Я создала и активно наполняю телеграм-канал "Перець". Здесь лучшие карикатуры из журнала, начиная с 1922 года.
Заходите, подписывайтесь: https://t.me/cartalana
КАБАРДИН О.Ф. "ФИЗИКА (справочные материалы)", 1991
41. ВЕЩЕСТВО В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Проводники и диэлектрики. По электрическим свойствам тела можно разделить на проводники и диэлектрики. Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному. Способность проводников пропускать через себя электрические заряды объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут служить металлические тела в твердом и жидком состоянии, жидкие растворы электролитов.
Диэлектриками или изолятор рами называются такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному. К диэлектрикам, например, относятся воздух и стекло, плексиглас и эбонит, сухое дерево и бумага.
Рис. 138
Проводники в электрическом поле. Наличие свободных электрических зарядов в проводниках можно обнаружить в следующих опытах. Установим на острие металлическую трубу. Соединив проводником трубу со стержнем электрометра, убедимся в том, что труба не имеет электрического заряда.
Теперь наэлектризуем эбонитовую палочку и поднесем к одному концу трубы (рис. 138). Труба поворачивается на острие, притягиваясь к заряженной палочке. Следовательно, на том конце трубы, который расположен ближе к эбонитовой палочке, появился электрический заряд, противоположный по знаку заряду палочки.
Если на одном конце трубы под действием электрического поля заряженной палочки появился положительный электрический заряд, то на другом конце в соответствии с законом сохранения электрического заряда должен появиться равный ему по абсолютному значению отрицательный электрический заряд.
Опыт показывает, что действительно две части металлического тела, разделенного в электрическом поле, обладают электрическими зарядами (рис. 139). Эти заряды равны по модулю и противоположны по знаку.
Рис. 139
Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией.
При внесении в электрическое поле тела из проводника свободные заряды в нем приходят в движение. Перераспределение зарядов вызывает изменение электрического поля. Движение зарядов прекращается только тогда, когда напряженность электрического поля в проводнике становится равной нулю.
Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела. Поэтому в электрическом поле поверхность проводящего тела любой формы является эквипотенциальной поверхностью.
Диэлектрики в электрическом поле. Установим метровую деревянную линейку на подставку, обеспечивающую возможность вращения вокруг вертикальной оси. (Подставкой может быть, например, электрическая лампа накаливания.) Выполним такой же опыт, как с металлической трубой и заряженной палочкой (рис. 140). Опыт покажет, что деревянная линейка - тело из диэлектрика - притягивается к заряженным телам подобно телу из проводящего материала. Однако, если тело из диэлектрика разделить в электрическом поле на две части, то каждая из частей окажется нейтральной. В диэлектрике, помещенном в электрическое поле, заряды не разделяются, - следовательно, в нем нет свободных зарядов. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т.е. смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества.
Рис. 140
При отсутствии электрического поля электронное облако расположено симметрично относительно атомного ядра (рис. 141), а в электрическом поле с напряженностью 
оно изменяет свою форму и центр отрицательно заряженного электронного облака уже не совпадает с центром положительного атомного ядра (рис. 142).
Рис. 141-142
В результате поляризации на поверхности вещества появляются связанные заряды (рис. 143). Эти заряды обусловливают взаимодействие нейтральных тел из диэлектрика с заряженными телами. Вектор напряженности 
электрического поля, создаваемого связанными зарядами на поверхности диэлектрика, направлен внутри диэлектрика противоположно вектору напряженности 
внешнего электрического поля, вызывающего поляризацию (рис. 144). Напряженность электрического поля внутри диэлектрика оказывается равной
Рис. 143
Рис. 144
или 
.
Физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к модулю напряженности электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества:
(41.1)
Взаимодействие электрических зарядов в диэлектрике.
