Jak se určuje síla elektrického pole ve vodiči?

Interakce elektrických nábojů se vysvětluje tím, že kolem každého náboje je elektrické pole.

Elektrické pole

Pole elektrického náboje – jedná se o hmotný předmět, je spojitý v prostoru a je schopen působit na jiné elektrické náboje. Elektrické pole stacionárních nábojů se nazývá elektrostatický. Elektrostatické pole je tvořeno pouze elektrickými náboji, existuje v prostoru kolem těchto nábojů a je s nimi nerozlučně spojeno.

Pokud přivedete nabitou tyč v určité vzdálenosti k elektroskopu, aniž byste se dotkli její osy, jehla se stále ukloní. Jedná se o působení elektrického pole.

Síla elektrického pole

Náboje, které jsou od sebe v určité vzdálenosti, se vzájemně ovlivňují. Tato interakce se provádí prostřednictvím elektrického pole. Přítomnost elektrického pole lze detekovat umístěním elektrických nábojů do různých bodů v prostoru. Pokud na náboj v daném bodě působí elektrická síla, znamená to, že v daném bodě prostoru existuje elektrické pole. Graficky jsou silová pole znázorněna siločárami.

elektrické vedení je přímka, jejíž tečna se v každém bodě shoduje s vektorem intenzity elektrického pole v tomto bodě.

Síla elektrického pole je fyzikální veličina, která se číselně rovná síle působící na jednotkový náboj umístěný v daném bodě pole. Za směr vektoru napětí se považuje směr síly působící na bodový kladný náboj.

Rovnoměrné elektrické pole – jedná se o pole, v jehož všech bodech má napětí stejnou absolutní hodnotu a směr. Elektrické pole mezi dvěma opačně nabitými kovovými deskami je přibližně rovnoměrné. Siločáry takového pole jsou přímky stejné hustoty.

Potenciál. Potenciální rozdíl. Kromě intenzity je důležitou charakteristikou elektrického pole potenciál j. Potenciál j je energetická charakteristika elektrického pole, zatímco intenzita E je jeho silová charakteristika, protože potenciál se rovná potenciální energii, kterou má jednotkový náboj v daném bodě pole, a intenzita se rovná síle, se kterou pole působí na tento jednotkový náboj.

Dielektrika v elektrickém poli

Dielektrika nebo izolanty se nazývají tělesa, která přes sebe nemohou vést elektrický náboj. To je vysvětleno absencí bezplatných poplatků v nich.

Pokud je jeden konec dielektrika umístěn v elektrickém poli, pak nedojde k redistribuci náboje, protože v dielektriku nejsou žádné volné nosiče náboje. Oba konce dielektrika budou neutrální. Přitažlivost nenabitého tělesa z dielektrika k nabitému tělesu se vysvětluje skutečností, že v elektrickém poli dochází k polarizaci dielektrika, tj. k posunutí opačných směrů vázaných nábojů, které tvoří atomy a molekuly dielektrika. látka.

Polární a nepolární dielektrika

К nepolární Patří sem dielektrika, v jejichž atomech nebo molekulách se střed záporně nabitého elektronového mraku shoduje se středem kladného atomového jádra. Například inertní plyny, kyslík, vodík, benzen.

Polární dielektrika se skládají z molekul, ve kterých se centra rozložení kladných a záporných nábojů neshodují. Například alkoholy, voda. Jejich molekuly lze považovat za soubor dvou bodových nábojů, které jsou stejné velikosti a opačného znaménka, které se nacházejí v určité vzdálenosti od sebe. Takový obecně neutrální systém se nazývá elektrický dipól.

Vodiče v elektrickém poli

Vodiče jsou tělesa, která mohou sama procházet elektrickým nábojem. Tato vlastnost vodičů je vysvětlena přítomností volných nosičů náboje v nich. Příklady vodičů zahrnují kovy a roztoky elektrolytů.

Pokud vezmete kovový vodič a umístíte jeho jeden konec do elektrického pole, objeví se na tomto konci elektrický náboj. Podle zákona zachování elektrického náboje se na druhém konci vodiče objeví náboj stejné velikosti a opačného znaménka. Jev oddělení nepodobných nábojů ve vodiči umístěném v elektrickém poli se nazývá elektrostatická indukce.

