный заряд.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками или изоляторами называются тела, которые не могут проводить через себя электрические заряды. Это объясняется отсутствием в них свободных зарядов.

Если одни конец диэлектрика внести в электрическое поле, то перераспределения зарядов не произойдет, т. к. в диэлектрике нет свободных носителей заряда. Оба конца диэлектрика будут нейтральны. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т. е. смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества.

Полярные и неполярные диэлектрики

К неполярным относятся диэлектрики, в атомах или молекулах которых центр отрицательно заряженного электронного облака совпадает с центром положительного атомного ядра. Например, инертные газы, кислород, водород, бензол.

Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Например, спирты, вода. Их молекулы можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такую в целом нейтральную систему называют электрическим диполем.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды. Это свойство проводников объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут быть металлы и растворы электролитов.

Если взять металлический проводник и один его конец поместить в электрическое поле, то на данном конце появится электрический заряд. Согласно закону сохранения электрического заряда, на другом конце проводника появится равный ему по модулю и противоположный по знаку заряд. Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией.

При внесении в электрическое поле проводника свободные заряды в нем приходят в движение. Перераспределение зарядов вызывает изменение электрического поля. Движение зарядов прекращается только тогда, когда напряженность электрического поля внутри проводника становится равной нулю. Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела. Электростатическое поле внутри проводника равно нулю, весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности.

Электроемкость и конденсатор

Электроемкость – количественная мера способности проводника удерживать заряд.

Простейшие способы разделение разноименных электрических зарядов – электризация и электростатическая индукция – позволяют получить на поверхности тел не большое количество свободных электрических зарядов. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.

Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор.

Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, т. к. равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению.

Электрический ток

Это направленное движение заряженных частиц. В металлах носителями тока являются свободные электроны, в электролитах – отрицательные и положительные ионы, в полупроводниках – электроны и дырки, в газах – ионы и электроны. Количественной характеристикой тока является сила тока.

Источниками могут служить – гальванический элемент(происходят хим. реакции и внутренняя энергия, превращается в электрическую) и аккумулятор(для зарядки через него пропускают постоянный ток, в результате химической реакции один электрод становиться положительно заряженным, другой – отрицательно.

Действия электрического тока: тепловое, химическое, магнитное.

Направление электрического тока: от + к –

Направленное движение заряженных частиц

Поэтому достаточным условием для существования тока является наличие электрического поля и свободных носителей заряда. О наличии тока можно судить по явлениям, которые его сопровождают: Проводник, по которому течет ток, нагревается. Электрический ток может изменять химический состав проводника.

Силовое воздействие на соседние точки и намагниченные тела.

При существовании электрического поля внутри проводника, на концах его существует разность потенциалов. Если она не меняется, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

Сила тока

Сила тока – отношение заряда, пронесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени.

Сила тока, как и заряд, величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. За положительное направление силы тока принято движение положительных зарядов. Если с течением времени сила тока не меняется, то ток называется постоянным .

Электродвижущая сила

Для того, чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными условия, при которых возникает электрический ток.

Во внешней цепи электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Но, чтобы поддерживать разность потенциалов на концах внешней цепи, необходимо перемещать электрические заряды внутри источника тока против сил электрического поля. Такое перемещение может осуществляться только под действием сил неэлектростатической природы.

Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе раздела электрод – электролит. В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.

Последовательное и параллельное соединение проводников

Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений, все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Сила тока во всех проводниках одинакова, так как в проводниках электрический заряд не накапливается и через поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд.

При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.

При параллельном соединении электрическая цепь имеет разветвления (точку разветвления называют узлом). Начала и концы проводников имеют общие точки подключения к источнику тока.

При этом напряжение на всех проводниках одинаково. Сила тока равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках, так как в узле электрический заряд не накапливается, поступающий за единицу времени в узел заряд равен заряду, уходящему из узла за то же время.

Соединение источников тока

Соединение источников тока

Химические источники э. д. с. (аккумуляторы, элементы) включаются между собой последовательно, параллельно и смешанно.

Последовательное соединение источников э. д. с. На рисунке представлены три соединенных между собой аккумулятора. Такое соединение аккумуляторов, когда минус каждого предыдущего источника соединен с плюсом последующего источника, называется последовательным соединением. Группа соединенных между собой аккумуляторов или элементов называется батареей.

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля характеризуется силой, которая действует на точечный электрический заряд, помещенный в это поле.

Если:
E — напряженность электрического поля (Вольт/метр),
F — сила действующая на заряд Q (Ньютон),
Q — заряд (Кулон),
То, напряженность электрического поля описывается следующей формулой:

Напряженность электрического поля — векторная величина. Направление вектора напряженности электрического поля E совпадает с направлением действия силы F. Заряд — скалярная величина. Если заряд отрицателен, то направление действия силы и направление вектора напряженности электрического поля противоположны.

В неоднородном поле сила, действующая на заряд в различных точках поля, неодинакова.

Каждый электрик должен знать:  Инвертор для домашней солнечной электростанции
Добавить комментарий