Электрическое поле

 

§ 1.1. Электрическое поле и его характеристика.

 

Большое количество электрических зарядов (электронов, протонов), содержащихся в любом теле, определяет его состояние (нейтральное или заряженное). Вокруг движущихся электрических зарядов существует электромагнитное поле, которое состоит из двух неразрывно связанных между собой электрического и магнитного. Поле обладает энергией (разноименные - притягиваются, одноименные – отталкиваются). Основными характеристиками электрического поля являются напряженность и потенциал.

Под напряженностью понимают отношение силы, с которой поле действует на точечный пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

 

,

где q – точечный пробный заряд, геометрические размеры которого и величина заряда настолько малы, что не искажают рассматриваемое поле.

Напряженность – величина векторная. Вектор напряженности совпадает с направлением сил, действующей на точечный пробный заряд. Поле считается однородным если вектора напряженности во всех его точках равны друг другу.

Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов прямо пропорциональна их величинам и , обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды.

 

,

где , - электрическая постоянная.

 

§ 1.2. Потенциал, электрическое напряжение.

 

Поместив положительный точечный пробный заряд в однородное электрическое поле, тогда под действием сил поля заряд переместиться из данной точки поля в другую на расстояние l.

Под напряжением понимают отношение работы совершенной силами поля для перемещения заряда из данной точки поля в другую к величине этого заряда:

 

[1В=1Дж/1Кл].

Напряжение, измеренное между данной точкой поля и точкой, потенциал которой принят равным 0, называется потенциалом.

Потенциал (φ) численно равен работе, совершенной силами поля при перемещении положительного единичного заряда из данной точки поля в точку, потенциал которой равен 0.

Выбрав любые две точки поля с различными потенциалами, говорят, что напряжение между этими точками поля равно разности потенциала этих точек:

 

.

§ 1.3. Конденсаторы. Соединение конденсаторов.

 

Конденсаторы – устройства, состоящие из двух металлических проводников разделенных диэлектриком, и предназначенные для использования их емкости:

[1Ф=1Кл/1В],

,

где ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора; ε₀ – электрическая постоянная; S – площадь одной пластины, м²; d – расстояние между пластинами, м.

По типу диэлектрика конденсаторы делятся на бумажные, слюдяные, керамические и др.

 

Параллельное соединение:

 

Рис.1-1.

 

Таким образом, общая или эквивалентная емкость при параллельном соединении конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов:

.

Из этой формулы следует, что при параллельном соединении одинаковых конденсаторов емкостью С общая емкость

.

 

Последовательное соединение:

 

Рис.1-2.

 

Найдем общую емкость. Так как ,

где ; ; ; , то .

Сократив на Q получим

.

При последовательном соединении n одинаковых конденсаторов емкостью C каждый общая емкость

.

При зарядке конденсатора от источника питания энергия этого источника преобразуется в энергию электрического поля конденсаторов:

,

или с учетом того, что ,

.

Работа электрического поля по перемещению заряда равна изменению потенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком:

.

Потенциальная энергия зарядов в однородном электрическом поле определяется соотношением:

.

 

Контрольные вопросы:

 

1. Что такое электрический заряд? Какой электрический заряд можно считать точечным?

2. Когда физическое тело является заряженным?

3. Закон Кулона.

4. Что такое электрическое поле? Каковы его основные свойства?

5. Как рассчитать напряженность электрического поля? Единицы измерения напряженности.

6. Какое направление имеют вектора напряженности электрического поля?

7. Что называют силовыми линиями электрического поля?

8. Какие поля называют потенциальными?

9. Что называют потенциалом электрического поля? Единицы измерения потенциала.

10. Что называют конденсатором?

11. Как рассчитывается емкость конденсатора? Единицы измерения емкости.

12. Виды соединений конденсаторов.

13. Энергия электрического поля.

14. Что понимают под работой электрического поля?

15. Как связано изменение потенциальной энергии с совершаемой им работой?

16. Отчего зависит работа по перемещению заряда из одной точки поля в другую?

 

ГЛАВА 2