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 (Е) - 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*10¹⁸ 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/мм²]

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+R₀

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.

E=IR₁₊IR₂ = I(R₁₊R₂)=IR_Э.

Рис.11

Рис.12

R_Э=R₁₊R₂+… U₁:U₂ =R₁:R₂

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

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

I=I₁+I₂+…

I=U/R₁+U/R₂ =U/(1/R₁+1/R₂)

Рис.13

I₁:I₂ =1/R₁+1/R₂

Для двух резисторов

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

При смешанном соединении резисторовэквивалентное сопротивление определяют методом преобразования.

Понятие о магнитном поле

При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле.

Магнитное поле обладает энергией, которая прояв­ляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдель­ные движущиеся электрические заряды и на их потоки, т. е. электрический ток.

Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направле­нии, перпендикулярном полю.

Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды.

Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изме­нение магнитного поля сопровождается возникновением электри­ческого поля.

Интенсивность магнитного поля, т.е. его способность производить работу определяется магнитной индукцией (В).

Магнитный поток (Ф), проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом м.с.л. пронизывающих эту поверхность Ф=BS, B=Ф/S, где S поперечное сечение магнитопровода.

Магнитная индукция зависит не только от тока, возбуждающего магнитное поле, но и от среды, в которой оно существует. Влияние среды на магнитное поле характеризуется абсолютной магнитной проницаемостью среды µа (Гн/м)

Относительная магнитная проницаемость µ_отн=µа/µ₀, где µ₀-магнитная проницаемость вакуума = 4π*10^-7(Гн/м).

Напряженность магнитного поля Н не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводника на интенсивность магнитного поля в данной точке. H=B/µ_а (А/м)