Разность потенциалов, напряжение, ЭДС

Самый простой случай электромагнитного взаимодействия проявляется при создании поля покоящимися заряженными телами. В этом случае электромагнитное поле предстает как поле электростатическое. Электростатическое поле изучают в теме «Электрическое поле».

Электростатическое поле—поле покоящегося электрического заряда; оно потенциально, безвихревой характер электростатического поля обусловлен его происхождением. Все это должно найти отражение в подходах к изучению учебного материала.

Анализ потенциальности электрического поля точечного заряда очень важен. Например, если ограничиться рассмотрением только однородного электрического поля (как это делают в большинстве учебных пособий), то у ребят может возникнуть нежелательная ассоциация: «однородное поле—потенциальность». Такая ассоциация, будучи применима к магнитному полю, нередко приводит к затруднениям в понимании того, почему магнитное поле, которое тоже может быть однородным, не является потенциальным. В то же время сферически симметричного постоянного магнитного поля с радиально расходящимися линиями магнитной индукции в природе не существует ввиду отсутствия в природе магнитных зарядов. Это объясняет разницу в свойствах электрического и магнитного полей.

При рассмотрении работы, совершаемой полем над зарядом, подводим десятиклассников к пониманию существа тех свойств электрических сил, благодаря которым их работа не зависит от формы траектории (их центральный характер и зависимость только от координат).

Установив потенциальный характер электростатического поля, вводят понятие потенциала. Потенциал можно найти, если известно распределение заряда в пространстве. Физический смысл потенциала определяется физическим содержанием вектора напряженности . Но если напряженность является силовой характеристикой, то потенциал является энергетической характеристикой.

Потенциалом электростатического поля φ называют физическую величину, определяемую отношением потенциальной энергии заряда, находящегося в электрическом поле, к этому заряду. Обычно оперируют разностью потенциала φ₁- φ₂, которую выражают через работу по перемещению заряда из одной точки поля в другую. Эта работа равна изменению потенциальной энергий заряда, но с противоположным знаком. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы правильно брать направление перемещения электрического заряда.

Где А₁₂ — работа по перемещению заряда из начальной точки в конечную. Подчеркивают, что работа не зависит в электростатическом поле от формы пути, а ее знак зависит от направления (откуда и куда движется заряд). Легко видеть, что

А₁₂=q(φ₁- φ₂),

где точка 1 — начальная, а 2 — конечная точка перемещения заряда.

Учащимся объясняют лишь связь напряженности электрического поля и разности потенциалов (Е=U/∆D), где расстояние ∆D взято по направлению вектора напряженности Е.

Резюмируя сказанное, можно наметить такую последовательность рассуждений при введении понятия потенциала: а) устанавливают факт независимости работы поля от пути перемещения заряда в поле из одной точки в другую; б) зафиксировав одну из точек (нулевая точка), характеризуют все остальные точки работой по перемещению единичного заряда из исследуемой точки в нулевую; эта характеристика — потенциал имеет смысл потенциальной энергии единичного положительного пробного заряда, помещенного в данную точку; в) модуль и знак потенциала определяются выбором нулевого уровня; г) при выборе нулевого уровня в бесконечно удаленной точке пространства потенциалы всех остальных точек поля, созданного положительным зарядом, имеют положительный знак, а потенциалы точек в поле отрицательного заряда — отрицательный знак; д) потенциалы поля, созданного совокупностью зарядов, находятся алгебраическим суммированием потенциалов полей отдельных зарядов; е) под действием поля-свободные положительные заряды движутся в сторону уменьшения потенциала, а отрицательные-—в сторону увеличения потенциала; ж) вводят понятие эквипотенциальной поверхности и устанавливают, что линии напряженности электростатического поля в точке пересечения перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям и направлены в сторону убывания потенциала; модуль вектора напряженности равен изменению потенциала на единицу длины в направлении действия силы, т. е. вдоль нормали к эквипотенциальной поверхности.

