План-конспект урока по теме "Электрическое поле"

Лекция № 2

Тема «Электрическое поле»

Во всяком теле содержится большое количество элемен­тарных частиц вещества, обладающих электрическими зарядами, например: протонов, обла­дающих положительными зарядами, электронов — отри­цательными. Одни из элементарных заряженных частиц входят в состав атомов и молекул вещества, другие входят в свободном состоянии. В заряженном теле преобладают положительные или отрицательные заряды, в электрически нейтральном теле число тех и других зарядов одинаково.

Движущиеся элементарные частицы, обладающие элек­трическими зарядами, или, короче, электрические заряды неразрывно связаны с окружающим их электромагнитным полем, которое представляет собой один из видов материи. Электромагнитное поле состоит из двух взаимно связанных сторон — составляющих: электрического поля и магнитного поля, выяв­ляемых по силовому действию на заряженные элементарные частицы или тела.

Разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу, одноименно заряженные—отталкиваются. Каж­дый заряд неразрывно связан с окружающим его электри­ческим полем, так что взаимодействие заряженных тел происходит при посредстве электрического поля.

Электрически заряженные частицы вещества и их электрическое поле представляют собой две неразрывно связанные формы материи.

Каждая точка электрического поля характеризуется напряженностью поля Е(ξ) .

Напряженность электрического поля определяется отно­шением силы F, с которой поле действует на точечный проб­ный заряд Q, помещенный в данную точку поля, к этому заряду, следовательно,

Е=F/Q.

При Q, равном единице (одному куло­ну), Е численно равно F следовательно, напряженность электрического поля чис­ленно равна силе поля, действующей на единичный заряд.

Напряженность поля характеризует­ся не только значением, но и направлением, которое совпадает с направлением силы поля, действующей на положительный заряд, находящийся в данной точке. Следовательно, напряженность поля — век­торная величина.

Электрическое поле графически изображается лини­ями напряженности электрического поля. Линия напряженности проводится так, чтобы в каж­дой ее точке вектор напряженности поля был направлен вдоль касательной к ней в этой точке. Линия напряженности электрического поля начинается на положительном заряде и оканчивается на отрицательном электрическом заряде, таким образом, она является незамкнутой.

Электрическое напряжение. Потенциал

Допустим, что пробный положительный заряд Q пере­местился в однородном электрическом поле под действием сил этого поля из точки М в точку N на расстояние l в направлении поля.

Работа, совершенная при этом силами поля за счет его потенциальной энергии, равна: A = Fl = Eql

Величина, определяемая отноше­нием работы по перемещению заряда Q между двумя точками поля к заряду, называется электрическим напряжением между ука­занными точками М и Н.

Следовательно, напряжение

U=A/Q.

Таким образом, напряжение между двумя точками чис­ленно равно работе сил поля при перемещении между этими точками положительного единичного заряда.

Так как работа A = Fl = Eql, то напряжение

U=A/q=Eql/q=El

В Международной системе единиц СИ приняты единицы длины — метр (м); массы — килограмм (кг); времени — секунда (с); силы — ньютон (Н); работы — джоуль (Дж); электрического заряда — кулон (Кл); электрического нап­ряжения — вольт (В).

1 В= 1 Дж/1 Кл .

Напряженность электрического поля определяется выражением

E = U/l,

откуда напряженность поля измеряется в вольтах на метр: [E] = В/м.

Напряжение между данной точкой М электрического поля и другой произвольно выбранной точкой поля, по­тенциал которой условно принят равным нулю, называется потенциалом данной точки поля.

Потенциал численно равен работе, которая может быть совершена силами, электрического поля при перемещении положительного единичного заряда из данной точки поля в точку, потенциал которой принят равным нулю.

u_mh = φ_M – φ_N,

т. е. напряжение между двумя точками электрического поля равно разности потенциалов этих точек. Потенциал измеряется в вольтах, т. е. тех же единицах, что и напряжение.

Потенциал земли считают равным нулю.

Электропроводность

Электропроводность – способность вещества проводить электрический ток

Электри­ческая проводимость вещества (тела) зависит от концентра­ции носителей заряда. При высокой концентрации проводи­мость вещества больше, чем при малой. Все вещества в зави­симости от электрической проводимости и зависимости ее от ряда физических факторов делятся на провод­ники, диэлектрики (электроизоляционные мате­риалы) и полупроводники.