Уменьшение напряженности электрического поля в диэлектрике в 
раз по сравнению с напряженностью поля в вакууме приводит к такому же уменьшению силы электростатического взаимодействия точечных электрических зарядов в диэлектрике. Поэтому закон Кулона для случая взаимодействия электрических зарядов в диэлектрике имеет вид
(41.2)
Конденсаторы. Простейшие способы разделения разноименных электрических зарядов - электризация при соприкосновении, электростатическая индукция - позволяют получить на поверхности тел лишь сравнительно небольшое число свободных электрических зарядов. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.
Конденсатор - это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор.
Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, так как равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению (рис. 145).
Рис. 145
Электрическая емкость конденсатора. Физическая величина, определяемая отношением заряда q одной из пластин конденсатора к напряжению между обкладками конденсатора, называется электроемкостью конденсатора:
(42.1)
При неизменном расположении пластин электроемкость конденсатора является постоянной величиной при любом заряде на пластинах.
Единица электроемкости. Единица электроемкости в международной системе - фарад (Ф). Электроемкостью 1 Ф обладает такой конденсатор, напряжение между обкладками которого равно 1 В при сообщении обкладкам разноименных зарядов по 1 Кл.
В практике широко используются дольные единицы электроемкости - микрофарад (мкФ), нанофарад (нФ) и пикофарад (пФ):
1 мкФ = 10-6 Ф;
1 нФ = 10-9 Ф;
1 пФ = 10-12 Ф.
Электроемкость плоского конденсатора. Напряженность поля между двумя пластинами плоского конденсатора равна сумме напряженностей полей, создаваемых каждой из пластин:
.
Если на пластинах площадью 
находятся электрические заряды 
и 
, то на основании формул (38.5) и (38.6) для модуля напряженности поля между пластинами можем записать
(42.2)
Для однородного электрического поля связь между напряженностью 
и напряжением 
дается выражением 
, где 
- в данном случае расстояние между пластинами, - напряжение на конденсаторе.
Из выражений (42.1), (42.2) и (40.11) получаем
(42.3)
Электроемкость конденсатора прямо пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками.
При введении диэлектрика между обкладками конденсатора его электроемкость увеличивается в раз:
(42.4)
Устройство и типы конденсаторов. Выражение (42.3) показывает, что электроемкость конденсатора можно увеличить путем увеличения площади его пластин, уменьшения расстояния между ними и применения диэлектриков с большими значениями диэлектрической проницаемости .
В целях экономии материалов металлические электроды конденсаторов обычно изготавливаются в виде тонкой фольги. В качестве изолирующей прокладки используется парафинированная бумага, полистирол, слюда, керамика. По типу используемого диэлектрика конденсаторы называются бумажными, слюдяными, полистирольным и, керамическими, воздушными. Бумажный конденсатор изготавливают из двух полос металлической фольги, изолированных друг от друга полосами парафинированной бумаги. Полосы фольги и бумаги сворачиваются в рулон и помещаются в металлический или фарфоровый корпус. Через специальные изоляторы от листов фольги делается два вывода для подключения конденсатора в электрическую цепь (рис. 146). Аналогичное устройство имеют и конденсаторы других типов.
Рис. 146
Наряду с конденсаторами постоянной электроемкости в практике применяются конденсаторы переменной электроемкости. Электроемкость конденсатора обычно регулируется изменением взаимного положения его пластин. При увеличении площади пластин, находящихся друг против друга, электроемкость конденсатора увеличивается, при уменьшении - уменьшается.
Энергия заряженного конденсатора. Зарядим конденсатор и затем подключим к его выводам электрическую лампу (рис. 147). При подключении лампы наблюдается кратковременная вспышка света. Из этого опыта следует, что заряженный конденсатор обладает энергией.
Рис. 147
Если на обкладках конденсатора электроемкостью 
находятся электрические заряды и , то согласно формуле (42.1) напряжение между обкладками конденсатора равно
(42.5)
В процессе разрядки конденсатора напряжение между его обкладками убывает прямо пропорционально заряду 
от первоначального значения до 0.
