Електричне поле і його основні характеристики

У просторі навколо зарядженого тіла існує електричне поле (один з видів матерії), що володіє запасом електричної енергії. Ця енергія проявляється у вигляді електричних сил, що діють на що знаходяться в полі заряджені частинки (рис. 1.3.а).

Умовно електричне поле зображують у вигляді електричних силових ліній, які показують напрямок дії електричних сил, що створюються полем. Прийнято направляти силові лінії в ту сторону, в яку б рухалася в поле позитивно заряджена частинка.

Поле, створене двома плоскими різнойменно зарядженими паралельними пластинами (рис. 1.3.а), називається однорідним. Графічно таке поле зображується паралельними прямими лініями з однаковою відстанню між лініями.

Малюнок 1.3. Найпростіше електричне поле: (а) однорідне і (б) неоднорідне електричне поле

1.4. Найпростіше електричне поле (а) двох різнойменних зарядів і (б) двох однойменних зарядів

Якщо в міру віддалення від зарядженого тіла силові лінії електричного поля розташовуються рідше, тобто напруженість поля зменшується, то це поле - неоднорідне (рис. 1.3.б).

При взаємодії електричних зарядів (електрично заряджених тіл) між ними виникають електричні сили тяжіння або відштовхування. Однойменні заряди відштовхуються (рис. 1.4. Б), різнойменні - притягуються (рис. 1.4.а).

Параметри електричного поля:

1. Напруженість поля (Е) - характеризує інтенсивність електричного поля, тобто його здатність притягувати або відштовхувати деякий електричний зарядq, прийнятий за одиницю.

Поле з великою напруженістю Е зображується силовими лініями великий густоти, з малою напруженістю - рідко розташованими силовими лініями. У міру віддалення від зарядженого тіла силові лінії електричного поля розташовуються рідше, тобто напруженість поля зменшується (рис. 1.5). Тільки в однорідному електричному полі значення напруженості одне і те ж в будь-який його точці.

Малюнок 1.5. Схема дії електричного поля на внесений в нього електричний заряд q

Під напруженістю розуміють відношення сили F. діючої на заряджене тіло, до заряду q цього тіла. E = F / q

Напруженість в однорідному полі - це відношення електричної напруги, що діє між двома точками поля, до відстані # 8467; між цими точками. Е = U / # 8467;

2. Електричне поле обладаетзапасом енергії, тобто здатністю здійснювати роботу.

Стиснемо пружину. Тим самим назбираємо запас енергії. Якщо потім звільнити один з кінців пружини, то він зможе перемістити на деяку відстань пов'язане з цим кінцем тіло.

Точно так же енергія електричного тіла реалізується, якщо внести в нього будь-якої заряд. Під дією сил поля цей заряд буде переміщатися по напрямку силових ліній, здійснюючи певну роботу.

Електричний потенціал (# 966;) характеризує енергію, запасені в кожній точці поля.

Малюнок 1.6. Різниця потенціалів між точками А і Б електричного поля визначає роботу, витрачену на переміщення заряду q між цими точками.

# 8467; - відстань між точками А і Б.

Електричний потенціал поля в даній точці дорівнює роботі, яку можуть зробити сили цього поля при переміщенні одиниці заряду з цієї точки за межі поля (рис.1.6).

Для підйому локомотива в точку Б (рис. 1.7) потрібно затратити набагато більшу роботу, ніж для підйому його в точку А.

За нульовий рівень (точку відліку висоти) зазвичай приймають рівень моря.

За нульовий потенціал в цьому прикладі умовно прийнятий потенціал поверхні землі.

Мал. 1.7. Різниця рівнів в поле земного тяжіння

3. Різні точки електричного поля мають різними потенціалами.

На практиці нас не цікавлять абсолютні висоти Н1 і Н2 точок А ІБ над рівнем моря, важливіше знати різницю рівнів Н між цими точками, тому що на підйом локомотива з точки А в точку Б треба затратити роботу, залежить від величини Н.

різниця потенціалів # 966; 1 і # 966; 2 двох точок поля характеризує собою работуW. затрачену силами поля на переміщення одиничного заряду q з однієї точки поля з великим потенціалом в іншу точку з меншим потенціалом. різниця потенціалів # 966; 1 і # 966; 2 між двома точками поля називається електричною напругою U .Едініци вимірювання: В - вольт, кіловольт (тисячі вольт), мілівольт (тисячна вольта), мікровольт (мільйонна вольта). U = W / q

Отже, напряженіеU. чинне між різними точками електричного поля, характеризує запасені в цьому полі енергію, яка може бути віддана шляхом переміщення між цими точками електричних зарядів.

1. Що таке електричне поле?

2. Що таке однорідне поле?

3. Що таке неоднорідне поле?

4. Як графічно зображується електричне однорідне поле?

5. Як графічно зображується електричне неоднорідне поле?

6. Що означають стрілки на силових лініях поля?

7. Які заряди притягуються?

8. Які заряди відштовхуються?

9. Дайте визначення напруженості електричного поля.

10. За нульовий потенціал умовно прийнятий ... ..

11. Дайте визначення електричного потенціалу.

12. Дайте визначення електричної напруги.

13. Назвіть одиниці вимірювання електричної напруги.

14. Яке поле існує в просторі навколо зарядженого тіла?

15. У який бік прийнято направляти силові лінії електричних сил?

1.3. Електричний струм і його основні характеристики Електропровідність речовин

Вільні електрони перебувають в стані безладного руху (рис. 1.8.а). Якщо внести електричний провідник в електричне поле, то вільні електрони під дією сил поля почнуть переміщатися в бік позитивного полюса, створюючи електричний струм. Тому електричним струмом Iв металевих провідниках називається впорядкована (спрямований) рух заряджених частинок (електронів) (рис. 1.8.б).

