Электрическое поле и его характеристики

Екатеринбургский автомобильно-дорожный колледж. Лекции по "Электротехнике и электроники.

Преподаватель Тонкушина Д.Д.

Раздел № 1. Электротехника

Тема 1.2. Электрическое поле и его характеристики.

Обучающийся должен:

знать: свойства и характеристики электрического поля, классификацию электрических цепей, условные обозначения элементов электрической цепи, понятия электрического тока, силы тока, напряжения, сопротивления и проводимости;

уметь: рассчитывать такие параметры электрической цепи как электрическое сопротивление, ток, напряжение, проводимость.

Литература, использованная при подготовке лекции:

Основная:

1. Морозова Н.Ю. Электротехника и электроника/ Н.Ю. Морозова. - :ОИЦ "Академия", 2011.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника и электроника/ А.С. Касаткин, М.В. Немцов: учеб. М.: Академия, 2005. 9-е изд.

3. Березкина Т.Ф., Гусев Н.Г., Масленников В.В. Задачник по общей электротехнике с основами электроники/ Т.Ф. Березкина, Н.Г. Гусев, В.В. Масленникова. - М.: Высшая школа, 1991.

Дополнительная:

1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники: Учебное пособие для студентов неэлектротехн. спец. средних спец. учеб. заведений. - 4-е изд., стер./ И.А. Данилов, П.М. Иванов. - М.: Высшая школа, 2000.

1. Характеристики электрического поля

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 считается нейтральным, если он имеет одно и то же число электронов и протонов, уравновешивающих друг друга. Если атом получает электрон, он становится отрицательно заряженным, если атом теряет электрон, - положительно заряженным (рис. 1). Таким образом, каждое вещество содержит большое число элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом.

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).

Электростатическое поле - поле, создаваемое неподвижными заряженными 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).

Под действием сил электростатического поля заряды взаимодействуют друг с другом: одноименные - отталкиваются, разноименные - притягиваются (рис.4).

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.

Сила взаимодействия электрических зарядов определяется законом Кулона и направлены по прямой линии (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 её 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 Эльма. Причиной его возникновения является большая напряженность электрического поля (500 В/м и выше) у острия атмосферы.

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.

Эта работа равна потенциальной энергии W_М, которой обладает заряд в 1 Кл в рассматриваемой точке поле (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 оборудования защищается от взаимодействия электрического напряжения.

Если поле создано положительным зарядом, то чем дальше точка поля удалена от заряда, тем меньше её потенциал, и наоборот, если электрическое поле создано отрицательным зарядом. Так r_ABC, то _A _B _C (рис.7).

Напряжение - разность потенциалов двух точек электрического поля (рис.5). Единица измерения - Вольт.

где U - напряжение; _М, _N - 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 _А = 20 В, в точке В потенциал _В = 10 В, в точке С _С = 5 В. Тогда, разность потенциалов - напряжение между этими точками (рис. 8):

Для обычных людей электрическое напряжение определяет применимость того или иного электроприбора, например, мы знаем, что для электрочайника или телевизора нужно 220 В, а для МР3 плеера нужны две - три батарейки формата АА по 1,5 В. 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: 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.

2. Электрический ток.

Вокруг ядра каждого атома вращаются электроны. Электроны, находящиеся на внешних орбитах, могут отделяться от атома и становиться "свободными". Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом, а атом, присоединивший электроны, - отрицательным ионом. Процесс образования ионов называется ионизацией.

Интересны факт, что в переводе с древнегреческого слова "электрон" означает "янтарь": ещё в древней Греции естествоиспытателями проводились эксперименты - куски янтаря терли шерстью, после чего те начали притягивать к себе мелкие предметы.

Действием сил электрического поля можно упорядочить перемещение заряженных частиц.

Электрический ток - упорядоченное направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля.

Интересный факт. Отрицательно заряженные свободные электроны совершают хаотическое движение в пространстве между ионами, но под действием электрического поля они начинают смещаться в сторону положительно заряженного электрода. Скорость этого смещения очень мала, примерно. 1 мм в секунду. Однако электрическое поле распространяется по проводнику со скоростью света (300 000 км/с), и, т.к. все электроны начинают двигаться одновременно, получается, что ток движется со скорость света!!!

По природе электрический ток может быть:

• током проводимости ( в металлах и их сплавах при движении свободных электронов);

• током переноса ( в электролитах и газах при движении ионов);

• током поляризации (в диэлектриках при движении связанных заряженных частиц при изменении поляризации диэлектрика).

Как вы думаете, в каких условиях может протекать электрический ток?

Условиями протекания электрического тока являются:

• наличие в проводнике носителей зарядов, способных перемещаться (электронов, ионов);

• наличие замкнутой электрической цепи;

• наличие в проводнике электрического поля.

Подумайте, почему птиц не бьет током на высоковольтных проводах ЛЭП. Пока птица касается только одной линии, не создавая замкнутый контур, ничего не происходит. Но стоит её только соприкоснуться с другой линией или задеть свои хвостом стальную опору, она станет "мостиком" для тока и погибнет от сильного короткого замыкания.