Když je vodič zaveden do elektrického pole, volné náboje v něm se začnou pohybovat. Redistribuce nábojů způsobuje změnu elektrického pole. Pohyb nábojů se zastaví teprve tehdy, když se intenzita elektrického pole uvnitř vodiče vynuluje. Volné náboje se přestanou pohybovat po povrchu vodivého tělesa, když dosáhnou rozložení, ve kterém je vektor intenzity elektrického pole v libovolném bodě kolmý k povrchu tělesa. Elektrostatické pole uvnitř vodiče je nulové; veškerý statický náboj vodiče je soustředěn na jeho povrchu.

Elektrická kapacita a kondenzátor

Elektrická kapacita – kvantitativní měření schopnosti vodiče udržet náboj.

Nejjednodušší metody separace na rozdíl od elektrických nábojů – elektrifikace a elektrostatická indukce – umožňují získat malé množství volných elektrických nábojů na povrchu těles. Používají se k akumulaci významných množství opačných elektrických nábojů конденсаторы.

Kondenzátor je soustava dvou vodičů (desek) oddělených dielektrickou vrstvou, jejíž tloušťka je v porovnání s velikostí vodičů malá. Například se vytvoří dvě ploché kovové desky umístěné paralelně a oddělené dielektrickou vrstvou byt kondenzátor.

Pokud jsou desky plochého kondenzátoru nabity stejnou velikostí a opačnými znaménky, pak intenzita elektrického pole mezi deskami bude dvakrát silnější než intenzita pole jedné desky. Mimo desky je intenzita elektrického pole nulová, protože stejné náboje opačných znamének na dvou deskách vytvářejí elektrická pole vně desek, jejichž síly jsou stejné velikosti, ale opačného směru.

Elektrický proud

Jedná se o řízený pohyb nabitých částic. V kovech jsou nosiči proudu volné elektrony, v elektrolytech – záporné a kladné ionty, v polovodičích – elektrony a díry, v plynech – ionty a elektrony. Kvantitativní charakteristikou proudu je síla proudu.

Zdrojem může být galvanický článek (probíhají chemické reakce a vnitřní energie se přeměňuje na elektrickou energii) a baterie (pro nabíjení jí prochází stejnosměrný proud, v důsledku chemické reakce se jedna elektroda nabije kladně, druhá záporně nabité.

Působení elektrického proudu: tepelné, chemické, magnetické.

Směr elektrického proudu: od + do –

Usměrněný pohyb nabitých částic

Proto postačující podmínkou existence proudu je přítomnost elektrického pole a volných nosičů náboje. Přítomnost proudu lze posuzovat podle jevů, které jej provázejí: Vodič, kterým proud protéká, se zahřívá. Elektrický proud může změnit chemické složení vodiče.

Silový vliv na sousední body a zmagnetizovaná tělesa.

Když uvnitř vodiče existuje elektrické pole, existuje na jeho koncích potenciálový rozdíl. Pokud se nezmění, vytvoří se ve vodiči konstantní elektrický proud.

Síla proudu

Síla proudu – poměr náboje přenášeného průřezem vodiče během časového intervalu k tomuto časovému intervalu.

Síla proudu, stejně jako náboj, je skalární veličina. Může být pozitivní i negativní. Kladný směr proudu je považován za pohyb kladných nábojů. Pokud se síla proudu v průběhu času nemění, je proud volán trvalý .

Elektromotorická síla

Aby elektrický proud mohl ve vodiči existovat po dlouhou dobu, je nutné zachovat nezměněné podmínky, za kterých elektrický proud vzniká.

Ve vnějším obvodu se elektrické náboje pohybují pod vlivem sil elektrického pole. Ale aby byl zachován potenciální rozdíl na koncích vnějšího obvodu, je nutné pohybovat elektrickými náboji uvnitř zdroje proudu proti silám elektrického pole. Takový pohyb lze provádět pouze působením sil neelektrostatické povahy.

