Электрическое поле и его основные характеристики

В пространстве вокруг заряженного тела существует электрическое поле (один из видов материи), обладающее запасом электрической энергии. Эта энергия проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные частицы (рис. 1.3.а).

Условно электрическое поле изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направление действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую бы двигалась в поле положительно заряженная частица.

Поле, созданное двумя плоскими разноимённо заряженными параллельными пластинами (рис. 1.3.а), называется однородным. Графически такое поле изображается параллельными прямыми линиями с одинаковым расстоянием между линиями.

а) б)

а) б)

Если по мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т.е. напряжённость поля уменьшается, то это поле – неоднородное (рис. 1.3.б).

При взаимодействии электрических зарядов (электрически заряженных тел) между ними возникают электрические силы притяжения или отталкивания. Одноимённые заряды отталкиваются (рис. 1.4. б), разноимённые – притягиваются (рис. 1.4.а).

Параметры электрического поля:

1. Напряженность поля (Е) - характеризует интенсивность электрического поля, т.е. его способность притягивать или отталкивать некоторый электрический зарядq, принятый за единицу.

Поле с большой напряжённостью Е изображается силовыми линиями большой густоты, с малой напряжённостью – редко расположенными силовыми линиями. По мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т.е. напряжённость поля уменьшается (рис. 1.5). Только в однородном электрическом поле значение напряжённости одно и то же в любой его точке.

Рисунок 1.5. Схема действия электрического поля на внесённый в него электрический заряд q

Под напряжённостью понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело, к заряду q этого тела. E=F/q

Напряжённость в однородном поле – это отношение электрического напряжения, действующего между двумя точками поля, к расстоянию ℓ между этими точками. Е=U/ℓ

2. Электрическое поле обладаетзапасом энергии, т.е. способностью совершать работу.

Например:

Сожмём пружину. Тем самым накопим запас энергии. Если затем освободить один из концов пружины, то он сможет переместить на некоторое расстояние связанное с этим концом тело.

Точно так же энергия электрического тела реализуется, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определённую работу.

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

Рисунок 1.6. Разность потенциалов между точками А и Б электрического поля определяет работу, затраченную на перемещение заряда q между этими точками.

ℓ – расстояние между точками А и Б.

Электрический потенциал поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы заряда из этой точки за пределы поля (рис.1.6).

Например:

Для подъёма локомотива в точку Б (рис. 1.7) нужно затратить гораздо большую работу, чем для подъёма его в точку А.

За нулевой уровень (точку отсчёта высоты) обычно принимают уровень моря.

За нулевой потенциал в этом примере условно принят потенциал поверхности земли.

Рис. 1.7. Разность уровней в поле земного тяготения

3. Различные точки электрического поля обладают разными потенциалами.

На практике нас не интересуют абсолютные высоты Н₁ и Н₂ точек АиБнад уровнем моря, важнее знать разность уровней Нмежду этими точками, т.к. на подъём локомотива из точки А в точку Бнадо затратить работу, зависящую от величины Н.

Разность потенциалов φ₁ иφ₂ двух точек поля характеризует собой работуW, затрачиваемую силами поля на перемещение единичного заряда q из одной точки поля с большим потенциалом в другую точку с меньшим потенциалом. Разность потенциалов φ₁ иφ₂ между двумя точками поля называется электрическим напряжением U.Единицы измерения:В -вольт, киловольт (тысячи вольт), милливольт (тысячная вольта), микровольт (миллионная вольта). U=W/q

Следовательно, напряжениеU, действующее между различными точками электрического поля, характеризует запасённую в этом поле энергию, которая может быть отдана путём перемещения между этими точками электрических зарядов.

Контрольные вопросы

1. Что такое электрическое поле?

2. Что такое однородное поле?

3. Что такое неоднородное поле?

4. Как графически изображается электрическое однородное поле?

5. Как графически изображается электрическое неоднородное поле?

6. Что обозначают стрелки на силовых линиях поля?

7. Какие заряды притягиваются?

8. Какие заряды отталкиваются?

9. Дайте определение напряжённости электрического поля.

10. За нулевой потенциал условно принят …..

11. Дайте определение электрического потенциала.

12. Дайте определение электрического напряжения.

13. Назовите единицы измерения электрического напряжения.

14. Какое поле существует в пространстве вокруг заряженного тела?

15. В какую сторону принято направлять силовые линии электрических сил?

