Основные свойства и характеристики
Электрического поля.
Электрическое поле обнаруживается в пространстве, окружающем заряженные частицы и тела, с которыми это поле связано.
Главным свойством электрического поля является силовое действие на электрически заряженную частицу, причем сила воздействия пропорциональна заряду частицы и не зависит от её скорости.
Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим.
ü Закон Кулона.
В результате опытов французский физик Кулон в 178г. установил закон взаимодействия двух наэлектризованных тел.
Сила взаимодействия двух точечных заряженных тел прямо пропорциональна произведению зарядов этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
. (1)
=8,85∙10 
Ф/м – электрическая постоянная.
Электрическое поле создается заряженными частицами и телами и вместе с тем действует на заряженные частицы и тела с некоторой силой. Каждое из двух взаимодействующих тел создает свое поле, а в окружающем их пространстве одно поле накладывается на другое и образует общее электрическое поле.
ü ٭ Напряженность электрического поля.
Важные для практики свойства и характеристики электрического поля зависят от формы заряженного тела, величины, знака и распределения его заряда, от взаимного расположения заряженных тел, от свойств среды, окружающей заряженные тела, и других факторов. Поэтому электрические поля, созданные при различных условиях, отличаются одно от другого по форме, а также по количественным и качественным показателям.
Для того, чтобы сопоставлять электрические поля, оценивать возможности их использования и вести соответствующие расчеты, установлены и применяются силовые и энергетические характеристики электрического поля.
٭Силовой характеристикой электрического поля является напряженность электрического поля.
Напряженность электрического поля – векторная величина, численно равная отношению силы, действующей на положительно заряженную частицу, к её заряду:
Е = 
(2)
где Е – напряженность электрического поля, В/м (Вольт/метр).
Подставив в это выражение Кулоновскую силу, получим выражение напряженности электрического поля точечного заряженного тела в любой точке, отстоящей от него на расстоянии r:
Е = 
. (3)
Для наглядного изображения электрического поля проводят линии напряженности (силовые линии). В каждой точке такой линии направление вектора напряженности электрического поля совпадает с касательной этой линии.
Электрическое поле называют однородным (или равномерным), если во всех его точках напряженность поля одинакова по величине и направлению.
Равномерное поле имеется между двумя параллельными заряженными пластинами, линейные размеры которых значительно больше расстояния между ними, а у краев пластин поле неравномерно.
ü ٭ Электрическое напряжение.
Свободная частица с положительным зарядом Q в электрическом поле будет перемещаться в направлении действующей на нее электрической силы F. При перемещении частицы на расстояние l между точками 1 и 2 совершается работа А 
=Fl, которую можно выразить через напряженность: А =EQl. Работа зависит не только от величин, относящихся к полю (E,l), но и от заряда частицы:
U = А /Q, (4)
U – электрическое напряжение, В (вольт); А - работа, Дж (джоуль).
Отношение работы сил электрического поля по перемещению заряженной частицы между двумя точками к величине заряда частицы называется электрическим напряжением между этими точками. Или разностью потенциалов ∆φ.
В равенство (4) подставим выражение работы, получим формулу, в которой ٭энергетическая характеристика электрического поля (U) связана с силовой характеристикой (Е):
U = El. (5)
Для расчета применяется также энергетическая характеристика электрического поля в каждой точке – электрический потенциал (φ).
Отношение потенциальной энергии заряженной частицы, находящейся в некоторой точке электрического поля, к величине ее заряда выражает потенциал поля в этой точке: φ 
=А /Q; φ 
=А /Q.
Потенциальная энергия заряженной частицы в электрическом поле уменьшается при переходе от точки к точке по направлению линий напряженности. Она становится равной нулю за пределами электрического поля, где сила F=0.
Проводники и диэлектрики в электрическом поле.
Напряженность и потенциал электрического поля в вакууме зависят от величины и характера распределения электрического заряда, формы тела, несущего заряд. Характеристики электрического поля в пространстве, заполненным веществом, зависят и от свойств вещества, так как электрическое поле воздействует на вещество, а оно в свою очередь, определенным образом изменяет электрическое поле.
