Что является энергетической характеристикой электрического поля

Электрическое поле характеризуется воздействием на электро заряженную частицу с силой пропорциональной заряда частицы и независящей от ее скорости.

Напряжённость

Напряжённость — векторная величина определяющая силу

действующую на заряженную частицу или тело со стороны электрического поля и численно равная отношению силы к заряду частицы.

Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M]

Напряжённость — это основная характеристика электрического поля которая измеряет интенсивность поля.

Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы действующей на частицу с положительным зарядом.

Электрическое поле называется однородным (равномерным) если напряжённость поля во всех точках одинаковое по величине и направлению.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля.

U = A/q [Дж/Кл] или [В]

Потенциал

Потенциал (φ) — это энергетическая характеристика поля численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы помещенной в данной точке поля величине её заряда.

φ = W/Q [В]

Геометрическое место поля с с одинаковым потенциалом называется эквипотенциальной поверхностью.

Лекция по теме "Электрическое поле и его характеристики"

Просмотр содержимого документа
«Электрическое поле и его характеристики»

Екатеринбургский автомобильно-дорожный колледж. Лекции по "Электротехнике и электроники.

Преподаватель Тонкушина Д.Д.

Раздел № 1. Электротехника

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.

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 W_М, 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 r_ABC, 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.

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).

1. Понятие об электрическом поле. Силовая и энергетическая характеристики электрического поля

Электрическое поле – это вид материи, образующийся вокруг заряженных тел, посредством которого они взаимодействуют друг с другом.
Сила взаимодействия двух точечных зарядов определяется законом Кулона: F = k·q₁·q₂/r 2 . При этом если заряженные тела имеют одинаковые заряды, то они отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются. Заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством их электрических полей.

Выделяют следующие характеристики электрического поля:
1. Силовая характеристика – напряжённость электрического поля – это сила, которая действует на единицу заряда, помещённого в данное электрическое поле: E = F/q . Измеряется в [В/м]
Если определённый точечный заряд Q образует электрическое поле, то напряжённость этого поля в точке, находящейся на расстоянии r от заряда вычисляется по формуле: E = Q/(4πεεr 2 ) где Q– заряд, образующий данное электрическое поле; ε = 8,84*10 -12 Ф/м- электрическая постоянная; ε- электрическая проницаемость среды, в которой образуется поле; r -расстояние от точечного заряда до точки, в которой исследуется напряжённость.
За направление напряжённости принимают направление силы, действующей на положительный заряд.
Величина напряжённости электрического поля графически изображается в виде силовых линий – тех линий, направление касательных к которым в любой точке совпадают с направлением напряжённости электрического поля. Чем больше линий – тем больше напряжённость.
2. Энергетическая характеристика электрического поля – потенциал.
В каждой точке электрического поля на внесённый в это поле заряд действует определённая сила. При перемещении заряда в электрическом поле будет совершаться работа. При этом каждая точка электрического поля будет характеризоваться потенциалом.
Потенциал поля в данной точке – это потенциальная энергия электрического поля в этой точке, приходящаяся на единицу помещённого в эту точку заряда: φ = W_p/q [В] Потенциал поля характеризует возможную работу, которую совершает электрическое поле или которая совершается над электрическим полем при перемещении этого заряда в точку с другим потенциалом: Δφ = A/q.
Поскольку работа будет совершаться только при перемещении заряда между точками, обладающими неодинаковыми потенциалами, то физический смысл имеет лишь разность потенциалов, или напряжение между двумя точками электрического поля. Поэтому, когда употребляют термин ″потенциал″, имеют в виду разность потенциалов между данной точкой, потенциал которой измеряют, и бесконечно удалённой точкой пространства, потенциал которой можно считать равным 0. При этом потенциал в данной точке поля, созданного точечным зарядом Q, равен: φ = Q/(4πεεγ) и , если потенциал создается большим числом зарядов, то φ = ∑φ.
Только разность потенциалов можно измерить с помощью вольтметра. Считают, что напряженность электрического поля – отрицательный градиент потенциала.