Среднее значение напряжения в процессе разрядки равно
(42.6)
Для работы 
, совершаемой электрическим полем при разрядке конденсатора, будем иметь:
(42.7)
Следовательно, потенциальная энергия 
конденсатора электроемкостью , заряженного до напряжения , равна
(42.8)
Энергия конденсатора обусловлена тем, что электрическое поле между его обкладками обладает энергией. Напряженность поля пропорциональна напряжению , поэтому энергия электрического поля пропорциональна квадрату его напряженности.
Применение конденсаторов. Конденсаторы как накопители электрических зарядов и энергии электрического поля широко применяются в различных радиоэлектронных приборах и электротехнических устройствах. Они используются для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока, для разделения постоянной и переменной составляющих тока, в электрических колебательных контурах радиопередатчиков и радиоприемников, для накопления больших запасов электрической энергии при проведении физических экспериментов в области лазерной техники и управляемого термоядерного синтеза.
Электрический ток. Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. За направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов.
Электрические заряды могут двигаться упорядоченно под действием электрического поля. Поэтому достаточным условием для существования электрического тока является наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.
Электрическое поле может быть создано, например, двумя разноименно заряженными телами. Соединяя проводником разноименно заряженные тела, можно получить электрический ток, протекающий в течение короткого интервала времени.
Отношение заряда 
, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени 
, к этому интервалу времени называется силой тока 
:
Если сила тока со временем не изменяется, электрический ток называют постоянным током.
Источники постоянного тока. Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными условия, при которых возникает электрический ток.
Если в начальный момент времени потенциал точки 𝐴 проводника выше потенциала точки 𝐵 (рис. 148), то перенос положительного заряда из точки 𝐴 к точке 𝐵 приводит к уменьшению разности потенциалов между ними. Чтобы разность потенциалов оставалась неизменной, необходимо точно такой же заряд перенести из точки 𝐵 в точку 𝐴.
Рис. 148-149
Из точки 𝐴 в точку 𝐵 электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Перемещение их из точки 𝐵 в точку 𝐴 будет происходить в направлении против сил электрического поля. Такое перемещение заряда может осуществляться только под действием сил неэлектростатической природы, действующих в устройствах, называемых источниками постоянного тока.
Сторонние силы. Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе раздела электрод - электролит. В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.
Электрическая цепь постоянного тока. Рассмотрим простейшую электрическую цепь постоянного тока, составленную из одного гальванического элемента и проводника (рис. 149). На внешнем участке цепи электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Перемещение зарядов внутри проводника не приводит к выравниванию потенциалов всех точек проводника, так как в каждый момент времени источник тока доставляет к одному концу электрической цепи точно такое же число заряженных частиц, какое из него перешло к другому концу внешней электрической цепи. Поэтому сохраняется неизменным напряжение между началом и концом внешнего участка электрической цепи; напряженность электрического поля внутри проводников в этой цепи отлична от нуля и постоянна во времени.
Закон Ома для участка цепи. Немецкий физик Георг Ом (1787-1854) в 1826 г. обнаружил, что отношение напряжения между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока в цепи есть величина постоянная:
(43.1)
Эту величину 
называют
электрическим сопротивлением проводника.
Единица электрического сопротивления в СИ - ом (Ом). Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение равно 1 В:
Опыт показывает, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине 
и обратно пропорционально площади поперечного сечения:
(43.2)
Постоянный для данного вещества параметр 
называется удельным электрическим сопротивлением вещества.
Экспериментально установленную зависимость силы тока от напряжения и электрического сопротивления участка цепи называют законом Ома для участка цепи:
(43.3)
Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению участка цепи.
Последовательное и параллельное соединение проводников. Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно. При последовательном соединении проводников конец первого проводника соединяется с началом второго и т.д. При этом сила тока одинакова во всех проводниках, а напряжение на концах всей цепи равно сумме напряжений на всех последовательно включенных проводниках. Например, для трех последовательно включенных проводников 1, 2, 3 (рис. 150) с электрическими сопротивлениями 
и 
получим
(43.4)
Рис. 150
По закону Ома для участка цепи
и 
, (43.5)
где - полное сопротивление участка цепи из последовательно включенных проводников. Из выражений (43.4) и (43.5) будем иметь 
. Таким образом,
(43.6)
При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.