ü Проводники в электрическом поле.
Под действием внешнего электрического поля с напряженностью Е в металлическом теле свободные электроны перемещаются к одной поверхности, которая получает отрицательный заряд. Противоположная поверхность заряжается положительно (явление электростатической индукции).
В результате разделения зарядов в проводнике создается внутреннее электрическое поле с напряженностью Е 
, направленное противоположно внешнему. Движение свободных электронов в проводнике кратковременно. Пока напряженности внешнего и внутреннего полей не уравняется.
При равенстве Е = Е результирующая напряженность поля равна нулю. Напряжение между двумя любыми точками проводника также равно нулю. Т.е. его потенциал во всех точках один и тот же. =>, при наличии в проводнике свободных носителей заряда электростатическое поле в нем существовать не может.
Если в электрическое поле поместить проводник с полостью внутри, то в этом случае заряженные частицы будут только на его поверхности, а внутри металла и полости электрическое поле отсутствует.
ü Электрическое поле в однородном диэлектрике.
По сравнению с проводниками количество свободных заряженных частиц в единице объема диэлектрика очень мало. Поэтому при наличии внешнего электрического поля направленным движением свободных заряженных частиц можно пренебречь и считать, что в диэлектрике преобладают явления электростатические.
Различают диэлектрики с полярными и неполярными молекулами. Полярные молекулы в электрическом отношении можно рассматривать как электрический диполь.
- электрический диполь – это совокупность двух частиц с электрическими зарядами, равными по величине и противоположными по знаку.
Во внешнем электрическом поле диполь испытывает действие пары сил, которая поворачивает её так, что электрический момент оказывается направленным также. Как и напряженность поля.
В неполярных молекулах диэлектрика под действием внешнего электрического поля заряженные частицы смещаются вдоль направления вектора напряженности. В результате чего молекулы приобретают свойство диполей.
Это явление ограниченного смещения заряженных частиц в молекуле или изменения ориентации дипольных молекул в диэлектрике под действием электрического напряжения называется поляризацией диэлектрика.
Величина 
характеризующая свойства диэлектрика называется абсолютной диэлектрической проницаемостью.
ü Основные электрические свойства диэлектриков.
Любое, даже самое простое электрическое устройство нельзя построить без диэлектрических материалов. Большинство их применяют для изоляции.
Между электропроводными участками. С разными электрическими потенциалами. Имеется электрическое поле. Следовательно, диэлектрические материалы находятся под действием этого электрического поля или, как говорят, «несут электрическую нагрузку».
Напряженность электрического поля в диэлектрике зависит от напряжения между проводниками (электродами), расстояния между ними. Формы и размеров электродов. Величины диэлектрической проницаемости.
Электрическую нагрузку изоляции оценивают величиной напряженности электрического поля в ней. Если напряженность электрического поля превысит некоторую критическую величину. То диэлектрик теряет электроизоляционные свойства. Это явление называют пробоем диэлектрика, а величину напряжения, при котором оно происходит, - пробивным напряжением.
Величина напряженности электрического поля, соответствующая пробивному напряжению называется электрической прочностью диэлектрика.
Пробой электрической изоляции обусловлен многими факторами и в зависимости от того, какие из них преобладают, различают электрический. электротепловой, электрохимический пробои.
ü Диэлектрические материалы.
1. Газообразные.
2. Жидкие.
3. Твердые.
3. Электрическая ёмкость. Плоский конденсатор.
Потенциал металлического уединенного тела с увеличением сообщенного ему заряда возрастает. При этом заряд Q и потенциал φ связаны между собой соотношением
Q = Сφ (1)
Откуда С = Q/φ (2)
Здесь С – коэффициент пропорциональности, или электрическая ёмкость тела.
Таким образом, электрическая ёмкость С тела определяет заряд, который нужно сообщить телу, чтобы вызвать повышение его потенциала на 1 В.
Единицей емкости, является кулон на вольт или фарада: [C] = 1Кл/В = 1Ф.