Síly, které způsobují pohyb elektrických nábojů uvnitř zdroje stejnosměrného proudu proti směru působení sil elektrostatického pole, se nazývají vnější síly. Síly třetích stran v galvanickém článku nebo baterii vznikají jako výsledek elektrochemických procesů probíhajících na rozhraní elektroda-elektrolyt. U stejnosměrného stroje je vnější silou Lorentzova síla.

Sériové a paralelní zapojení vodičů

Vodiče ve stejnosměrných elektrických obvodech mohou být zapojeny do série a paralelně.

Pro sériové připojení Elektrický obvod nemá žádné odbočky; všechny vodiče jsou zařazeny do obvodu jeden po druhém.

Síla proudu ve všech vodičích je stejná, protože elektrický náboj se ve vodičích neakumuluje a stejný náboj po určitou dobu prochází průřezem vodiče.

Když jsou vodiče zapojeny do série, jejich celkový elektrický odpor se rovná součtu elektrických odporů všech vodičů.

V paralelním zapojení elektrický obvod má větve (bod větvení se nazývá uzel). Začátky a konce vodičů mají společné přípojné body ke zdroji proudu.

V tomto případě je napětí na všech vodičích stejné. Intenzita proudu je rovna součtu intenzit proudu ve všech paralelně zapojených vodičích, protože elektrický náboj se v uzlu neakumuluje za jednotku času, je roven náboji opouštějícímu uzel za stejnou dobu .

Připojení proudových zdrojů

Připojení proudových zdrojů

Chemické zdroje e. d.s. (baterie, prvky) jsou vzájemně propojeny sériově, paralelně a smíšeně.

Sériové připojení např. d.s. Obrázek ukazuje tři vzájemně propojené baterie. Toto spojení baterií, kdy je mínus každého předchozího zdroje spojeno s plusem následujícího zdroje, se nazývá sériové spojení. Skupina vzájemně propojených baterií nebo článků se nazývá baterie.

Přejděte na portál RUVIKI, kde jsou materiály pro přípravu OGE a jednotná státní zkouška.

Přejděte na materiály OGE/USE

RUVIKI pro OGE/USE

Přejděte na portál RUVIKI, kde jsou materiály pro přípravu OGE a jednotná státní zkouška.

Síla elektrického pole
E → >>
Dimenze	LMT −3 I −1
Jednotky měření
SI	V/m
Poznámky
vektorové množství

Síla elektrického pole je vektorová fyzikální veličina, která charakterizuje elektrické pole v daném bodě a je rovna poměru síly F → >> působící na stacionární malý bodový náboj umístěný v daném bodě k velikosti tohoto náboje q ∗ > [1 ]:

Síla elektrického pole se někdy nazývá silová charakteristika elektrického pole, protože jediný rozdíl od vektoru síly působícího na nabitou částici je konstanta [2] multiplikátor.

V každém bodě v daném časovém okamžiku je jiná hodnota vektoru E → >> (obecně řečeno je v různých bodech prostoru jiná [3]), takže E → >> je vektorové pole. Formálně se to odráží v záznamu

reprezentující intenzitu elektrického pole jako funkci prostorových souřadnic (a času, protože E → >> se může s časem měnit). Toto pole spolu s polem vektoru magnetické indukce představuje elektromagnetické pole [4] a zákony, kterým se řídí, jsou předmětem elektrodynamiky.

Síla elektrického pole v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) se měří ve voltech na metr [V/m] nebo newtonech na coulomb [N/C].

Síla elektrického pole v klasické elektrodynamice [editovat | upravit kód]

Síla elektrického pole je jednou z hlavních základních veličin klasické elektrodynamiky. V této oblasti fyziky je význam srovnatelný pouze vektor magnetické indukce (spolu s vektorem síly elektrického pole, tvořící tenzor elektromagnetického pole) a elektrický náboj. Z určitého pohledu se potenciály elektromagnetického pole (které dohromady tvoří jeden elektromagnetický potenciál) zdají stejně důležité.

