Электрическое напряжение и электродвижущая сила

Электрическое поле. Когда по проводнику проходит ток, то это озна­чает, что проводник находится в электри­ческом поле. Электрическое поле возникает вокруг любой электрически заряженной частицы и представляем собой особое специфическое состояние материи. Оно возникает также между любыми двумя узлами электриче­ской цепи, по которой проходит ток, напри­мер, между двумя зажимами приемника или зажимами источника электриче­ской энергии.

Электрическое поле обладает запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела.

Наблюдать электриче­ское поле непосредственно невозможно; условно его изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направления действия электрических сил, создаваемых полем. Принято на­правлять силовые линии в ту сторону, в которую двигалась бы в электриче­ском поле положительно заряженная частица. Как показано на рисунке 3а, электрические силовые ли­нии расходятся в разные стороны от положительно заряженных тел и сходятся у тел, обладающих отрицательным зарядом. Си­ловые линии электрического поля, созданного двумя плоскими разноименно заряженными пластинами (рисунок 3б) бесконечно большой длины, направ­лены параллельно друг другу; поле с таким расположением силовых линий называется равномерным.

Рисунок 3 – Простейшие электрические поля:

а – одиночных зарядов, б – двух параллельных пластин

Напряженность поля. Электрическое поле действует на внесенный в него заряд q (рисунок 4) с некоторой силой F, которая зависит от величины этого заряда и интенсивности поля. Следовательно, об интенсивности элек­трического поля можно судить по величине силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый электрический заряд, принятый за единицу.

Рисунок 4 – Схема действия электрического поля на внесенный в него электрический за­ряд

В электротехнике интенсивность поля характеризуют величиной на­пряженности электрического поля Е. Под напряженностью понимают отно­шение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к вели­чине заряда q этого тела. Напряженность поля измеряют в вольтах на метр (В/м):

(1)

При напряженности поля в 1 В/м на заряд в 1 Кл действует сила, рав­ная 1 ньютону (1 Н). В некоторых случаях применяют более крупные еди­ницы измерения напряженности: В/см (100 В/м) и В/мм (1000 В/м). Поле с большей напряженностью Е изображается графически силовыми линиями большей густоты; поле с малой напряженностью – редко нанесенными сило­выми линиями. Из рассмотрения рисунка 3а видно, что напряженность поля в различных его точках различна. По мере удаления от заряженного тела сило­вые линии электрического поля располагаются реже, т. е. напряженность поля уменьшается. Только в равномерном электрическом поле (рисунок 3б) напряженность одинакова во всех его точках.

Энергия электрического поля. Электрическое поле обладает опреде­ленным запасом энергии, т.е. способностью совершать работу.

Как известно, энергию можно также накопить в пружине, для чего ее нужно сжать или растянуть. За счет запасенной таким способом энергии можно осуществить определенную работу. Точно так же за счет энергии электрического поля можно совершить некоторую работу, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий.

В равномерном поле работа А, совершенная при движении заряда q в направлении сил поля, равна произведению силы F на путь l или с учетом формулы (1)

(2)

Электрический потенциал. Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля введено специальное понятие – электриче­ский потенциал. Электрический потенциал φ в данной точке поля равен ра­боте, которую могут совершить силы электрического поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Разность электрических потенциалов φ₁ и φ₂ двух точек поля характе­ризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемещение единич­ного заряда из точки поля с большим потенциалом в точку с меньшим потен­циалом. В электрической цепи постоянного тока разность потенциалов между двумя точками этой цепи характеризует работу, которая затрачивается для перемещения между этими точками единицы электрического заряда.

Понятие электрического потенциала подобно понятию уровня для раз­личных точек земной поверхности. Очевидно, что для подъема шара в точку Б (рисунок 5) нужно затратить большую работу, чем для подъема его в точку А. Поэтому шар, поднятый на уровень Н₂, при спуске сможет совершить большую работу, чем шар, поднятый на уровень Н₁.

Рисунок 5 – Разность уровней в поле земного тяготения

За нулевой уровень, от которого производится отсчет высоты, прини­мают обычно уровень моря. Точно так же за нулевой потенциал условно при­нимают потенциал земли.

Электрическое напряжение. Обычно нас мало интересует абсолютная величина потенциалов отдельных точек электрического поля, но весьма важно знать разность потенциалов между двумя точками поля, так как от этой величины зависит работа, которая затрачивается на перемещение некоторого заряда q из одной точки в другую. В электрической цепи постоянного тока разность электрических потенциалов между двумя точками цепи (например, между двумя зажимами источника или приемника электрической энергии) носит название электрического напряжения U. Оно численно равно отноше­нию работы А, которую нужно затратить на перемещение заряда q из одной точки электрической цепи в другую, к величине этого заряда

(3)

Электрическое напряжение — важнейшая электрическая величина, по­зволяющая вычислять работу и мощность при перемещении носителей элек­тричества в электрической цепи. За единицу электрического напряжения принято напряжение в один вольт (В). В электротехнике напряжение иногда измеряют в тысячных долях вольта – милливольтах (мВ) и миллионных долях вольта – микровольтах (мкВ). Для измерения высоких напряжений пользу­ются более крупными единицами – киловольтами (кВ) – тысячами вольт. На­пряжение при постоянном токе обозначают буквой U.

Электродвижущая сила. В замкнутой электрической цепи положи­тельные заряды движутся от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом, т. е. от положительного зажима источника элек­трической энергии к отрицательному. Но внутри источника эти заряды должны перемещаться от отрицательного зажима к положительному, т. е. от полюса с низшим потенциалом к полюсу с высшим потенциалом. Такое пе­ремещение зарядов внутри источника совершается за счет сил неэлектриче­ского происхождения, которые называют сторонними силами. Наличие сто­ронних сил совершенно необходимо для работы электрических устройств. Они возникают в источниках электрической энергии в результате преобразо­вания какой-либо формы энергии в электрическую.

Работа сторонних сил А_ст, отнесенная к единице положительного за­ряда q, называется электродвижущей силой (э. д. с.) источника электрической энергии:

(4)

Следовательно, э. д. с. является причиной, вызывающей прохождение тока по замкнутой электрической цепи. За единицу э. д. с., так же как и на­пряжения, принят вольт.

В разных источниках электрической энергии э. д. с. возникает по раз­личным физическим причинам. Так, например, в электрических генераторах э. д. с. получается посредством электромагнитной индукции, в химических источниках тока (аккумуляторах, гальванических элементах) – вследствие электрохимических реакций.

Следует подчеркнуть различие характера перемещения электрических зарядов (т. е. прохождения электрического тока) по замкнутой электрической цепи с включенным источником электрической энергии и по проводнику, соединяющему два разноименно заряженных тела. В первом случае под действием э. д. с. Е источника обеспечивается непрерывное прохожде­ние тока по цепи. Во втором случае (рисунок 6) ток будет проходить от тела а к телу б только кратковременно, пока потенциалы обоих тел не окажутся равными, т. е. напряжение между ними не станет равным нулю.

Рисунок 6 – Схема прохождения тока по проводнику, соединяющему два разноименно заряженных тела

В электрической цепи источник электрической энергии изображается кружком со стрелкой, указывающей направление э. д. с., т. е. направление возрастания потенциала в источнике. В цепях постоянного тока знаками «+» и «-» указывают также полярность источника.