2. Действие электрического поля на вещества

Действие электрического поля на различные вещества неодинаково и зависит от их внутреннего строения. По этому действию все вещества делят на:
— проводники электрического тока
— полупроводники
— изоляторы, или диэлектрики.
Проводники характеризуются тем, что в них под действием электрического поля образуется электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Это происходит благодаря тому, что в проводниках имеются свободные заряды. Существуют проводники 1 рода (металлы, в которых есть свободные электроны) и 2 рода (растворы электролитов, в которых свободными зарядами являются положительно заряженные ионы – катионы и отрицательно заряженные ионы – анионы).
Полупроводники при обычной температуре имеют мало свободных зарядов. Причём когда электроны в полупроводниках становятся свободными, то на их месте образуется дырка – избыток положительного заряда. Поэтому носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки.
В диэлектриках нет свободных носителей зарядов, поэтому под действием электрического поля в них не возникает электрического тока, но возникает явление, называемое поляризацией диэлектрика – приобретение диэлектриком полярности за счёт разделения в нём положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля. Поляризация существует в 3 вариантах: ориентационная, электронная и ионная.
Указанные различия хорошо описываются зонной теорией твёрдых тел, или квантовой теорией энергетического спектра электронов в кристалле. Согласно теории в кристалле существуют запрещённые и разрешённые энергетические зоны для электронов. Нижние зоны заполнены полностью электронам. Физические свойства кристаллов определяются верхними зонами, содержащими электроны. Если между верхней зоной и следующей разрешённой зоной запрещённая зона узкая (энергетический интервал невелик), то вещество является проводником, а если запрещённая зона велика – то диэлектриком.

3. Электрический ток

Основной характеристикой электрического тока является

сила тока

– количество заряда, пересекающее поперечное сечение проводника за единицу времени. I

= Δq/Δt или для мгновенной силы тока : I

= dq/dt. Единицей измерения силы тока является ампер (

). 1 ампер – сила тока, когда заряд 1 кулон проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду. Часто используют миллиампер (

. Обычно за направление электрического тока в проводнике принимают направление движения положительных зарядов.

Другой величиной, характеризующей электрический ток, является плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу площади проводника. Измеряется в амперах на квадратный метр: J = I/S.

Различают:
— Постоянный ток – электрический ток, параметры которого (сила и направление) не изменяются во времени. Источниками постоянного тока являются генераторы, которые поддерживают постоянную разность потенциалов на концах проводника.
— Переменный ток – электрический ток, параметры которого изменяются во времени по закону синуса или косинуса. Электрический ток, передаваемый в потребительской электросети, представляет собой синусоидальное колебание частотой 50 Гц: I = I_max·cos(ωt + φ).
Основным законом, описывающим постоянный электрический ток, является закон Ома: сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов между его концами, или электрическому напряжению (U): I = U/R.
Величина R называется электрическим сопротивлением. Сопротивление является свойством проводников препятствовать прохождению через него электрического тока, при этом электрическая энергия превращается в тепловую энергию. Сопротивление возникает из-за столкновения заряженных частиц (носителей тока) с внутренними структурами проводника – атомами и молекулами. Единицей измерения сопротивления является Ом. Обратная величина сопротивлению называется электрической электропроводностью (D).
Для многих веществ сопротивление является постоянной величиной, независимой от силы тока. Сопротивление проводника является функцией его размера, формы, строения и температуры. Величина сопротивления провода: R = ρ(1/S) (5)
, где l – длина проводника, S — площадь поперечного сечения проводника. Константа прямой пропорциональности ρ называется удельным сопротивлением [ом·м] . Она зависит только от свойств вещества и температуры. Обратной величиной удельному сопротивлению является удельная электропроводность (γ) [ом -1 ·м -1 ] .
На основе удельной электропроводности характеризуют свойство веществ проводить электрический ток. Хорошие проводники тока имеют высокую удельную электропроводность. Изоляторы, или диэлектрики, имеют низкую удельную электропроводность. Полупроводники имеют промежуточную удельную электропроводность. Используя удельную электропроводность, как характеристику вещества, можно представить закон Ома в другой форме: J = γE.
Из формулы следует, что плотность тока в проводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля (Е), создающего этот ток, и удельной электропроводности вещества проводника (γ).

