Тема 1. Электрическое поле

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

При изучении электротехники и электроники нам придется неоднократно обращаться к таким понятиям, как электрический заряд, электрическое поле, напряжен­ность электрического поля, электрическое напряжение, емкость и др.

Известно, что наэлектризованные предметы взаимо­действуют друг с другом на расстоянии. Это взаимодей­ствие имеет электромагнитную природу и обусловлено находящимися на телах электрическими зарядами.

Электрический заряд — физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимо­действий, подобно тому, как масса определяет интенсив­ность гравитационных взаимодействий. Заряд обозначает­ся буквой Q(q) и измеряется в кулонах (Кл). Различают положительные и отрицательные заряды. Разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу, а одно­именно заряженные — отталкиваются.

Элементарными носителями электрического заряда являются электроны и протоны, входящие в структуру атомов и молекул вещества. Заряд протона +l,6·10^-19 Кл называют положительным, а заряд электрона - 1,6·10^-19 Кл — отрицательным.

Число электронов атомов равно числу протонов, поэто­му атомы в обычном состоянии электрически нейтральны.

При избытке электронов тело приобретает отрица­тельный заряд, при их недостатке — положительный.

Электрический заряд является источником электро­магнитного поля, которое окружает заряженные тела.

Электромагнитное поле — это особая форма материи, его специфической особенностью является способность воздействовать как на неподвижные заряды, так и на движущиеся электрически заряженные частицы (1).

Электромагнитное поле является материальным «по­средником», через который передается силовое действие одного заряда на другой.

Частными формами проявления электромагнитного поля являются электрическое и магнитное поля.

Электрическое поле как одна из составляющих элект­ромагнитного поля обладает способностью воздейство­вать как на неподвижные, так и на движущиеся за­ряды (2).

Магнитное поле является одной из составляющих электромагнитного поля и обладает способностью воз­действовать на движущиеся заряды (3). Магнитное поле создается намагниченными телами (постоянными магни­тами) и электрическими токами.

Электрическое и магнитное поля получили широкое применение на практике. Так, с помощью электрического поля при очистке дымовых газов приводятся в движение и удаляются частицы дыма и пыли, в водоочистке — ускоряется слипание коллоидных частиц, в геологораз­ведке — определяется состав горных пород и выявляются полезные ископаемые (путем изучения естественного электрического поля, самопроизвольно возникающего в разрезе буровой скважины), в космической технике — осуществляется коррекция траектории и ориентация космических кораблей, в дефектоскопии — выявляются трещины и другие дефекты неэлектропроводных мате­риалов путем измерения неоднородностей электрического поля, в медицине — вводятся лекарства через кожу (электрофорез) и т. д.

Кроме того, электрическое поле «работает» в электри­ческих цепях, создавая электрический ток (наличие электрического поля является главным условием образо­вания тока).

При проектировании и эксплуатации установок, использующих электрические поля, при сопоставлении полей оперируют такими количественными характеристи­ками электрического поля, как напряженность, потен­циал, напряжение. Рассмотрим их для электростатического поля, т. е. поля, создаваемого неподвижными заря­женными телами.

Поместим в электрическое поле неподвижного заряда Q (рис. 1.1) на расстоянии R от него настолько малый положительный заряд q (назовем его пробным), что он своим присутствием не вызовет сколько-нибудь заметного искажения электрического поля.

В соответствии с законом Кулона на пробный заряд в вакууме действует сила

F=Qq /(4πR²ε₀), (1.1)

где ε_о = 8,85 • 10^-12 Ф/м — электрическая постоянная.

Из формулы (1.1) следует, что сила F характеристи­кой поля служит не может, так как она зависит от численного значения пробного заряда. Интенсивность электрического поля в данной точке оценивается отно­шением F/q, называемым напряженностью поля:

E = F/q. (1.2)

Напряженность электрического поля в данной точке численно равна силе, с которой поле действует на поме­щенный в эту точку единичный положительный заряд (4). Подобно силе, напряженность — векторная величина. Единица напряженности — вольт на метр (В/м).

Для наглядного изображения электрического поля пользуются линиями напряженности (рис. 1.2), которые проводят таким образом, чтобы векторы напряженности поля совпадали с касательными в каждой точке этих линий. Электрическое поле, напряженность которого оди­накова во всех точках пространства, называется одно-родным. Таким является поле между параллельными разноименно заряженными пластинами (рис. 1.3) при достаточном удалении от их краев. Линии напряжен­ности однородного поля параллельны и распределены в пространстве равномерно.

Внесенный в поле пробный заряд q, подобно подня­тому над землей телу, обладает потенциальной энергией. Она может быть определена как работа А, совершенная силами поля по переносу заряда из данной точки поля в бесконечность.

Так как работа А зависит от значения заряда q, то характеристикой поля служить не может. Энергетиче­ские способности поля в данной точке оцениваются отно­шением A/q, которое называется потенциалом:

φ = A/q. (1.3)

Потенциал электрического поля в данной точке чи­сленно равен работе, совершаемой силами поля при перемещении единичного положительного заряда из этой точки в бесконечность (в точку, потенциал которой равен нулю) (5). Потенциал — скалярная величина.

Практическое значение имеет не сам потенциал в точке, а изменение потенциала вдоль пути из одной точки поля в другую, т. е. разность потенциалов, называемая также напряжением и обозначаемая U:

U=φ₁ – φ₂ =А_{1 -2} /q (1.4)

Напряжение (разность потенциалов) между двумя точками поля численно равно работе, совершаемой сила­ми поля при перемещении единичного положительного заряда между этими точками (6).

Единица напряжения и потенциала — вольт (В). При­меняют также: 1 киловольт (кВ) = 10³ В —для измере­ния больших напряжений; 1 милливольт (мВ) = 10 ^-3 В — для измерения малых напряжений.

Между напряженностью электрического поля и раз­ностью потенциалов существует определенная взаимо­связь.

При переносе пробного заряда от одной пластины к другой электрическое поле совершает работу, равную произведению силы на путь, т. е. А = Fd. Поэтому U = A/q — Fd/q — Ed. Из этого следует, что

E = U/d. (1.5)

Напряженность однородного поля численно равна напряжению, приходящемуся на единицу длины линии напряженности (7).