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 εо = 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 =А1 -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).