В технике для получения емкостей используют конденсаторы – устройства, состоящие из двух металлических проводников, разделенных диэлектриком, и предназначенные для использования их емкости. ──║──
В частности, плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин, расстояние между которыми мало по сравнению с их размерами. При подключении к источнику постоянного напряжения происходит зарядка конденсатора, свободные электроны пластины, соединенной с положительным полюсом источника, переходят через источник на пластину. Соединенную с его отрицательным полюсом. Этот процесс закончится, когда разность потенциалов между пластинами окажется равной напряжению между зажимами источника. В результате одна пластина конденсатора получает заряд +Q, а другая –Q. При этом заряд Q и напряжение U между пластинами связаны соотношением Q = CU, откуда С = Q/U (3), здесь С – ёмкость конденсатора.
Таким образом, электрическая емкость С конденсатора определяет заряд, который нужно сообщить одной пластине, чтобы вызвать повышение напряжения между пластинами на 1 В.
Для нахождения заряда Q при заданном напряжении необходимо знать ёмкость конденсатора. В случае плоского конденсатора С = εrεoS/d (4) где εr - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора; εo – электрическая постоянная; S – площадь одной пластины (м2); d – расстояние между пластинами (м).
Промышленность выпускает конденсаторы различной емкости – от 10 пФ до нескольких тысяч микрофарад на различные номинальные напряжения (от единиц вольт до сотен киловольт), различного назначения и конструкции. По типу диэлектрика конденсаторы делятся на бумажные, слюдяные, керамические и др. конденсаторы находят широкое применение в электротехнике и радиотехнике.
ü Соединение конденсаторов.
На практике нужную емкость получают, прибегая к различным способам соединения стандартных конденсаторов.
· Параллельное соединение.
При параллельном соединении конденсатов потенциал пластин, соединенных с положительным полюсом источника, одинаков и равен потенциалу этого полюса. Соответственно потенциал пластин, соединенных с отрицательным полюсом, равен потенциалу этого полюса. => напряжение, приложенное к конденсаторам, одинаково. Общий заряд: Qобщ = Q1+Q2+Q3. Так как, согласно (3): Q = CU, то Qобщ = СобщU; Q1 = C1U; Q2 = C2U; Q3 = C3U и СобщU = C1U+C2U+C3U. Таким образом, общая, или эквивалентная, емкость при параллельном соединении конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов: Собщ = С1+С2+С3. (5). => При параллельном соединении одинаковых конденсаторов емкостью С общая емкость Собщ = nС. (6).
· Последовательное соединение.
При последовательном соединении конденсаторов на пластинах будут одинаковые заряды. На внешние электроды заряды поступают от источника питания. На внутренних электродах конденсаторов С1 и С3 удерживается такой же заряд, как и на внешних. Но поскольку заряды на внутренних электродах получены за счет разделения зарядов с помощью электростатической индукции, заряд конденсатора С2 имеет такое же значение.
Найдем общую емкость для этого случая. Так как U = U1+U2+U3, где U = Q/Cобщ; U1 = Q/C1; U2 = Q/C2; U3 = Q/C3, то Q/Cобщ = Q/C1+Q/C2+Q/C3. сократив на Q, получим: 1/Собщ = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3. (7).
При последовательном соединении двух конденсаторов, используя (7), найдем: Собщ = С1С2/(С1+С2) (8).
При последовательном соединении n одинаковых конденсаторов емкостью С каждый на основании (7) общая ёмкость: Собщ = С/n. (9).
●─────|
────●─────
С1╪ С2╪ С3 ╪ ●──║──║──║──●
────●───── С1 С2 С3
●─────|
ü Энергия электрического поля.
При зарядке конденсатора от источника питания энергия этого источника преобразуется в энергию электрического поля конденсатора: WC = CU2/2 (10), или с учетом того, что Q=CU, WC = QU/2 (11).
Физически накопление энергии в электрическом поле происходит за счет поляризации молекул или атомов диэлектрика.
При замыкании пластин конденсатора проводником происходит разрядка конденсатора и в результате энергия электрического поля преобразуется в теплоту, выделяемую при прохождении тока через проводник.