Судить об электрическом токе можно только по явлениям, сопровождающим его происхождение: тепловому, магнитному, химическому. Направление тока в проводнике считают совпадающим с направлением напряженности электрического поля, поэтому за направление электрического тока условно принято считать направление движения положительных зарядов, т.е. обратное направлению движения электронов (рис.9). Электрический ток, как правило протекает от большого потенциала к меньшему.

Различают два вида тока.

Постоянный ток - это ток, значение которого не изменяется во времени (рис.10).

Рис.10

Переменный ток - ток, значение и направление которого изменяется во времени (рис.11).

Рис.11

Количественной мерой электрического тока является сила тока.

Сила тока - количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени (секунду). Единица измерения - Ампер.

где I - сила тока; Q - кол-вл электричества, Кл; t - время, с.

Наряду с ампером для измерения силы тока применяют кратные и дольные единицы: миллиампер (мА), микроампер (мкА), килоампер (кА).

1 мА = 10^-3 А, 1 мкА = 10^-6 А, 1 кА - 10³ А.

Один ампер - это сила тока, при которой через поперечное сечение проводника в секунду проходит один кулон электричества, т.е. 6,3*10¹⁸ электронов.

Электрический ток опасен для человека (табл.1). при токе 100 мА (0,1 А) в течение 3 с наступает паралич дыхания и сердца. Правилами техники безопасности за безусловно опасный ток 50 мА (0,05А).

К примеру, сила тока, протекающего в комнатной лампе, составляет 0,5 - 1 А, в телефоне - сотые доли ампера (табл.2).

Таблица 1

Таблица 2

Вывод: электрический ток - это направленное упорядоченное движение заряженных частиц. Ток возникает только в замкнутой цепи, при наличии заряженных частиц и электрического поля. Его количественной мерой является сила тока. Ток опасен для жизни человека.

3. Электрическое сопротивление и проводимость.

Перемещение электронов в определенном направлении и возникновении электрического тока возможна не во всех веществах.

Электропроводимость - свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля.

Электропроводимость вещества зависит от концентрации носителей заряда: чем выше концентрация, тем больше электропроводность. По электропроводности все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники (рис.12).

Направленному движению электрических зарядов любом проводнике препятствуют молекулы и атомы проводника (рис. 13). Поэтому как внешний участок электрической цепи, так и внутренний (внутри самого источника электрической энергии) оказывают препятствие (сопротивление) прохождению тока.

Электрическое сопротивление - совокупность всех препятствий, которое встречает направленное движение заряженных частиц по проводнику. Единица измерения - Ом.

где ρ - удельное сопротивление проводника, ; l - длина проводника, м; S - площадь поперечного сечения проводника, мм².

Удельное сопротивление - это сопротивление металлического проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм² (табл.3).

Таблица 3

Сопротивление проводников электрического тока зависит от материала, из которого они изготовлены, от длины и площади поперечного сечения проводника. Таким образом, если сравнить два проводника из одного и того же материала, то более длинный проводник имеет большее сопротивление при равных площадях сечения, а проводник с большим поперечным сечением имеет меньшее сопротивление при равных длинах.

Сопротивление проводника зависит от температуры. Как вы думаете почему?

Сопротивление металлических проводников с повышением температуры возрастает, т.к. увеличивается частота и амплитуда колебаний атомов около своих средних положений. При том увеличивается число столкновений электронов с молекулами и атомами вещества, что уменьшает время их свободного пробега. При нагревании электролитов и угля происходит обратный процесс. При повышении температуры в этих веществах увеличивается концентрация носителей зарядов, в результате чего их удельное сопротивление уменьшается.

Элементы электрической цепи, характеризующиеся сопротивлением R, называются резистивными, а промышленные изделия, предназначенные для выполнения роли сопротивления электрическому току, называются резисторами. Резисторы бывают регулируемые и нерегулируемые. Регулируемые резисторы называются реостатами (рис. 15). Условные обозначения резисторов приведены на рис. 16.

Электрическая проводимость - величина обратная сопротивлению. Единица измерения - Сименс.

где G - проводимость; R - сопротивление, Ом.

Вывод: протеканию тока в проводнике оказывают молекулы и атомы вещества, из которого он состоит. Это свойство называется электрическим сопротивлением. И, наоборот, свойства вещества проводить ток называется электропроводностью. По электропроводности различают: проводники, диэлектрики и полупроводники.

Задания для самостоятельной работы:

1. Березкина Т.Ф. Задачник по электротехнике. № 1.5, № 1.14, № 1.16.

2. Письменно ответить на вопросы:

1. Как измениться сила взаимодействия между двумя заряженными телами, если разделяющий их воздух заменить дистиллированной водой?

2. В вер­ши­нах рав­но­сто­рон­не­го тре­уголь­ни­ка со сто­ро­ной a на­хо­дят­ся за­ря­ды +q, +q и –q. Найти на­пря­жен­ность поля Е в цен­тре тре­уголь­ни­ка.

3. Какой из проводов одинакового диаметра и из одного и того же материала, но равной длины, сильнее нагреется при одном и том же токе?

4. Каким признаком характеризуются металлические проводники?

5. Какими признаками характеризуется твердый диэлектрик в состоянии пробоя?

7