Из соотношений (43.5) следует, что напряжения на последовательно включенных проводниках прямо пропорциональны их сопротивлениям:
При параллельном соединении проводников 1, 2, 3 (рис. 151) их начала и концы имеют общие точки подключения к источнику тока. При этом напряжение на всех проводниках одинаково, а сила тока в неразветвленной цепи равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках. Для трех параллельно включенных проводников сопротивлениями и на основании закона Ома для участка цепи запишем
.
Рис. 151
Обозначив общее сопротивление участка электрической цепи из трех параллельно включенных проводников через , для силы тока в неразветвленной цепи получим
(43.8)
Так как
, (43.9)
то из выражений (43.7), (43.8) и (43.9) следует, что
(43.10)
При параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям всех параллельно включенных проводников.
Параллельный способ включения широко применяется для подключения ламп электрического освещения и бытовых электроприборов к электрической сети.
Работа и мощность электрического тока. Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока. Работа сил электрического поля или работа электрического тока на участке цепи с электрическим сопротивлением за время равна
(43.11)
Мощность электрического тока равна отношению работы тока ко времени , за которое эта работа совершена:
Работа электрического тока выражается в джоулях, мощность - в ваттах.
Если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения веществ, то работа электрического поля приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током:
. (43.12)
Закон (43.12) был экспериментально установлен английским ученым Джеймсом Джоулем (1818-1889) и русским ученым Эмилием Христиановичем Ленцем (1804-1865), поэтому носит название закона Джоуля - Ленца.
Внутреннее сопротивление источника тока. В электрической цепи, состоящей из источника тока и проводников с электрическим сопротивлением , электрический ток совершает работу не только на внешнем, но и на внутреннем участке цепи. Например, при подключении лампы накаливания к гальванической батарее карманного фонаря электрическим током нагреваются не только спираль лампы и подводящие провода, но и сама батарея. Электрическое сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением. В электромагнитном генераторе внутренним сопротивлением является электрическое сопротивление провода обмотки генератора. На внутреннем участке электрической цепи выделяется количество теплоты, равное
, (43.13)
где 
- внутреннее сопротивление источника тока.
Полное количество теплоты, выделяющееся при протекании постоянного тока в замкнутой цепи, внешний и внутренний участки которой имеют сопротивления, соответственно равные и , равно
. (43.14)
Электродвижущая сила. Полная работа сил электростатического поля при движении зарядов по замкнутой цепи постоянного тока равна нулю. Следовательно, вся работа электрического тока в замкнутой электрической цепи оказывается совершенной за счет действия сторонних сил, вызывающих разделение зарядов внутри источника и поддерживающих постоянное напряжение на выходе источника тока. Отношение работы 
, совершаемой сторонними силами по перемещению заряда вдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой источника (ЭДС) 
:
(43.15)
где - переносимый заряд.
Электродвижущая сила выражается в тех же единицах, что и напряжение или разность потенциалов, т.е. в вольтах.
Закон Ома для полной цепи. Если в результате прохождения постоянного тока в замкнутой электрической цепи происходит только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии полная работа электрического тока в замкнутой цепи, равная работе сторонних сил источника тока, равна количеству теплоты, выделившейся на внешнем и внутреннем участках цепи:
. (43.16)
Из выражений (43.14), (43.15) и (43.16) получаем
. (43.17)
Так как 
, то
, (43.18)
или 
. (43.19)
Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна сумме электрических сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи. Выражение (43.19) называется законом Ома для полной цепи.
⇦ Ctrl предыдущая страница / следующая страница Ctrl ⇨
МЕНЮ САЙТА / СОДЕРЖАНИЕ