1.3. Электрический ток и его основные характеристики Электропроводность веществ

Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения (рис. 1.8.а). Если внести электрический проводник в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Поэтому электрическим током I в металлических проводниках называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц (электронов) (рис. 1.8.б).

Рисунок 1.8. Схема возникновения электрического тока в металлических проводниках:

а) беспорядочное движение электронов; б) упорядоченное движение электронов

Электрическое поле распространяется со скоростью 300000 км в секунду, с такой же скоростью проходит электрический ток, хотя электроны движутся со скорость несколько мм или см в секунду.

Единица измерения силы тока - ампер A: это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит 1 кулон электричества.

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.

Электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают это сопротивление движению, т.е. проводники обладают электрическим сопротивлением.

Противодействие проводника прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением R.Единицы измерения -Ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В.

Если сопротивление мало, проводник слабо нагревается током. Если сопротивление велико, проводник может раскалиться.

Например:

Провода, проводящие электрический ток к электрической плитке, почти не нагреваются, т.к. их сопротивление мало. Спираль плитки, обладающая большим сопротивлением, раскаляется докрасна. Ещё сильнее накаляется нить электрической лампы.

Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью G. Электропроводность– величина обратная сопротивлению. Единица измерения – сименс (См). G=1/R (См).

Электропроводность веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропроводность данного вещества.

Все вещества в зависимости от электропроводимости условно делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники обладают очень высокой электропроводностью. Существует два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока.

· Это металлы – ток в них обусловлен движением свободных электронов (электронная проводимость);

· и электролиты (растворы кислот, щелочей и солей) – прохождение тока в них связано с движением электрически заряженных частей молекул – положительных и отрицательных ионов (ионная проводимость).

Полупроводники– имеют мало свободных электронов. В обычном состоянии плохо проводят ток. Но при определённых посторонних воздействиях электроны могут покидать атомы и становятся проводниками.

Диэлектрики(изоляторы) – не проводят электрический ток. В них электроны очень крепко связаны со своими атомами.

Атомы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. О способности отдельных веществ проводить электрический ток судят по их удельному электрическому сопротивлению ρ. За величину, характеризующую удельное сопротивление ρ,принимается сопротивление куба с ребром 1м. [Ом/м]

Для суждения об электропроводности материала пользуются понятием удельная электрическая проводимость σ. Удельная проводимость (σ) – проводимость куба с ребром 1 м. Измеряется вСм/м. (σ)=1/(ρ) (См/м)

Сопротивление прямолинейного проводника (шины, ленты) зависит не только от материала проводника, но и его длины и площади поперечного сечения. (Электрическое сопротивление подобно сопротивлению, оказываемому движению воды в трубе, которое зависит от площади сечения трубы и её длины). R= ρ∙l/s(Ом); ρ [Ом∙м/мм²]

Электропроводность всех материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристаллической решётке металла увеличивается, отчего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов. При охлаждении происходит обратное явление: беспорядочное колебание атомов уменьшается, сопротивление их потоку электронов понижается и электропроводность проводника возрастает.

Однако, у таких сплавов, как фехраль, нихром, константан, менганин и др. в определённом интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало. Эти сплавы применяют для изготовления резисторов, используемых в электроизмерительных приборах и некоторых аппаратах для компенсации влияния температуры на их работу.

Чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость и. следовательно, он лучше проводит ток.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение электрического тока.

2. В каких единицах измеряется электрический ток?

3. Какие виды токов Вы знаете?

4. Дайте определение пульсирующего тока.

5. Какой ток называется импульсным?

6. Единицей электрического заряда принято считать …..

7. Удельная проводимость – это …..

8. Что такое сопротивление электрического тока?

9. Какие носители электричества создают в веществе, помещенном в электрическое поле, процесс движения?

10. Какой ток называется переменным?

11. Как условно делятся вещества в зависимости от электропроводности

12. Сопротивление куба с ребром 1м называется …..

13. Способность материала проводить электрический ток, называется …..

14. Как температура проводника влияет на его электропроводность?

15. Назовите единицы измерения электропроводности?

16. От чего зависит электропроводность вещества?

17. Дайте определение, что такое проводник.

18. Дайте определение, что такое диэлектрик.

19. Дайте определение, что такое полупроводник.

20. Дайте определение постоянного тока.

21. Назовите единицы измерения сопротивления.

22. Дайте определение удельной проводимости.

23. Дайте определение удельного сопротивления.

24. Назовите факторы, влияющие на сопротивление линейного проводника.