Электрическое поле. Напряженность поля, электрический потенциал и напряжение

Физическая природа электрического поля и его графическое изображение. В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает запасом электри­ческой энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела. Электрическое поле условно изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направления действия электри­ческих сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую двигалась бы в электрическом поле поло­жительно заряженная частица. Как показано на рис. 4, электри­ческие силовые линии расходятся в разные стороны от положительно заряженных тел и сходятся у тел, обладающих отрицательным зарядом. Поле, созданное двумя плоскими разноименно заряжен­ными параллельными пластинами (рис. 4, г), называется однород­ным.

Электрическое поле можно сделать видимым, если поместить в него взвешенные в жидком масле частички гипса: они повора­чиваются вдоль поля, располагаясь по его силовым линиям (рис. 5).

Напряженность поля. Электрическое поле действует на внесен­ный в него заряд ц (рис. 6) с некоторой силой Р. Следовательно, об интенсивности электрического поля можно судить по значению силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый элек­трический заряд, принятый за единицу. В электротехнике интенсив­ность поля характеризуют напряженностью электрического поля Е. Под напряженностью понимают отношение силы Р, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду ц этого тела:

Рис. 6. Схема действия электрического поля на внесенный в него электрический заряд ц

ностью Е изображается графиче­ски силовыми линиями большой густоты; поле с малой напряжен­ностью — редко расположенными силовыми линиями. По мере уда­ления от заряженного тела сило­вые линии электрического поля располагаются реже, т. е. напря­женность поля уменьшается (см. рис. 4, а, б и в). Только в одно­родном электрическом поле (см. рис. А, г) напряженность одина­кова во всех его точках.

Электрический потенциал. Элек­трическое поле обладает опре­деленным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Как известно, энергию можно также накопить в пружине, для чего ее нужно сжать или растянуть. За счет этой энергии можно получить определенную работу. Если освободить один из концов пружины, то он сможет переместить на некоторое расстояние связанное с этим концом тело. Точно так же энергия электрического поля может быть реализована, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определенную работу.

Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке элек­трического поля, введено специальное понятие — электрический по­тенциал. Электрический потенциал ср поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Понятие электрического потенциала аналогично понятию уровня для различных точек земной поверхности. Очевидно, что для подъема локомотива в точку Б (рис. 7) нужно затратить большую работу, чем для подъема его в точку А. Поэтому локомотив, поднятый на уровень #2, при спуске сможет совершить большую работу, чем локомотив, поднятый на уровень Н\. За нулевой уровень, от которого производится отсчет высоты, принимают обычно уровень моря.

Точно так же за нулевой потенциал условно принимают потенциал, который имеет поверхность земли.

Электрическое напряжение. Различные точки электрического поля обладают разными потенциалами. Обычно нас мало интересу­ет абсолютная величина потенциалов отдельных точек электри­ческого поля, но нам весьма важно знать разность потенциалов ф1—фг между двумя точками поля А и Б (рис. 8). Разность потен­циалов ф1 и ф2 двух точек поля характеризует собой работу, за­трачиваемую силами поля на перемещение единичного заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую-точку с меньшим потенциалом. Точно так же нас на практике мало интересуют абсо­лютные высоты Н\ и //₂ точек А и Б над уровнем моря (см. рис. 7), но для нас важно знать разность уровней Н между этими точками, так как на подъем локомотива из точки А в точку Б надо затратить работу, зависящую от величины Н. Разность потенциалов между двумя точками поля носит название электрического напряжения. Электрическое напряжение обозначают буквой V (и). Оно численно равно отношению работы 1^, которую нужно затратить на переме­щение положительного заряда ц из одной точки поля в другую, к этому заряду, т. е.

Следовательно, напряжение (У, действующее между различными точками электрического поля, характеризует запасенную в этом поле энергию, которая может быть отдана путем перемещения между этими точками электрических зарядов.

Электрическое напряжение — важнейшая электрическая величи­на, позволяющая вычислять работу и мощность, развиваемую при перемещении зарядов в электрическом поле. Единицей электри­ческого напряжения служит вольт (В). В технике напряжение иногда измеряют в тысячных долях вольта — милливольтах (мВ) и мил­лионных долях вольта — микровольтах (мкВ). Для измерения вы­соких напряжений пользуются более крупными единицами — кило­вольтами (кВ) — тысячами вольт.

Напряженность электрического поля при однородном поле представляет собой отношение электрического напряжения, дейст-12

вующего между двумя точками поля, к расстоянию / между этими точками:

Напряженность электрического поля измеряют в вольтах на метр (В/м). При напряженности поля в 1 В/м на заряд в 1 Кл действует сила, равная 1 ньютону (1 Н). В некоторых случаях при­меняют более крупные единицы измерения напряженности поля В/см (100 В/м) и В/мм (1000 В/м).

Электрический ток