Лекция по электротехнике на тему "Электрическое поле. Электрические цепи постоянного тока"

ЛЕКЦИЯ № 1

СМ  1. Электрическое поле. Электрические цепи постоянного тока.

План

1.     Потенциал. Электрическое напряжение.

2.     Проводники  в электрическом поле.

3.     Электростатическая индукция.

1. Потенциал – скалярная характеристика электрического поля. Потенциал электрического поля в некоторой точке М численно равен работе сил электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из точки М в бесконечно удаленную точку, т.е. точку, где электрическое поле можно считать равным нулю.

Потенциал электрического поля есть величина, равная отношению потенциальной энергии точечного положительного заряда, помещенную в данную точку поля, к величине этого заряда

.

Потенциал электрического поля есть величина, равная отношению работы сил поля по перемещению точечного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность к этому заряду.

.

Потенциал электрического поля в бесконечности условно принят равным нулю.

=В.

Величина 1В равна потенциалу такой точки поля, в которой заряд в 1Кл обладает потенциальной энергией 1Дж.

Разностью потенциалов между двумя точками 1 и 2 называется физическая величина, численно равная работе сил электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

,. (3.1)

Напряжением U на участке 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических и сторонних сил при перемещении единичного заряда на данном участке цепи.

. (3.2)

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, т.е. сторонние силы отсутствуют.

Если на участке источник отсутствует, то напряжение равно разности потенциалов:  .

2. Что происходит с телами, если их зарядить или поместить в электрическом поле? Проще всего ответить на этот вопрос в случае проводника.
   Свободные заряды. В проводниках, к которым в первую очередь относятся металлы, имеются заряженные частицы, способные перемещаться внутри проводника под влиянием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.

В металлах носителями свободных зарядов являются электроны. При образовании металла его нейтральные атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со своими атомами и становятся «собственностью» всего проводника в целом. В результате образовавшиеся положительно заряженные ионы оказываются окруженными отрицательно заряженным «газом», образованным коллективизированными электронами. Эти свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по металлу в любом направлении.

   Электростатическое поле внутри проводника. Наличие в проводнике свободных зарядов приводит к тому, что даже при наличии внешнего электрического поля внутри проводника напряженность поля равна нулю. Если бы напряженность электрического поля была отлична от нуля, то поле приводило бы свободные заряды в упорядоченное движение, т. е. в проводнике существовал бы электрический ток. Утверждение об отсутствии электростатического поля внутри проводника справедливо как для заряженного проводника, так и для незаряженного, помещенного во внешнее электростатическое поле.
   На примере незаряженной проводящей пластины (проводника), внесенной в однородное поле, выясним, в результате какого процесса напряженность электростатического поля внутри проводника оказывается равной нулю (рис.14.15). Силовые линии поля изображены сплошными линиями.

   В первый момент (при внесении пластины в поле) возникает электрический ток. Под действием электрического поля электроны пластины начинают перемещаться справа налево. Левая сторона пластины заряжается отрицательно, а правая - положительно (см. рис. 14.15). В этом состоит явление электростатической индукции. (Если, не убирая пластину из поля, разделить ее пополам вдоль линии NN (см. рис. 14.15), то обе половины окажутся заряженными.) Появившиеся заряды создают свое поле (линии напряженности этого поля показаны на рисунке 14.15 штриховыми прямыми), которое накладывается на внешнее поле и компенсирует его. За ничтожно малое время заряды перераспределяются так, что напряженность результирующего поля внутри пластины становится равной нулю и движение зарядов прекращается.

   Итак, электростатического поля внутри проводника нет. На этом факте основана электростатическая защита. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают в металлические ящики.
   Силовые линии электростатического поля вне проводника в непосредственной близости к его поверхности перпендикулярны поверхности. Докажем это. Предположим, что какая-то силовая линия не перпендикулярна поверхности проводника (рис.14.16). Это означает, что касательная составляющая вектора напряженности электрического поля не равна нулю. Следовательно, на свободные заряды действует сила, перемещающая их по поверхности проводника. Это перемещение будет происходить до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярными поверхности проводника.