Zbývající pojmy a veličiny klasické elektrodynamiky, jako je elektrický proud, proudová hustota, hustota náboje, polarizační vektor, jakož i pomocné elektrické indukční pole a síla magnetického pole, i když jistě důležité a smysluplné, se v podstatě ukazují jako sekundární nebo odvozené. .

Níže jsou uvedeny hlavní souvislosti klasické elektrodynamiky týkající se intenzity elektrického pole.

Síla vlivu elektromagnetického pole na nabité částice [editovat | upravit kód]

Celková síla, kterou elektromagnetické pole (včetně elektrické a magnetické složky) působí na nabitou částici, je vyjádřena Lorentzovým silovým vzorcem:

kde q ∗ > je elektrický náboj částice, v → >> je její rychlost, B → >> je vektor magnetické indukce; šikmý kříž × označuje vektorový součin. Vzorec je uveden v jednotkách SI.

Tento vzorec je obecnější než vzorec uvedený v definici intenzity elektrického pole, protože zahrnuje také vliv magnetického pole na nabitou částici (pokud se pohybuje).

Předpokládá se, že částice je bodová. Tento vzorec však také umožňuje vypočítat síly působící z elektromagnetického pole na tělesa libovolného tvaru s libovolným rozložením nábojů a proudů – pokud použijeme obvyklou fyzikální techniku ​​rozbití složitého tělesa na malé (matematicky – nekonečně malé) části , z nichž každý může být považován za bod a spadající tak do rozsahu použitelnosti Lorentzova vzorce. Samozřejmě, aby tento vzorec mohl být aplikován (i v jednoduchých případech, jako je výpočet síly interakce mezi dvěma bodovými náboji), je nutné umět vypočítat E → >> a B → >>.

Zbývající vzorce používané pro výpočet elektromagnetických sil (například vzorec pro Ampérovou sílu) lze považovat za důsledky [5] základního vzorce Lorentzovy síly nebo speciální případy její aplikace.

Maxwellovy rovnice [upravit | upravit kód]

Spolu s Lorentzovým silovým vzorcem jsou dostatečným teoretickým základem pro klasickou elektrodynamiku rovnice elektromagnetického pole, nazývané Maxwellovy rovnice. Jejich standardní tradiční formou jsou čtyři rovnice, z nichž tři zahrnují vektor síly elektrického pole:

Zde ρ je hustota náboje, j → >> je proudová hustota, ε 0 > je elektrická konstanta, μ 0 > je magnetická konstanta, c je rychlost světla (rovnice jsou zapsány v soustavě SI). V dané podobě jsou Maxwellovy rovnice „rovnicemi pro vakuum“ (jejich obecnější verze, která je použitelná i pro popis chování elektromagnetického pole v médiu, stejně jako jiné formy zápisu rovnic – viz článek Maxwellovy rovnice) .

Tyto čtyři rovnice spolu s pátou, Lorentzovou silovou rovnicí, v zásadě postačují ke kompletnímu popisu klasické (nikoli kvantové) elektrodynamiky, to znamená, že představují její úplné zákony. K řešení skutečných problémů s jejich pomocí potřebujeme také pohybové rovnice „hmotných částic“ (v klasické mechanice jsou to Newtonovy zákony), jakož i další informace o specifických vlastnostech uvažovaných fyzických těles a médií (jejich elasticita , elektrická vodivost, polarizovatelnost atd.) a další síly zapojené do problému (například o gravitaci), nicméně všechny tyto informace již nejsou zahrnuty do rámce elektrodynamiky jako takové, i když se často ukazuje jako nezbytné pro sestavení uzavřené soustavy rovnic, která umožňuje řešení konkrétního problému obecně.

“Materiálové rovnice” [upravit | upravit kód]

Doplňkové vzorce (obvykle ne přesné, ale přibližné nebo někdy i empirické), které se používají v klasické elektrodynamice při řešení praktických úloh a nazývají se „materiálové rovnice“, jsou tzv.

• Ohmův zákon;
• zákon polarizace;
• v různých případech mnoho dalších vzorců a vztahů.

Komunikace s potenciály [upravit | upravit kód]

Vztah mezi silou elektrického pole a potenciály v obecném případě je následující:

Ve zvláštním případě stacionární (neměnící se v čase) pole první rovnice zjednodušuje na

Tento výraz vztahuje elektrostatické pole k elektrostatickému potenciálu.

Elektrostatika [upravit | upravit kód]

Teoreticky i prakticky důležitým případem je situace, kdy jsou nabitá tělesa stacionární (např. je studován rovnovážný stav) nebo rychlost jejich pohybu je dostatečně malá, aby bylo možné přibližně použít výpočetní metody platné pro stacionární tělesa. . Tímto případem se zabývá obor elektrodynamiky zvaný elektrostatika.

Jak je uvedeno výše, síla elektrického pole je v tomto případě vyjádřena pomocí skalárního potenciálu as

to znamená, že elektrostatické pole se ukáže jako potenciální pole. (φ v tomto případě — v případě elektrostatiky — se obvykle nazývá elektrostatický potenciál).

Platí také inverzní vztah:

V tomto případě jsou Maxwellovy rovnice také značně zjednodušeny (rovnice s magnetickým polem lze zcela eliminovat a − ∇ φ lze dosadit do rovnice s divergenci) a redukovat na Poissonovu rovnici:

a v oblastech bez nabitých částic podle Laplaceovy rovnice:

Vezmeme-li v úvahu linearitu těchto rovnic, a tedy použitelnost principu superpozice na ně, stačí najít pole jednoho bodového náboje, abychom pak získali potenciál nebo intenzitu pole vytvořenou libovolným rozložením nábojů (součtem řešení pro bodové poplatky).

Gaussova věta [upravit | upravit kód]

V elektrostatice je široce používána Gaussova věta, jejíž obsah je redukován na integrální tvar jediné netriviální Maxwellovy rovnice pro elektrostatiku:

kde integrace probíhá přes libovolný uzavřený povrch S (vypočítá se tok E → >> tímto povrchem), Q je celkový (celkový) náboj uvnitř tohoto povrchu.

Tato věta poskytuje pohodlný způsob výpočtu intenzity elektrického pole v případě, že zdroje pole mají vysokou symetrii: sférickou, válcovou nebo zrcadlovou + translační. Zejména pole bodového náboje, koule, válce, roviny lze takto snadno nalézt.

Síla elektrického pole bodového náboje [editovat | upravit kód]

Pro bodový náboj v elektrostatice platí Coulombův zákon, který je zapsán v soustavě SI:

Historicky byl nejprve objeven Coulombův zákon, i když z teoretického hlediska jsou zásadnější Maxwellovy rovnice. Z tohoto pohledu je to jejich důsledek. Nejjednodušší způsob, jak získat tento výsledek, je založen na Gaussově větě s přihlédnutím ke sférické symetrii úlohy: zvolte plochu S ve tvaru koule se středem v bodovém náboji, vezměte v úvahu, že směr E → >> bude zjevně radiální a velikost tohoto vektoru je všude na vybrané kouli stejná (takže E může být vyjmuto ze znaménka integrálu), a poté, s přihlédnutím ke vzorci pro plochu koule poloměru r: 4 π r 2 >, máme 4 π r 2 E = q / ε 0 E=q/varepsilon _>, odkud okamžitě dostaneme odpověď pro E.

Pro systém SGS jsou vzorce a jejich odvození podobné, rozdíl od SI je pouze v konstantách:

Elektrické pole libovolného rozložení náboje [editovat | upravit kód]

Podle principu superpozice pro intenzitu pole množiny diskrétních zdrojů máme:

Pro spojitou distribuci je to podobné:

kde V je oblast prostoru, kde se náboje nacházejí (nenulová hustota náboje), nebo celý prostor, r → >> je vektor poloměru bodu, pro který uvažujeme E → >>, r ^ → >> > je poloměrový vektor zdroje procházející všemi body oblasti V při integraci, d V je objemový prvek. Místo r → >> můžete nahradit xi → + yj → + zk → >+y>+z>>; x^i → + y^j → + z^k → >>+ >>+ >>> místo r ^ → >>> ; dx^dy^dz^>,d >,d >> místo d V .

Jednotkové systémy [upravit | upravit kód]

V systému SGS se intenzita elektrického pole měří v jednotkách SGSE, v systému SI – v newtonech na coulomb nebo voltech na metr (ruské označení: V/m; mezinárodní: V/m).

Měření intenzity elektrického pole [editovat | upravit kód]

Měření intenzity elektrického pole v elektroinstalacích ultravysokého napětí se provádějí pomocí zařízení jako PZ-1, PZ-1 m atd.

Měřič intenzity elektrického pole funguje následovně: v anténě zařízení elektrické pole vytváří EMF, které je zesíleno tranzistorovým zesilovačem, usměrněno polovodičovými diodami a měřeno číselníkovým mikroampérmetrem. Anténa je symetrický dipól, vyrobený ve formě dvou kovových desek umístěných nad sebou. Protože EMF indukované v symetrickém dipólu. je úměrná intenzitě elektrického pole, miliampérmetrová stupnice je kalibrována v kilovoltech na metr (kV/m).

Měření tahu musí být provedeno v celém prostoru, kde se může osoba při výkonu práce nacházet. Rozhodující je nejvyšší naměřená hodnota tahu. Při umístění pracoviště na zemi dochází většinou k největšímu napětí ve výšce výšky člověka.

Měřicí body se volí podle GOST 12.1.002 v závislosti na umístění pracoviště a na tom, zda je vybaveno ochrannými prostředky podle tabulky:

Body měření intenzity elektrického pole

Umístění pracoviště	Opravné prostředky	Měřící body
Bez zvedání na zařízení a konstrukce	Bez ochranných pomůcek	Ve výšce 1,8 m od povrchu země
Totéž	Kolektivní ochranné prostředky	Ve výšce 0,5; 1,0 a 1,8 m od povrchu země
Se zvedáním na zařízení a konstrukce	Bez ohledu na dostupnost ochranných prostředků	Ve výšce 0,5; 1,0 a 1,8 m od plošiny pracoviště a ve vzdálenosti 0,5 m od uzemněných živých částí zařízení

Literatura [upravit | upravit kód]

• Sivukhin D.V. Kurz obecné fyziky. — Ed. 4., stereotypní. – M.: Fizmatlit; Nakladatelství MIPT, 2004. – T. III. Elektřina. — 656 s. — ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5..

Poznámky [upravit | upravit kód]

1. ↑Fyzická encyklopedie / Ch. vyd. A. M. Prochorov. – M.: Velká ruská encyklopedie, 1992. – T. 3. – S. 246. – 672 s. — 48 000 výtisků. — ISBN 5-85270-019-3.
2. ↑ Pro každou částici je její elektrický náboj konstantní. Může se změnit pouze tehdy, pokud se od částice oddělí něco nabitého nebo pokud se k ní něco nabitého připojí.
3. ↑ Někdy mohou být jeho hodnoty v různých bodech prostoru stejné; pokud je E → >> všude v prostoru (nebo v nějaké oblasti) stejné, mluví se o stejnoměrném elektrickém poli – to je konkrétní, nejjednodušší případ elektrického pole; ve skutečnosti může být elektrické pole rovnoměrné jen přibližně, tedy rozdíly E → >> v různých bodech prostoru jsou, ale někdy jsou malé a lze je v rámci nějaké aproximace zanedbat.
4. ↑ Elektromagnetické pole lze vyjádřit i jinak, např. prostřednictvím elektromagnetického potenciálu nebo v mírně odlišném matematickém zápisu (ve kterém je vektor síly elektrického pole spolu s vektorem magnetické indukce zahrnut do tenzoru elektromagnetického pole), všechny tyto způsoby zápisu však spolu úzce souvisejí, Neztrácí tedy význam tvrzení, že pole E → >> je jednou z hlavních složek elektromagnetického pole.
5. ↑ I když historicky mnoho z nich bylo otevřeno dříve.

Viz také [upravit | upravit kód]

• Elektrická indukce
• Uravnenia Maxwell
• Zakon Kulona

• Přidejte poznámky pod čarou a uveďte přesnější odkazy na zdroje.
• Přidejte ilustrace.