Малюнок 1.8. Схема виникнення електричного струму в металевих провідниках:

а) безладний рух електронів; б) впорядкований рух електронів

Електричне поле поширюється зі швидкістю 300000 км в секунду, з такою ж швидкістю проходить електричний струм, хоча електрони рухаються зі швидкістю кілька міліметрів або см в секунду.

Одиниця виміру сили струму - ампер A. це такий струм, при якому через поперечний переріз провідника щосекунди проходить 1 кулон електрики.

Постійний струм - струм, що не міняє своє значення і напрямок з плином часу.

2. Змінний струм - струм, значення і (або) напрямок якого змінюється з плином часу. Отримують від генераторів змінного струму і трансформаторів.

При русі вільних електронів в провіднику вони стикаються з іонами і атомами речовини, з якого зроблений провідник, і передають їм частину своєї енергії, яка виділяється у вигляді тепла, що нагріває провідник.

Електрони, зіштовхуючись з частинками провідника, долають цей опір руху, тобто провідники мають електричним опором.

Протидія провідника проходженню електричного струму називається електричним опором R. Одиниці виміру -ом. Опором 1 Ом володіє провідник, по якому проходить струм 1 А при різниці потенціалів на його кінцях (напрузі), що дорівнює 1 В.

Якщо опір мало, провідник слабо нагрівається струмом. Якщо опір велике, провідник може розжаритися.

Провід, які проводять електричний струм до електричної плитці, майже не нагріваються, тому що їх опір мало. Спіраль плитки, що володіє великим опором, розжарюється до червоного. Ще сильніше загострюється нитку електричної лампи.

Властивість речовини проводити електричний струм під дією електричного поля називається електропровідністю G. Електропроводность- величина зворотна опору. Одиниця виміру - сіменс (См). G = 1 / R (См).

Електропровідність речовин залежить від концентрації вільних електрично заряджених частинок. Чим більше концентрація цих частинок, тим більше електропровідність даної речовини.

Всі речовини в залежності від електропровідності умовно діляться на провідники, напівпровідники і діелектрики.

Провідники мають дуже високу електропровідність. Існує два роду провідників, які розрізняються фізичною природою протікання електричного струму.

· Це метали - струм в них обумовлений рухом вільних електронів (електронна провідність);

· І електроліти (розчини кислот, лугів і солей) - проходження струму в них пов'язано з рухом електрично заряджених частин молекул - позитивних і негативних іонів (іонна провідність).

Напівпровідники - мають мало вільних електронів. У звичайному стані погано проводять струм. Але при певних сторонніх впливах електрони можуть залишати атоми і стають провідниками.

Діелектрики (ізолятори) - не проводять електричний струм. У них електрони дуже міцно пов'язані зі своїми атомами.

Атоми різних речовин надають проходженню електричного струму неоднакове опір. Про здатність окремих речовин проводити електричний струм судять по їх питомій електричному опору # 961 ;. За величину, що характеризує питомий опір # 961 ;, приймається опір куба з ребром 1 м. [Ом / м]

Для судження про електропровідності матеріалу користуються поняттям питома електрична провідність # 963 ;. Питома провідність (# 963;) - провідність куба з ребром 1 м. Вимірюється ВСМ / м. (# 963;) = 1 / (# 961;) (См / м)

Опір прямолінійного провідника (шини, стрічки) залежить не тільки від матеріалу провідника, а й його довжини і площі поперечного перерізу. (Електричний опір подібно опору, що чиниться руху води в трубі, яке залежить від площі перетину труби і її довжини). R = # 961; # 8729; l / s (Ом); # 961; [Ом # 8729; м / мм 2]

Електропровідність всіх матеріалів залежить від їх температури. В металевих провідниках при нагріванні розмах і швидкість коливань атомів в кристалічній решітці металу збільшується, через що зростає і опір, який вони чинять потоку електронів. При охолодженні відбувається зворотне явище: безладне коливання атомів зменшується, опір їх потоку електронів знижується і електропровідність провідника зростає.

Однак, у таких сплавів, як фехраль, ніхром, константан, менганін і ін. В певному інтервалі температур електричний опір змінюється порівняно мало. Ці сплави застосовують для виготовлення резисторів, використовуваних в приладах і деяких апаратах для компенсації впливу температури на їх роботу.

Чим менше опір провідника, тим більше його провідність і. отже, він краще проводить струм.

1. Дайте визначення електричного струму.

2. В яких одиницях вимірюється електричний струм?

3. Які види струмів Ви знаєте?

4. Дайте визначення пульсуючого струму.

5. Який струм називається імпульсним?

6. Одиницею електричного заряду прийнято вважати ... ..

7. Питома провідність - це ... ..

8. Що таке опір електричного струму?

9. Які носії електрики створюють в речовині, вміщеному в електричне поле, процес руху?

10. Який струм називається змінним?

11. Як умовно поділяються речовини в залежності від електропровідності

12. Опір куба з ребром 1 м називається ... ..

13. Здатність матеріалу проводити електричний струм, називається ... ..

14. Як температура провідника впливає на його електропровідність?

15. Назвіть одиниці вимірювання електропровідності?

16. Від чого залежить електропровідність речовини?

17. Дайте визначення, що таке провідник.

18. Дайте визначення, що таке діелектрик.

19. Дайте визначення, що таке напівпровідник.

20. Дайте визначення постійного струму.

21. Назвіть одиниці вимірювання опору.

22. Дайте визначення питомої провідності.

23. Дайте визначення питомої опору.

24. Назвіть фактори, що впливають на опір лінійного провідника.