4. Понятие электрической цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Вопрос № 1. Характеристики электрического поля (10 мин.)
Для лучшего усвоения последующего материала необходимо актуализировать знания, пройденные в ходе изучения физики. Вспомним характеристики электрического поля.
Все вещества состоят из молекул, а молекулы в свою очередь из атомов. Атом состоит из протонов, электронов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, электроны отрицательный, а нейтроны − это частицы, не обладающие зарядом. Атом считает нейтральным, если он имеет одно и то же число электронов и протонов, уравновешивающих друг друга. Если атом получает электрон, он становиться отрицательно заряженным, если атом теряет электрон, − положительно заряженным (рис. 1). Таким образом, каждое вещество содержит большое число элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом.
Рис. 1. Типы атомов
Электрический заряд – величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц.
Обозначение – q или Q. Единица измерения – Кулон.
Вокруг заряда в любой среде, в том числе и в вакууме, возникает электрическое поле.
Электрическое поле – пространство, в котором на электрически заряженные частицы и тела воздействует сила (рис. 2).
Рис. 2
Электростатическое поле – поле, создаваемое неподвижными зарядами.
Свойства электрического поля:
порождается электрическими зарядами;
обнаруживается по действию на заряд;
действует на заряды с некоторой силой.
Электрическое поле изображается силовыми линиями или линиями напряженности электрического поля (рис. 3).
Рис. 3. Условное обозначение электрического поля:
а – положительного заряда, б – отрицательного заряда,
в – двух разноименных зарядов, г – однородное поле
Под действием сил электрического поля заряды взаимодействуют друг с другом: одноименные – отталкиваются, разноименные – притягиваются (рис. 4).
Рис. 4. Действие электрического поля
Например, когда вы расчесываете волосы пластмассовой расческой, волосы и расческа становятся заряженными, поэтому волосы притягиваются к расческе или к расческе может прилипнуть кусочек бумаги. А тело человека может заряжаться до напряжения около 20 кВ.
Силы взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона и направлены по прямой линии (рис. 5).
Рис. 5
Если в электрическое поле поместить пробный положительный заряд, то силы этого поля будут стремиться переместить этот заряд в определенном направлении. Таким образом, электрическое поле обладает следующими характеристиками:
силовой – напряженностью;
энергетической – потенциалом.
Напряженность – это сила, с которой электрическое поле действует на заряд, помещенный в данную точку. Единица измерения – вольт/метр.
где Е – напряженность; F – сила, Н; q – величина электрического заряда, Кл
Например: иногда во время грозы или при ее приближении на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, линии электропередачи и т.п.) возникает разряд в форме светящихся пучков или кисточек (так называемый коронный разряд). Это явление получило название Огни святого Э́льма. Причиной его возникновения является большая напряжённость электрического поля (500 В/м и выше) у острия в атмосфере.
Потенциал – работа, которая производится силами электрического поля при перемещении единицы положительного заряда из данной точки в бесконечность (в точку с нулевым потенциалом) (рис. 6). Единица измерения – вольт.
где
– потенциал; А – работа сил электрического
поля, Н·м; q
– количество электричества, Кл; F
– сила, Н; S
– путь, м
Рис. 6
Эта работа равна потенциальной энергии WM, которой обладает заряд в 1 Кл в рассматриваемой точке поля (например, М).
В электрическом поле потенциал положительного заряда любой точки положителен, а в поле отрицательного заряда – отрицателен.
Потенциал различных точек электрического поля обычно сравнивают с потенциалом земли, который принято считать равным нулю (подобно тому, как температуру любого тела сравнивают с температурой таяния льда). Это значит, что потенциал проводника, электрически соединенного с землей, равен нулю. Положительный потенциал больше (выше) потенциала земли, а отрицательный потенциал меньше (ниже) потенциала земли
Ответьте на вопрос, для чего применяют преднамеренное электрическое соединение с землей какой-либо точки электрической сети, электроустановки или оборудования?
При преднамеренном электрическом соединении с землей, например, корпуса электрооборудования, которое может в результате каких-либо причин оказаться под высоким напряжением,происходит уменьшение до безопасного значения разности потенциалов между заземляемым проводящим предметом и другими проводящими предметами, имеющими естественное заземление. Тем самым, персонал, обслуживающий это оборудование защищается от воздействия электрического напряжения.
Если поле создано положительным зарядом, то чем дальше точка поля удалена от заряда, тем меньше ее потенциал, и наоборот, если электрическое поле создано отрицательным зарядом. Так rА < rВ < rС, то φА > φВ > φС (рис. 7).
Рис. 7
Напряжение – разность потенциалов двух точек электрического поля (рис. 5). Единица измерения – Вольт.
где U – напряжение; φN, φM – потенциалы точек электрического поля, В; Е – напряженность, В/м; l – расстояние, на которое переместился заряд, м
Рассмотрим следующий пример. Пусть в точке А электрического поля потенциал относительно земли φА=20 В, в точке В потенциал φВ=10 В, в точке С потенциал φС=−5 В. Тогда, разность потенциалов – напряжение между этими точками (рис. 8):
А В
С
Рис. 8
Для обычных людей электрическое напряжение определяет применимость того или иного электроприбора, например, мы знаем, что для электрочайника или телевизора нужно 220 вольт, а для MP3 плеера нужны две − три батарейки формата AA по 1,5 вольт. Чем выше напряжение, тем ярче его проявление. Вспомните опыт по физике, когда на электродах электростатической машины сверкают искры и раздается характерный треск, а вспомните летнюю грозу с громом и молнией, напряжение которой порядка миллиарда вольт!!!
Вывод по первому вопросу: электрическое поле создается электрическими зарядами. Между электрическими зарядами существует взаимодействие. Характеристиками электрического поля являются силовая - напряженность и энергетическая - потенциал. Одним из основных понятий электричества является электрическое напряжение, как разность потенциалов двух точек электрического поля.