Проводники обладают высокой проводимостью, к ним относятся большинство металлов и их сплавы, уголь, электролиты (водные растворы солей, кислот, щелочей) и расплавы.

Диэлектрики, наоборот, обладают ничтожной проводи­мостью. К ним относятся газы, минеральные масла, лаки и большое число твердых неметаллических тел.

Полупроводники обладают промежуточной проводи­мостью между проводниками и диэлектриками. К ним отно­сятся такие элементы, как кремний, германий, селен, окислы металлов и др. Для полупроводников характерным является сильная зависимость удельной электрической проводимости от внешних факторов.

Если диэлектрики поместить в электрическое поле, напряженность которого увеличивается, то при определенном ее значении происходит пробой диэлектрика. Что недопустимо, поэтому при эксплуатации диэлектриков в качестве изоляторов необходимо знать допустимую напряженность электрического поля или рабочее напряжение, при котором пробой не возникает.

Электрическая емкость. Конденсаторы

Система из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, представляет собой электрический конденсатор.

Примерами естественных конденсаторов могут служить два провода электрической сети, две жилы кабеля, жила кабеля — броня, проходной изолятор (изолирующий про­вод от стены или стенки металлического кожуха). Широко применяются конденсаторы различного устройства, в част­ности плоские, образуемые параллельно расположенными металлическими изолированными друг от друга пласти­нами (обкладками).

Условные обозначения конденсаторов

.

Конденсаторы обладают свойством накапливать и удер­живать на своих обкладках равные по величине и противо­положные по знаку электрические заряды.

Эта способность характеризуется емкостью конденсатора, которая определяется как отношение С = q/U

Так как в системе СИ единицей заряда служит кулон, а единицей напряжения — вольт, то единица емкости равна кулону, деленному на вольт. Она носит название фарада (Ф).

1Ф = 1Кл/1В„

Обычно пользуются белее мелкими единицами — микрофарадом (1 мкФ = 10 ^-6 Ф) или пикофарадой (1 пФ= = 10 ^-12 Ф).

Ёмкость конденсатора зависит от формы и размеров его обкладок-электродов, их взаимного расположения и рас­стояния между ними, а также от свойств диэлектрика, раз­деляющего обкладки.

C = e₀ еS/d,

где S — площадь каждой из обкладок, м²; d — расстоя­ние между обкладками, м; е_о — электрическая постоянная, характеризующая электрическое поле в пустоте (вакууме).

е – относительная диэлектрическая проницаемость среды

Произведение диэлектрической проницаемости и элек­трической постоянной называется абсолютной диэлектри­ческой проницаемостью:

е_а = ее₀.

Для цепей постоянного и переменного тока применяются бумажные, слюдяные, керамические конденсаторы, а элект­ролитические конденсаторы применяются только в цепях постоянного тока.

Соединение конденсаторов.

Для получения нужной емкости или при напряжении сети, превышающем номинальное напряжение конденсатора, они соединяются последовательно, па­раллельно или смешанно.

При последовательном соединении на элек­тродах всех конденсаторов будут одина­ковые по величине заряды, так как от источника питания они поступают толь­ко на внешние электроды.

Обозначив заряд одного электрода конденсатора через Q, можно написать для двух последовательно соединенных конденсаторов

т. е. при различных емкостях напряжения на конденсато­рах будут различны.

Выражая напряжение на зажимах цепи

через отношение зарядов к емкости конденсаторов, получаем:

откуда общая или эквивалентная емкость двух последова­тельно соединенных конденсаторов

При параллельном соединении кон­денсаторов напряжения на всех конденсаторах одинаковы, а за­ряды в общем случае имеют разные значения:

Заряд, полученный всеми парал­лельно соединенными конденсаторами, равен сумме зарядов отдельных конденсаторов, т. е. в случае двух параллельно соединенных конденсаторов

т. е. равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

При другом числе последовательно или параллельно соединенных конденсаторов, пользуясь формулами нетрудно определить эквивалентные емкости.

Энергия электрического поля

Если заряженный конденсатор отключить от источника питания, а затем его обкладки замкнуть проводником, то произойдет разряд конденсатора, а кратковременный раз­рядный ток выделит в проводнике количество тепла, экви­валентное потенциальной энергии поля заряженного кон­денсатора.