Электрическое поле и величины, которые его характеризуют

Пространство, в котором обнаруживается действие каких-либо сил, можно назвать полем этих сил. Пространство, в котором на электрически заряженные частицы и тела воздействует сила, соот­ветственно называется электрическим полем.

Условное обозначение электрического поля:

а — положительного заряда, б — отрицательного заряда, в - двух

разноимённых зарядов

Электрическое поле неотделимо от заряда, существует вместе с ним и окружает его. Под действием сил электрического поля происходит рассмотренное выше взаимодействие зарядов — их взаимное притяжение и отталкивание.

Электрическое поле возникает вокруг заряда в любой среде и даже в вакууме.

Поле всякого заряженного тела складывается из полей, принадлежащих отдельным элементарным зарядам — электронам и протонам.

Если в электрическое поле поместить пробный положительный заряд, то силы этого поля окажут на него воздействие, стремясь переместить его в определённом направлении.

Линия, по которой будет перемещаться пробный положительный заряд под действием сил электрического поля, называется силовой линией. Электрическое поле изображается при помощи силовых линий.

Основными величинами, характеризующими каждую точку электрического поля, являются потенциал и напряжённость поля.

При внесении электрического заряда в электрическое поле при­ходится затрачивать определенную работу на преодоление сил этого поля.

Величина, определяющая запас энергии (потенциальную энер­гию) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля, называется потенциалом.

Потенциал данной точки электрического поля численно равен работе, затрачиваемой на внесение заряда в один кулон из беско­нечности в эту точку поля. Эта работа равна потенциальной энер­гии, которой обладает заряд в один кулон в рассматриваемой точке поля.

Таким образом,

Работа А сил электрического поля определяется произведением силы на путь

А = FS,

где F — сила, н,

S — путь, м,

А — работа, н-м,

q — количество электричества, к.

Подставив эти величины в формулу , получим: [j]=. Поскольку 1 н • 1 м = 1 дж, то [j] =.

Единица дж/к называется вольтом (в).

Следовательно, потенциал измеряется в вольтах.

В электрическом поле положительного заряда потенциал любой точки положителен, а в поле отрицательного заряда - отрицателен.

Рис. Разность потенциалов между различными точками электрического поля.

При перемещении заряда в пределах элек­трического поля (рис.) из точки А в точку Б, потенциалы которых соответственно равны jА и jБ, работа, совершаемая силами поля, бу­дет равна разности потенциальной энергии, которой этот заряд обладает в начальной и конечной точках своего пути, т. е. в точках А и Б.

Таким образом, работа А заряда выразится формулой

Разность потенциалов jА - jБ принято называть напряжением, обозначать буквой U и измерять так же, как потенциал, в вольтах.

Нетрудно понять, что при перемещении заряда из одной точки поля в другие указанные точки совершается различная работа. Это связано с тем, что между этими точками поля разность электриче­ских потенциалов различная.

Из сказанного следует, что напряжение между двумя точками цоля равно по величине работе, совершаемой под действием сил электрического поля, при перемещении единицы электрического заряда из одной точки поля в другую.

Электрическое поле в каждой своей точке характеризуется напряжённостью. Чем больше сила F, с которой электрическое поле действует на заряд q, внесённый в его пределы, тем больше напряжённость поля. В различных точках электрического поля напряжённость может быть разной.

Следовательно, напряжённость поля

где F — сила действия электрического поля на заряд, н;

q — величина электрического заряда, к.

Известно, что работа сил электрического поля равна произве­дению силы на путь.

А=FS.

Из этого выражения следует, что сила

Подставив это выражение в формулу , получим, что напряжённость

электрического поля.

Так как вольт =,то напряжённость электрического поля

(в / м)

Проводни́ки — вещества, хорошо проводящие электрический ток; в таком веществе имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри объёма вещества. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы, углерод (в виде угля и графита). Пример проводящих жидкостей при нормальных условиях — ртуть, электролиты, при высоких температурах — расплавы металлов. Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма).

Изоляторы (диэлектрики) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10 - 108 Ом·м.

Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.

К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия).

В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи температуры абсолютного нуля полупроводники имеют свойства диэлектриков.

Конденса́тор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Электрическая ёмкость проводника или устройства, состоящего из двух проводников, разделённых диэлектриком, характеризует их способность накапливать электрические заряды.

В технике широко применяют конденсаторы — устройства, кото­рые при сравнительно малых размерах способны накапливать зна­чительные электрические заряды. Они используются в энергетиче­ских установках, в устройствах электроники, автоматики и др.

Плоский конденсатор в простейшем виде состоит из двух метал­лических пластин-обкладок, разделённых диэлектриком, например воздухом, слюдой, парафинированной бумагой и др.

В зависимости от вида диэлектрика конденсатор называют бу­мажным, слюдяным, воздушным и т. д.

Электрическая ёмкость конденсатора определяется отношением величины заряда на его пластинах к напряжению между ними.

Электрическая ёмкость измеряется в фарадах. Ёмкость конден­сатора равна одной фараде, если увеличение его заряда на один кулон электричества вызывает повышение напряжения между его об­кладками на один вольт.

Фарада — очень крупная единица ёмкости, которая практиче­ски не применяется. Обычно пользуются более мелкими единица­ми ёмкости: микрофарадой (мкф) и пикофарадой (пф).

Фарада содержит миллион микрофарад: 1 ф =10⁶ мкф. Микро­фарада содержит миллион пикофарад: 1 мкф =10⁶ пф.

Емкость конденсатора зависит от площади его пластин. При одном и том же напряжении и одинаковом расстоянии между пластинами конденсатор, у которого пластины имеют большую пло­щадь, заряжается большим количеством электричества и в связи с этим обладает большей емкостью, чем такой же конденсатор с тем же диэлектриком, но с пластинами малого размера.

Емкость конденсатора зависит от расстояния между его пласти­нами (от толщины диэлектрика). Конденсатор, у которого пласти­ны находятся на большом расстоянии друг от друга, обладает мень­шей емкостью, чем такой же конденсатор, пластины которого сбли­жены. Это объясняется тем, что при малом расстоянии между пла­стинами взаимодействие их разноименных зарядов сильнее, а потому конденсатор накапливает большее количество электричества.

Емкость конденсатора зависит от свойств материала диэлектри­ка—от его диэлектрической проницаемости. Например, при рав­ных размерах пластин и равном расстоянии между ними конденсатор, у которого диэлектриком является слюда, имеет примерно в шесть раз большую емкость, чем конденсатор с воздушным ди­электриком. При тех же условиях бумажный конденсатор имеет в 2,2 раза большую емкость, чем воздушный, но меньшую, чем слюдяной.

Для вычисления емкости плоского конденсатора, имеющего две пластины, служит формула

где С — ёмкость конденсатора, пф,

S — поверхность одной пластины, см²,

d — расстояние между пластинами, см,

e — диэлектрическая проницаемость (см. табл. 1),

0,09 — постоянный коэффициент, переводящий ёмкость в пикофарады.

Дата добавления: 2015-05-06