   Электрический заряд проводников. Внутри проводника при равновесии зарядов не только напряженность поля равна нулю, равен нулю и заряд. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. В самом деле, если бы внутри проводника имелся заряд, то вблизи заряда имелось бы и поле. Но электростатического поля внутри проводника нет. Следовательно, заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности. Этот вывод справедлив как для незаряженных проводников в электрическом поле, так и для заряженных.
   При равновесии зарядов электрическое поле и электрический заряд внутри проводника равны нулю. Весь заряд сосредоточен на поверхности проводника, а линии напряженности электрического поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности.

3. Известно, что в пространстве, окружающем электрические заряды, действуют силы электрического поля. Многочисленные опыты над заряженными телами полностью подтверждают это. Пространство, окружающее любое заряженное тело, является электрическим полем, в котором действуют электрические силы.

Направление сил поля называют силовыми линиями электрического поля. Поэтому условно считают, что электрическое поле есть совокупность силовых линий.

Силовые линии поля обладают определенными свойствами:

•  силовые линии выходят всегда из положительно заряженного тела, а входят в тело, заряженное отрицательно;
• они выходят во все стороны перпендикулярно поверхности заряженного тела и перпендикулярно входят в него;
•  силовые линии двух одноименно заряженных тел как бы отталкиваются одна от другой, а разноименно заряженных — притягиваются.

Силовые линии электрического поля всегда разомкнуты, так как они обрываются на поверхности заряженных, тел. Электрически заряженные тела взаимодействуют друг с другом: разноименно заряженные притягиваются, а одноименно заряженные отталкиваются.

Сила притяжения или отталкивания зависит от величины зарядов тел и от расстояния между ними.

Если в пространстве между телами будет не воздух, а какой-нибудь другой диэлектрик, т. е. непроводник электричества, то сила взаимодействия между телами уменьшится.

Величина, характеризующая свойства диэлектрика и показывающая, во сколько раз сила взаимодействия между зарядами увеличится, если данный диэлектрик заменить воздухом, называется относительной диэлектрической проницаемостью данного диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость равна: для воздуха и газов  - 1; для эбонита - 2 - 4; для слюды 5 - 8; для масла 2 - 5; для бумаги 2 - 2,5; для парафина - 2 - 2,6.

Рис. 1 Электростатическое поле двух заряженных тел: а - тала заряжены одноименно, б - тела заряжены разноименно

Электростатическая индукция .Если проводящему телу А шарообразной формы, изолированному от окружающих предметов, сообщить отрицательный электрический заряд, т. е. создать в нем избыток электронов, то этот заряд равномерно распределится по поверхности тела. Так происходит потому, что электроны, отталкиваясь один от другого, стремятся выйти на поверхность тела.

Поместим незаряженное тело Б, также изолированное от окружающих предметов, в поле тела А. Тогда на поверхности тела Б появятся электрические заряды, причем на стороне, обращенной к телу А, образуется заряд, противоположный заряду тела А (положительный), а на другой стороне — заряд, одноименный с зарядом тела А (отрицательный). Электрические заряды, распределяясь таким образом, остаются на поверхности тела Б до тех пор, пока оно находится в поле тела А. Если тело Б вынести из поля или удалить тело А, то электрический заряд на поверхности тела Б нейтрализуется. Такой способ электризации на расстоянии называется электростатической индукцией или электризацией посредством влияния.

Рис. 2 Явление электростатической индукции

Очевидно, что такое наэлектризованное состояние тела является вынужденным и поддерживается исключительно действием сил электрического поля, созданного телом А.

Если проделать то же самое, когда тело А будет заряжено положительно, то свободные электроны с руки человека устремятся к телу Б, нейтрализуют его положительный заряд, и тело Б окажется заряженным отрицательно.

Чем выше будет степень электризации тела А, т. е. чем выше его потенциал, тем до большего потенциала можно наэлектризовать посредством электростатической индукции тело Б.

Вопросы для самоконтроля

       Литература.
1. Матуско В. Н. Общая електротехника- Л. Мир, 2006 с. 8-12
2. Родзевич В. Е. Общая электротехника - К.: Вища школа, 1993