Теперь рассматривают закон Кулона, установленный с помощью фундаментального опыта. Если скорость электромагнитного поля была бы бесконечно большой, то закон Кулона был бы одинаково справедлив как для неподвижных, так и для движущихся зарядов. Но тогда понятие электромагнитного поля оказалось бы излишним, его никак нельзя было бы обнаружить. Поскольку электромагнитные сигналы распространяются с большой, но конечной скоростью, взаимодействие движущихся зарядов нельзя рассмотреть без электромагнитного поля. Подобные рассуждения убеждают десятиклассников в том, что электромагнетизм неразрывно связан с конечностью скорости света или, говоря по-иному, является релятивистским разделом физики.
Для длительного существования тока в проводнике в нем должно постоянно существовать электрическое поле. Это поле должно непрерывно поддерживать движение заряженных частиц в проводнике.

На основе анализа свойств электростатического поля, с которым школьники уже знакомы, следует показать, что данный вид электрического поля не может поддерживать движение заряженных частиц в проводнике. Действительно, без восполнения энергии статическое поле не может постоянно двигать заряды, совершая при этом работу. Известно также, что разность потенциалов на любом участке цепи при постоянном токе остается неизменной.

Факт существования электромагнитного поля как внутри, так и вне проводников при протекании в них тока можно продемонстрировать экспериментально.

Электромагнитное поле постоянного тока имеет как электрическую, так и магнитную составляющую (компоненты). Но оказывается, что эти компоненты не связаны между собой и их можно изучать отдельно.

В-третьих, надо сообщить, что стационарное электрическое поле—поле потенциальное, как и электростатическое. Источниками его являются как бы неподвижные заряды.

Энергетической характеристикой стационарного электрического поля является напряжение.

Принято, что знак ЭДС зависит от направления тока и направления обхода цепи. Итак, напряжение U характеризует стационарное электрическое поле. Разность потенциалов (φ1- φ2) — энергетическая характеристика кулоновского (электростатического) поля.

В программе одиннадцатилетней школы понятие о напряжении включено в тему «Электрическое поле», т. е. его связывают с электростатическим полем и с разностью потенциалов. При этом закон Ома для участка цепи записывают в виде U=IR, где под U понимают падение напряжения. Закон Ома для полной цепи , из которого следует , т.е. электродвижущая сила источника тока равна сумме падений напряжения на внешнем и внутреннем участке цепи. При таком подходе напряжение (как разность потенциалов) является характеристикой кулоновского поля.

Различная трактовка понятия напряжения играет существенную роль лишь в случае участка цепи, содержащего ЭДС, если же на участке цепи нет источника ЭДС (именно этот случай и рассматривают в школьном курсе физики), то и при первой трактовке U=(φ1- φ2)+ε напряжение тождественно разности потенциалов.

Для изучения законов постоянного тока применяют различные источники питания, например ВС 4-12 (см. рис.). Напряжение питающей электросети –127 или 220 В. Частота тока – 50 Гц. Ступени выпрямленного напряжения – 4,6,8,10,12 В. Максимальный выпрямленный ток – 3 А. Максимальная потребляемая мощность в первичной цепи (при параметрах во вторичной цепи 12 В,3 А) – 75 Вт. Наибольшее распространение получил источник ВС-24 или ВС-24 М (см. рис). При номинальном напряжении питающей сети и при нагрузке вторичной цепи 10 А прибор обеспечивает получение выпрямленного регулируемого напряжения от 0 до 24 В + 10% и регулируемого переменного напряжения от 0 до 30 В + 10%. Питание прибора осуществляется от сети переменного тока 127 или 220 В Частотой 50 Гц.

Потребляемая мощность выпрямителя при максимальной нагрузке вторичной цепи 450 Вт.

Для измерения напряжения и силы тока в цепи используют демонстрационные вольтметры и амперметры (см. рис). Амперметр и вольтметр демонстрационные (учебные) являются измерительными приборами для постоянного и переменного тока.