Удельная электропроводность электролитов и биологических тканей

Плотность тока в растворе электролитов определяется электрическим зарядом положительных и отрицательных ионов, их концентрациями и скоростями движения в электрическом поле: J = q₊n₊v₊ + q_—n_—v.
Если принять, что концентрация и величина электрического заряда положительных и отрицательных ионов равны, то J = qn(v₊ + v_—)(8)
Скорость v ионов пропорциональна напряженности электрического поля E и зависит от подвижности ионов u, которая, в свою очередь, является функцией размера, степени гидратации ионов, вязкости растворителя:
v = uE (9)
Тогда J = qn(u₊ + u_—)·E (10).
Это выражение является законом Ома для растворов электролитов.
Хотя сопротивление биологических тканей постоянному электрическому току велико, и по удельной электропроводности биологические ткани близки к диэлектрикам, для объяснения различий в электропроводности различных тканей, их рассматривают как проводники 2 рода, носителями заряда в которых служат ионы.
Биологические ткани не различаются существенно по их ионному составу, но отличаются условиями ионного перемещения. Поэтому ткани разнородны с точки зрения их электрических свойств. Мембраны клеток препятствуют перемещению ионов. Их электрическое сопротивление является наибольшим. Кровь, лимфа, цереброспинальная жидкость характеризуются низким сопротивлением электрическому току. Внутренние органы, содержащие много воды (мышцы, печень, почки, и т.п.), также имеют сравнительно низкое сопротивление. Но сопротивление таких тканей, как кожа и кости, очень высокое. Постоянный электрический ток плохо проникает через сухую кожу. Он распространяется в теле человека, главным образом, вдоль кровеносных и лимфатических сосудов и через мышцы.
Причиной высокого сопротивления биологических тканей постоянному электрическому току – наличие статической ёмкости вследствие изоляционных свойств мембран и явления поляризации, происходящие в клетках, в результате которых возникает встречная эдс, препятствующая прохождению через ткань тока. Причём при малых значениях силы тока он не проходит через ткань вследствие влияния этой ЭДС, а при больших – происходит дезинтеграция (разрушение) клеточных структур, в результате чего сопротивление падает, однако дальнейшие исследования не имеют смысла.
Поляризация – разделение положительных и отрицательных зарядов. многие полагают, что явление поляризации связано с наличием полупроницаемых мембран. Под действием электрического поля ионы начинают перемещаться, но не могут проникнуть через мембрану, в результате у внутренней поверхности мембраны возникает разделение зарядов. Внутри клетки образуется поляризационное поле. Как только его напряженность компенсирует внешнее поле перемещение ионов прекращается. Соответственно этому на внешней стороне мембраны концентрируются противоположно заряженные частицы.
Другие, рассматривая клетки как слоистый диэлектрик, рассматривают явления поляризации как результат гетерогенности клеточных элементов по электропроводности, а также поляризацию связывают с дипольными молекулами (ориентация диполей вдоль силовых линий поля).
Постоянный ток используют в медицинской практике, для реализации двух методов – гальванизации и лекарственного электрофореза.

Переменный ток. Полное сопротивление

Электрические цепи переменного тока включают такие основные электрические компоненты как резисторы, конденсаторы и индукторы. Их специфические свойства — сопротивление, емкость и индуктивность.

Емкость. Если два проводника (пластины металла) разделены посредине изоляцией, они способны накапливать некоторое количество электрического заряда. Величина, равная отношению суммарного заряда, накопленного на пластинах, к разности потенциалов между пластинами называется емкостью (измеряется в Фарадах (F): C = q/U (13).

Индуктивность. Индуктивность L связана с наличием магнитного поля вокруг провода или катушки, через которые проходит электрический ток. Переменное магнитное поле порождает эдс (электродвижущую силу) самоиндукции, которая препятствует изменению силы тока в проводнике:
ε = -L·dl/dt (14), где ε — электродвижущая сила, dl/dt — мгновенная скорость изменения силы тока, L — индуктивность, которая зависит от геометрии цепи и от магнитных свойств вещества проводника и среды. Индуктивность измеряется в Генри (Г).

Реактанс (или реактивное сопротивление). Ранее упоминалось, что сопротивление является свойством электрической цепи препятствовать прохождению через нее электрического тока и что электрическая энергия при этом превращается в тепловую. Реактанс — мера сопротивления переменному электрическому току. Реактанс связан с емкостью и индуктивностью некоторых частей цепи. Он не превращает электрическую энергию в энергию тепла. Реактанс присутствует дополнительно к сопротивлению, если через проводники протекает переменный ток. Когда в цепи течет постоянный электрический ток, то он подвергается только активному сопротивлению, но не реактансу. Реактанс бывает двух типов: индуктивный и емкостной.

Емкостной реактанс X_C является обратной величиной произведения угловой (циклической) частоты тока и емкости этой части цепи: X_C = 1/(ω·C)(15).

Индуктивный реактанс X_L равен произведению угловой частоты переменного тока на индуктивность проводника: X_L = ωL (16).

Доказано, что индуктивный реактанс приводит к тому, что изменения напряжения в электрической цепи опережают изменения силы тока на четверть периода (π/2). Это можно объяснить тем, эдс самоиндукции препятствует нарастанию силы тока в цепи.
Наоборот, емкостной реактанс приводит к тому, что изменения напряжения в электрической цепи отстают от изменения силы тока на четверть цикла (π/2). На рис. 3. проиллюстрировано данное явление.
Поэтому общий реактанс X представляет собой разность индуктивного и емкостного реактансов: X = X_L — X_C.
Если суммировать активное сопротивление и общий реактанс, который препятствует прохождению переменного тока в электрической цепи, получим величину, которая называется полным сопротивлением Z – импедансом: