Занятие 2
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
1. Электронная теория строения вещества. Электрические заряды.
2. Закон Кулона.
3. Изображение электрического поля.
Электронная теория строения вещества.
Все вещества, как простые, так и сложные, состоят из молекул, а
молекулы – из атомов.
Молекула – мельчайшая частица вещества, которая сохраняет его
химические свойства.
Атом – мельчайшая частица химического элемента, которая сохраняет
его свойства. Атом состоит из положительно заряженного ядра, в состав
которого входят протоны и нейтроны (нуклоны), и отрицательно заряженных
электронов, расположенных на оболочках вокруг ядра на различном
расстоянии от него. Если говорят, что атом электрически нейтрален, это
значит, что число электронов на оболочках равно числу протонов в ядре, т.к.
нейтрон заряда не имеет.
Под электрическим зарядом понимается свойство частиц вещества или
тел, характеризующее их взаимосвязь с собственным электромагнитным
полем и их взаимодействие с внешним электромагнитным полем.
Электрический заряд содержит определенное количество электричества.
Электрический заряд – физическая величина, определяющая
интенсивность электромагнитного взаимодействия. Заряд частицы
обозначается q и измеряется в Кл (Кулон) в честь французского ученого
Шарля Кулона. Элементарным (неделимым) зарядом обладает электрон, его
заряд равен qе = -1,6×10-19 Кл. Заряд протона по модулю равен заряду
электрона, т. е. qр = 1,6×10-19 Кл, следовательно, бывают положительные и
отрицательные электрические заряды. Причем, одноименные заряды
отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
Одни из элементарных заряженных частиц входят в состав атомов и
молекул вещества, другие находятся в свободном состоянии. В заряженном
теле преобладают положительные или отрицательные заряды, в электрически
нейтральном теле число тех и других зарядов одинаково.
Заряд всегда связан с какой-то частицей. Существуют частицы, не
имеющие электрического заряда (нейтрон), но не существует заряда без
частицы.
С понятием электрического заряда неразрывно связано
электрического поля. Существует несколько видов полей:
понятие
электростатическое поле – это электрическое поле неподвижных
заряженных частиц;
электрическое поле – это материя, которая окружает заряженные
частицы, неразрывно с ними связана и оказывает силовое воздействие
на электрически заряженное тело, внесенное в пространство,
заполненное этим видом материи;
магнитное поле – это материя, которая окружает любое движущееся
заряженное тело;
электромагнитное поле характеризуется двумя взаимосвязанными
сторонами – составляющими: магнитным полем и электрическим,
которые выявляются по силовому воздействию на заряженные частицы
или тела.
Как определить, существует ли электрическое поле в данной точке
пространства или нет? Мы не можем пощупать поле, увидеть его или
понюхать. Для определения существования поля необходимо внести в любую
точку пространства пробный (точечный) электрический заряд q0.
Заряд называется точечным, если его линейные размеры весьма малы
по сравнению с расстоянием до тех точек, в которых определяется его поле.
Движущиеся электрические заряды неразрывно связаны с окружающим
их электромагнитным нолем, которое представляет собой один из видов
материи. Электромагнитное поле состоит из двух взаимно связанных сторон
— составляющих: магнитного поля и электрического поля, выявляемых по
силовому действию на заряженные элементарные частицы или тела.
Разноименно заряженные тела притягиваются друг к другу, одноименно
заряженные — отталкиваются. Каждый заряд неразрывно связан с
окружающим его электрическим полем, так что взаимодействие заряженных
тел происходит при посредстве электрического поля.
Электрическое поле – это материальный объект, делающий возможным
взаимодействие между заряженными телами.
Так как электрическое поле оказывает силовое действие на внесенное в
него электрически заряженное тело или частицы, оно способно совершить
работу. Следовательно, электрическое поле обладает энергией, которую
называют электрической энергией.
Закон Кулона.
Пусть поле создается положительным зарядом q. Для определения
величины поля этого заряда необходимо в любую точку пространства,
окружающего этот заряд, внести пробный заряд q0. Тогда со стороны
электрического поля заряда +q на заряд q0 будет действовать некоторая сила.
Эту силу можно определить, используя закон Кулона.
Опыт показывает, что между двумя наэлектризованными телами
возникают силы механического взаимодействия. Под влиянием этих сил
разноименные заряды (положительный и отрицательный) притягиваются, а
одноименные (оба положительные или оба отрицательные) - отталкиваются.
Силы взаимодействия между зарядами называются электростатическими.
Опытным путем французский физик Кулон установил, что сила
взаимодействия F пропорциональна величине взаимодействующих зарядов q1
и q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними (рис. 2).
Рис. 2. Взаимодействие электрических зарядов: а - заряженных разноименно,
б - заряженных одноименно
Направление действия этой силы совпадает с направлением прямой,
проходящей через оба заряда.
Позднейшие исследования показали, что сила взаимодействия между
зарядами зависит также от электрических свойств среды, в которой находятся
заряды.
Если размеры заряженных тел очень малы по сравнению с расстоянием
r между ними, то говорят, что речь идет о точечных зарядах g 1 и g2. Формулу
Кулона в этом случае можно представить в следующем виде:
где F - сила взаимодействия между электрическими зарядами, н;
К - коэффициент, зависящий от принятой системы единиц измерения; в СИ
множитель К = 1/4π;
q - величина заряда, Кл;
εа - величина, характеризующая среду между зарядами, называется
абсолютной диэлектрической проницаемостью среды.
Для пустоты абсолютная диэлектрическая проницаемость имеет
минимальное значение и ее принято обозначать ε0.
Обычно абсолютную диэлектрическую проницаемость среды εа
сравнивают с абсолютной проницаемостью пустоты ε0. Отношение εа к ε0
обозначают буквой ε и называют относительной диэлектрической
проницаемостью:
ε = εа / ε0, тогда εа = εε0.
Относительная диэлектрическая проницаемость является безразмерной
величиной.
В СИ формула Кулона будет иметь вид
Электрическое поле. Его 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.
Рис. 1. Простейшие электрические
поля: а – одиночных положительного и отрицательного зарядов; б – двух
разноименных зарядов; в – двух одноименных зарядов; г – двух параллельных
и разноименно заряженных пластин (однородное поле)
Графически электрическое поле изображают с помощью силовых
линий, которые показывают направления действия электрических сил,
создаваемых полем. Силовые линии электрического поля незамкнуты, они
начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
Поле, созданное двумя плоскими разноименно заряженными параллельными
пластинами (рис. 1, г), называется однородным .
Домашнее задание:
1. Повторение изученного материала.
2. Подготовка доклада на тему:
а) Проводники и диэлектрики в электрическом поле.
б) Главнейшие электроизоляционные материалы
Занятие 3.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
1. Напряженность электрического поля.
2. Электрический потенциал.
3. Электрическое напряжение.
4. Проводники и диэлектрики в электрическом поле.
Силовая характеристика – напряженность электрического поля.
Электрическое поле действует на внесенный в него заряд q (рис. 6) с
некоторой силой F. 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 F, действующей на
заряженное тело в данной точке поля, к заряду q этого тела:
E = F / q (1); [E] = [ 1 Н/Кл ] = [1 В/м ]
напряженность (Е) – это векторная физическая величина.
Графически электрическое поле изображают с помощью силовых
линий – это линии, касательные к которым в каждой точке пространства
совпадают с направлением вектора напряженности.
Силовые линии электрического поля незамкнуты, они начинаются на
положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных:
Принцип суперпозиции: если поле создано несколькими электрическими
зарядами, то напряженность такого поля равна векторной (геометрической)
сумме напряженностей полей отдельных зарядов: Еобщ = Е1 + Е2 + Е3 + … + Еn
Электрическое поле называется однородным, если вектор напряженности Е
одинаков по модулю и по направлению в любой точке поля, а силовые линии
поля параллельны между собой и находятся на одинаковом расстоянии друг
от друга.
Рис. 5. Картина распределения силовых
линий электрического поля: а – заряженный шар; б – разноименно
заряженные шары; в – разноименно заряженные параллельные пластины
Поле с большой напряженностью 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. 4, г) напряженность одинакова во всех его точках.
Рис. 6. Схема действия электрического
поля на внесенный в него электрический заряд q
Энергетическая характеристика – электрический потенциал.
Электрический потенциал - это скалярная физическая величина,
равная отношению потенциальной энергии заряда, необходимой для его
перемещения из одной точки поля в другую, к величине этого заряда.
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 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 Н2, при спуске сможет
совершить большую работу, чем локомотив, поднятый на уровень Н2 За
нулевой уровень, от которого производится отсчет высоты, принимают
обычно уровень моря.
Рис. 7. Разность уровней в поле земного
тяготения
Рис. 8. Разность потенциалов U между
точками А и Б электрического поля определяет работу, которая
затрачивается на перемещение заряда q между этими точками
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 φ1—φ2 между двумя точками поля А и Б (рис. 8).
Разность потенциалов φ1 и φ2 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.
Разность потенциалов между двумя точками поля носит название
электрического напряжения. Электрическое напряжение обозначают
буквой U (В). Оно численно равно отношению работы W, которую нужно
затратить на перемещение положительного заряда q из одной точки поля в
другую, к этому заряду, т. е.
U = W / q (2)
Следовательно, напряжение U, действующее между различными
точками электрического поля, характеризует запасенную в этом поле энергию,
которая может быть отдана путем перемещения между этими точками
электрических зарядов.
U = 220 В в сети означает, что при перемещении заряда в 1 Кл из одной
точки поля в другую, поле совершает работу в 220 Дж.
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, действующего между двумя
точками поля, к расстоянию d между этими точками:
E = U / d (3)
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).
Проводники и диэлектрики в электрическом поле.
Если незаряженный изолированный проводник внести в электрическое
поле, то в результате действия электрических сил поля в проводнике
происходит разделение электрических зарядов. Свободные электроны
проводника придут в движение в направлении, противоположном
направлению электрического поля. В результате на конце проводника,
обращенном к заряженному шару, окажется избыток электронов,
обусловливающий отрицательный заряд этого конца, а на другом конце
проводника
окажется
недостаток
электронов,
обусловливающий
положительный заряд этой части проводника.
Разделение зарядов на проводнике под влиянием заряженного тела
называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией,
а заряды на проводнике – индуцированными зарядами. По мере приближения
проводника к заряженному шару количество индуцированных зарядов на
проводнике увеличивается. Электрическое поле заряженного шара
изменяется, как только в нем окажется проводник. Электрические силовые
линии шара, расходившиеся ранее равномерно и радикально, теперь изогнутся
в сторону проводника. Так как началами и концами электрических силовых
линий являются электрические заряды, лежащие на поверхности проводников,
то, начинаясь у поверхности с положительными зарядами, силовая линия
кончается у поверхности с отрицательными зарядами. Внутри проводника
электрическое поле существовать не может. В противном случае между
отдельными точками проводника существовала бы разность потенциалов, в
проводнике происходило бы движение зарядов (ток проводимости) и до тех
пор, пока вследствие перераспределения зарядов потенциалы всех точек
проводника не стали бы равными.
Этим пользуются, кода хотят оградить проводник от влияния внешних
электрических полей. Для этого проводник окружают другим проводником,
выполненным в виде сплошной металлической поверхности или проволочной
сетки с мелкими отверстиями. Индуцированные заряды, образовавшиеся на
проводнике в результате влияния на него заряженного поля, можно отделить
один от другого, если разломить проводник пополам.
Диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных
электронов. Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.
Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник,
электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и
диэлектрика имеется существенная разность. Если в проводнике под влиянием
сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему
объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических
зарядов произойти не может. Но в пределах одной молекулы диэлектрика
возникает смещение положительного заряда вдоль направления
электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В
результате влияния заряженного тела на поверхности диэлектрика возникнут
электрические заряды. Это явление называется поляризациейдиэлектрика.
Различают диэлектрики двух классов. 1. Молекула в нейтральном состоянии
имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко
расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется.
Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в
пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя
диполь. 2. Молекулы и в отсутствии электрического поля образуют диполи.
Такие диэлектрики называют полярными.
Необходимость правильного выбора величины напряженности
электрического поля в диэлектрике привела к созданию теории электрической
прочности, имеющей важное значение для современной техники высоких
напряжений.
ГЛАВНЕЙШИЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Асбест – минерал, имеющий волокнистое строение. Длина волокна – от
десяти долей миллиметра до нескольких сантиметров. Из асбеста
изготовляют пряжу, ленту, ткани, бумагу, картон и др. Ценным качеством
является его высокая нагревостойкость. Нагрев до 300–400° не меняет
свойств асбеста. Благодаря низкой теплопроводности асбест применяют в
качестве тепловой изоляции при высоких температурах. Асбест обладает
гигроскопичностью, которая уменьшается при пропитке его смолами,
битумами и т. п. Электроизоляционные свойства асбеста невысоки. Поэтому
он не применяется при высоких напряжениях.
Канифоль – хрупкая смола светло-желтого или коричневого цвета,
получаемая путем обработки смолы хвойных деревьев. Канифоль
растворяется в нефтяных маслах, жидких углеводородах, растительных
маслах, спирте, скипидаре. Температура размягчения канифоли 50–70 °C.
Употребляют для приготовления пропиточных и заливочных масс.
Парафин – воскообразное вещество, полученное из нефти. Хорошо
очищенный парафин – кристаллическое вещество белого цвета. Применяется
для пропитки дерева, бумаги, волокнистых веществ, для заливки
высокочастотных катушек и трансформаторов, для приготовления
изолирующих составов.
Слюда – минерал кристаллического строения. Благодаря своему строению
легко расщепляется на отдельные листочки. Обладает высокой
электрической прочностью, высокой нагревостойкостью, влагостойкостью,
механической прочностью и гибкостью. Применяют два вида слюды:
мусковит и флогопит, различающиеся по составу, цвету и свойствам. Лучшей
слюдой является мусковит. Из листочков слюды штампуют прямоугольные
пластинки для конденсато– ров, шайбы для электрических приборов и т. п.
Текстолит – пластмасса, представляющая собой многослойную ткань,
пропитанную резольной смолой и спрессованную под большим давлением
при 150". Положительные качества: малая хрупкость, высокие механические
качества, стойкость к истиранию. Отрицательные качества: плохие
электрические свойства, малая влагостойкость, более дорогой по цене.
Фибра изготавливается из пористой бумаги, обработанной раствором
хлористого цинка. Хорошо поддается механической обработке. Большим
недостатком является ее гигроскопичность. фибра разъедается кислотами и
щелочами. Из нее изготовляют мелкие детали, прокладки, каркасы катушек.
Тонкая фибра называется летероидом.
Церезин получают путем очистки воскообразного минерала – озокерита или
петролатума. Имеет повышенную температуру плавления (65–80°) и
повышенную стойкость против окисления. Применяют для пропитки
бумажных конденсаторов, приготовления изолирующих составов и др.
Шеллак – природная смола тропических растений, температура его
плавления 100–200°. Имеет вид желтоватых или коричневых чешуек, легко
растворяется в спирте. Применяется для приготовления заливочных масс,
изоляционных и клеящих лаков, пропитки изоляционных лент.
Шифер – сланец, имеет слоистое строение. Негигроскопичен, легко
поддается механической обработке. Идет на изготовление панелей, щитков
для рубильников и т. п.
Эбонит (твердая резина) получается из каучука путем добавки в него 20–
50 % серы. Выпускается в виде листов (досок), палок и трубок, хорошо
поддается механической обработке. Применяется в технике слабых токов, в
эбонитовые трубки протаскиваются провода при проходе сквозь стены и при
скрытой проводке.
Домашнее задание:
1. Повторение изученного материала.
2. Подготовка доклада на тему: Расчет батареи конденсаторов.
