ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, НАПРЯЖЕНИЕ, ПОТЕНЦИАЛ

Лекция первая

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, НАПРЯЖЕНИЕ, ПОТЕНЦИАЛ

а) Электрические заряды и электрическое поле. Всякое тело содержит большое число элементарных частиц вещества, обладающих электрическими зарядами. Одни из элементарных заряженных частиц входят в состав атомов и молекул вещества, другие не входят, т. е. находятся в свободном состоянии. Элементарная частица протон имеет элементарный электрический заряд, которому приписан (условно) положительный знак, элементарная частица электрон имеет элементарный заряд противоположного — отрицательного знака.

В заряженном теле преобладают положительные или отрицательные заряды, в электрически нейтральном теле число тех и других зарядов одинаково. Разноименно заряженные частицы или тела притягиваются друг к другу, одноименно заряженные — отталкиваются.

Движущиеся электрические заряды неразрывно связа­ны с окружающим их электромагнитным полем, которое представляет собой один из видов материи. Электромагнитное поле характеризуется двумя взаимно связанными составляющими: электрическим полем и магнитным полем, которые можно обнаружить, например, по силовому действию на заряженные частицы или тела. Электромагнитное поле неподвижных зарядов имеет только одну составляющую — электрическое поле.

Так как электрическое поле оказывает силовое действие на электрически заряженные тела или заряженные частицы, то оно способно совершать работу. Следовательно, электрическое поле обладает энергией.

Для оценки силового действия электрического поля каждую его точку характеризуют электрической величиной, которую называют напряженностью электрического поля.

Напряженность электрического поля E определяется отношением силы F, с которой поле заряженных частиц или тел действует на пробный точечный заряд q (заряд очень малых размеров и его внесение в исследуемое поле не приводит к искажению поля), находящийся в данной точке поля, к численно­му значению этого заряда:

(1.1)

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

Электрическое поле графически изображается линиями напряженности электрического поля. Линия напряженности проводится так, чтобы в каждой ее точке вектор напряженности поля был направлен по касательной к ней. Линия напряженности поля неподвижных зарядов начинается на положительном заряде и оканчивается на отрицательном; таким образом, эти линии не замкнуты (рис. 1,1).

Поле называется однородным, если во всех его точках векторы напряженности равны друг другу (рис. 1.1, б), в противном случае поле будет неоднородным (рис. 1.1, а). Примером однородного поля может служить электрическое поле между параллельными пластинами (рис. 1.1) в области, достаточно удаленной от краев пластин.

б) Электрическое напряжение. Допустим, что положительный точечный заряд q переместился в однородном электрическом поле под действием сил этого поля из точки М в точку Н на расстояние l (рис. 1.2) в направлении поля.

Совершенная при этом силами поля за счет энергии поля работа A = Fl, или с учетом (1.1)

(1.2)

Величина, определяемая отношением работы по перемещению точечного положительного заряда q между двумя точками поля к численному значению заряда, называется электрическим напряжением между указанны­ми точками М и Н:

. (1.3)

Численно напряжение между двумя точками равно работе сил поля при перемещении между этими точками положительного единичного заряда.

В однородном поле по (1.2) A = Eql и напряжение

. (1.3а)

В Международной системе единиц СИ (SI) (МКСА) приняты единицы измерения величин: длины — метр (м); массы— килограмм (кг); времени — секунда (с); электрического тока – ампер (а); силы — ньютон (Н); работы — джоуль (Дж); электрического заряда — кулон (Кл); электрического напряжения — вольт (В).

Из выражения (1.3а) следует, что 1 В = 1 Дж/1 Кл.

Напряженность электрического поля согласно (1.3а) определяется выражением

(1.4)

и измеряется в вольтах на метр: [Е]=В/м.

Допустим, что положительный точечный заряд q находится в точке М электрического поля, созданного другими зарядами (рис. 1.2). Если под действием сил поля заряд q удалится за пределы поля, то силами поля будет совершена работа, равная потенциальной энергии W_M, которой обладал заряд q находясь в точке М. Потенциальная энергия, отнесенная к численному значению заряда, находящегося в какой-либо точке электрического поля, является одной из характеристик электрического поля всех других зарядов в данной точке (например, М ) и называется потенциалом φ этой точки поля. Итак, по определению, потенциалы электрического поля в точках М и Н: φ_М= W_M /q и φ_Н= W_Н /q.

При перемещении силами поля заряда q из точки М в точку Н независимо от формы пути производится работа, равная изменению запаса потенциальной энергии поля, А = W_M – W_Н. Так как W_M = φ_М q и W_Н = φ_Н q, то А = q (φ_М – φ_Н), откуда, учитывая (1.3), получаем

(1.5)

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

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: