Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряженность электрического поля. Обозначается буквойEи находится по формуле:Реферат на тему:
«Проводники
в электростатическом
поле»
Ученика 10 «Б» класса
Средней школы №1
г. Микашевичи
Абрамчук Дмитрий
2010
План:
Свободные заряды..............................3
Электростатическое поле внутри проводника.....3
Электрический заряд проводников...............4
Электрическое поле в проводнике с током.......5
Электрическое поле внутри проводника с током..5
Электрическое поле вне проводника.............6
Стационарное электрическое поле...............6
Свободные заряды. В проводниках, к которым в первую очередь относятся металлы, имеются заряженные частицы, способные перемещаться внутри проводников под влиянием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.
В металлах носителями свободных зарядов являются электроны. При образовании металла из нейтральных атомов, атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию, электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со «своими» атомами и становятся «собственностью» всего проводника в целом. В результате положительно заряженные ионы оказываются окруженными отрицательно заряженным «газом», который образован коллективизированными электронами. Этот газ заполняет промежутки между ионами и стягивает их кулоновскими силами. Свободные электроны участвуют в тепловом движении, подобно молекулам газа, и могут перемещаться по куску металла в любом направлении. Наличие в проводнике свободных зарядов приводит к тому, что внутри проводника электростатическое поле равно нулю. Если бы напряженность электрического поля была отлична от нуля, то поле приводило бы свободные заряды в упорядоченное движение, т.е. в проводнике существовал бы электрический ток. Утверждение об отсутствии электростатического поля внутри проводника в равной мере справедливо как для заряженного проводника, так и для незаряженного, помещенного во внешнее электростатическое поле. (Конечно, отдельные заряженные частицы — электроны и ионы — создают микроскопические поля. Но эти поля взаимно компенсируют друг друга, и среднее значение напряженности их поля оказывается равным нулю.)
На примере незаряженной пластины, внесенной в однородное поле, выясним, в результате какого процесса напряженность электростатического поля внутри проводника оказывается равной нулю. Под действием электрического поля электроны пластины начинают перемещаться справа налево. В первый момент (при внесении проводника в поле) возникает электрический ток. Левая часть пластины заряжается отрицательно, а правая — положительно. В этом состоит явление электростатической индукции. (Если разделить пластину пополам, то обе половины окажутся заряженными.) Появившиеся заряды создают свое поле, которое накладывается на внешнее поле и компенсирует его. За ничтожно малое время заряды перераспределяются так, что напряженность результирующего поля внутри пластины становится равной нулю, и движение зарядов прекращается. В противном случае в проводнике все время протекал бы ток, и выделялась теплота. Но согласно закону сохранения энергии это невозможно.
Итак, электростатического поля внутри проводника нет. На этом основана так называемая электростатическая защита. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их заключают в металлические ящики.
Силовые линии электростатического поля вне проводника перпендикулярны его поверхности. Если бы это было не так, то имелась бы составляющая напряженности поля вдоль поверхности проводника, и по поверхности протекал бы электрический ток. Электрический заряд проводников. В случаеравновесия зарядов не только напряженность поля внутри проводника равна нулю, равен нулю и заряд. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. В самом деле, если бы внутри проводника имелся заряд, то вблизи заряда имелось бы и поле. Но электрического поля внутри проводника нет. Следовательно, заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности.
Отсутствие заряда внутри проводника можно обнаружить с помощью простых опытов, например, опыта с цилиндром из проволочной сетки. На поверхности цилиндра приклеены легкие листочки станиоля. Внутри цилиндра на проводящем подвижном стержне укреплены еще два листочка. Если сообщить цилиндру заряд, например, от электростатической машины, листочки отклонятся на некоторый угол, так как перетекший на них заряд будет отталкиваться от одноименного заряда цилиндра или соседнего листочка. Но если листочки на стержне внести внутрь цилиндра, то они не отклонятся, так как заряд на них равен нулю. Скорость упорядоченного движения электронов мала: несколько сотых миллиметра в секунду. Почему же при столь малой скорости электрический ток устанавливается почти сразу же после замыкания цепи длиной в сотни километров?
Упорядоченное движение электронов вызывается и поддерживается электрическим полем в проводнике. Следовательно, электрический ток может установиться почти сразу по всей цепи только потому, что за очень малый промежуток времени во всем проводнике возникает электрическое поле. Электрическое поле внутри проводника с током . Проводникам с током можно придавать самую разнообразную форму. Провода можно намотать на катушку, согнуть под любым углом и т.д. При этом с помощью амперметра можно обнаружить, что сила тока в проводнике не зависит от его формы
Если не меняется сила тока в проводнике, то согласно формуле V=I/enS не меняется и скорость направленного движения электронов. Во всех сечениях проводника определенного диаметра она одинакова. Но скорость упорядоченного движения электронов зависит от силы, действующей на них, т.е. от напряженности поля внутри проводника. Значит, напряженность поля во всех сечениях проводника должна быть одинаковой по модулю и не меняться при изменении формы проводника.
Линии напряженности электрического поля на протяжении всего проводника параллельны его поверхности. Они не могут пронизывать поверхность проводника и при любой форме проводника повторяют все его изгибы.
Если бы линии напряженности пронизывали поверхность проводника, то вектор Е имел бы составляющую, перпендикулярную поверхности проводника. Заряженные частицы двигались бы к поверхности и накапливались на ней до тех пор, пока созданное этими зарядами поле не компенсировало нормальную к поверхности проводника составляющую вектора Е. Такой процесс образования зарядов на поверхности проводника действительно происходит в первый момент после замыкания цепи. Эти заряды и создают электрическое поле внутри всего проводника.
Итак, электрическое поле в проводнике появляется в результате того, что при замыкании цепи почти сразу же на всей поверхности проводника возникает поверхностный заряд.
Процесс установления электрического поля в проводнике напоминает процесс установления течения воды в трубе. Когда поршень насоса начнет двигаться, то благодаря наличию стенок трубы жидкость сильно сжимается, и импульс давления в ней распространяется по трубе со скоростью нескольких сотен метров в секунду. Поэтому почти сразу же все частички воды в трубе приходят в движение под действием сил давления. Скорость же движения самих частичек воды невелика: несколько десятков сантиметров в секунду.Электрическое поле вне проводника. Заряды на поверхности проводника создают электрическое поле не только внутри, но и вне проводника. В отличие от внутреннего поля, это внешнее поле имеет более сложную структуру. Оно зависит от формы проводника, расположения источника тока, присутствия вблизи проводника других тел.Стационарное электрическое поле. Электрическое поле в проводнике с током создает движущиеся заряды. При постоянной силе тока электрическое поле движущихся зарядов внутри и вне проводника не меняется со временем, подобно электростатическому полю неподвижных зарядов. Такое поле называется стационарным. Поле не меняется со временем вследствие того, что поверхностная плотность зарядов, создающих это поле, остается неизменной. Заряды движутся, но на место ушедшего за время (t-t') заряда на данный участок поверхности приходит точно такой же новый заряд.
Стационарное поле, как и электростатическое, является потенциальным.
www.ronl.ru
По материалам книги "Детская энциклопедия"
Все окружающие нас предметы, растения, животные, несмотря на крайнее разнообразие, построены примерно лишь из 90 видов мельчайших частиц - атомов. Это замечательное единство природы простирается еще дальше. Все атомы, в свою очередь, построены из еще более мелких частиц, называемых элементарными. Число их видов еще меньше. В состав атома, в основном, входят электроны, протоны и нейтроны. Элементарные частицы оказывают друг на друга определенные воздействия. Существование определенных сил между элементарными частицами приводит к тому, что они объединяются в более или менее сложные системы - атомы различных видов. И, наконец, эти же силы взаимодействия вызывают сцепление, атомов друг с другом в веществах. Несмотря на удивительное разнообразие воздействий тел друг на друга в безграничных просторах Вселенной, на нашей планете в любом куске вещества, в живых организмах, в том числе и в организме человека, в атомах и, наконец, в атомных ядрах мы всегда встречаемся с проявлением сил тяготения, электрических, магнитных и ядерных. Учение об электричестве и магнетизме охватывает всю громадную совокупность явлений природы, для течения которых основную роль играют электромагнитные силы. Трудно, почти невозможно указать явление, не связанное с действием электромагнитных сил. Поэтому, изучение их имеет важнейшее значение. Силы всемирного тяготения играют решающую роль только в том случае, когда во взаимодействии участвуют тела космических масштабов. Эти силы управляют движением звезд, поддерживают стройный порядок в нашей солнечной системе. Они же вызывают притяжение всех тел на Земле к ее центру. При взаимодействии элементарных частиц, атомов, молекул, небольших масс вещества силы тяготения совершенно ничтожны, ими вполне можно пренебречь. Ядерные силы обеспечивают устойчивость атомного ядра. Посредством этих сил протоны и нейтроны объединяются в атомные ядра. С расстоянием ядерные силы очень быстро убывают. Вне атомного ядра они практически не сказываются. Электромагнитным силам в природе принадлежит необычайно широкая «арена деятельности». Ими определяется строение атома: электроны, обращающиеся вокруг атомного ядра, удерживаются около него благодаря действию электрических сил. Электромагнитные силы действуют и между отдельными атомами и молекулами. Силы, вызывающие объединение атомов в молекулы,- химические силы - также имеют электромагнитную природу. Таково же происхождение сил сцепления между атомами и молекулами, приводящих к образованию различных веществ. Правда, в этих случаях силы взаимодействия тоже довольно быстро убывают с расстоянием. На расстояниях, превышающих размеры атома в десять раз, они уже почти не сказываются. В атомном ядре между протонами (положительно заряженными частицами) действуют мощные силы электрического отталкивания. Именно они сообщают частицам большие скорости при разрушении ядер в реакторах атомной электростанции и при взрыве атомной бомбы. Наконец, к электромагнитным явлениям относятся свет, тепловое излучение и радиоволны. В повседневной жизни и в технике мы на каждом шагу встречаемся с различными проявлениями электромагнитных сил. Действительно, с какими силами мы имеем дело? В первую очередь это силы упругости. Благодаря силам упругости твердые тела сохраняют свою форму, а жидкие - свой объем. Эти же силы препятствуют уменьшению объема газа. Далее, силы трения и вязкости, которые тормозят движение тел, жидкостей и газов. Наконец, сила наших мышц. Все эти силы, несмотря на все свое различие, имеют общую электромагнитную природу. Общеизвестно и широчайшее применение электромагнитных явлений в технике: электрическое освещение, связь, электродвигатели, сложнейшие радиотехнические устройства, быстродействующие вычислительные машины и т. д. Наш век - это век электричества. Почему электромагнитные силы так широко распространены? Почему они столь разнообразны? Прежде всего дело в том, что все атомы в основном построены из электрически заряженных частиц: электронов и протонов. С другой стороны, эти силы гораздо значительнее сил тяготения и действуют на гораздо больших расстояниях, чем ядерные. Например, в атоме водорода электрическая сила взаимодействия между электроном и ядром в 1042 раз больше силы тяготения между ними. Разнообразие проявлений электромагнитных сил определяется фактом существования электрических зарядов двух типов: положительных и отрицательных. Отрицательный заряд несут на себе в основном легкие элементарные частицы - электроны, а положительный - в 1836 раз более тяжелые протоны. Величина электромагнитных сил зависит не только от расстояния между зарядами, как у сил тяготения, но и от состояния их движения, в частности от скорости. В этом заключается еще одна важная причина разнообразия в проявлении этих сил. Все электромагнитные явления можно объяснить действием сравнительно немногих общих законов. Теперь наш рассказ пойдет о самом главном. Что представляют собой основные законы электромагнитных явлений? Как удалось их открыть? Как с их помощью ученые объясняют различные явления природы? Как используют их для практических целей? Сотни томов посвящены исследованию электромагнитных явлений, и еще сотни будут написаны. Поэтому не удивительно, что многое в нашем кратком рассказе останется незатронутым.
Мы не знаем, когда люди впервые обнаружили, что тела могут быть приведены в особое состояние - наэлектризованы. Произошло это очень давно. Впервые в VI в. до н. э. описал этот факт греческий философ Фалес Милетский. По словам ученого, ткачихи заметили способность янтаря, потертого о шерсть, притягивать к себе легкие предметы, не соприкасаясь с ними. Оказывается, подобным свойством обладает не только янтарь. Если провести несколько раз гребенкой по сухим волосам, то она начнет притягивать мелкие кусочки бумаги. Тела, приведенные в такое состояние, называют наэлектризованными. В этих простейших опытах люди впервые столкнулись с явным проявлением электрических сил. Но прошло более двух тысячелетий, прежде чем началось систематическое исследование электричества и был открыт закон взаимодействия наэлектризованных тел. Странное поведение янтаря и некоторых других предметов казалось любопытным курьезом. Ничто не говорило о том, что здесь в простейшей форме выступают законы, управляющие течением большинства явлений на Земле. Сейчас мы хорошо знаем, что происходит при электризации тела. Наиболее подвижные заряженные частицы - электроны - при трении переходят с одного тела на другое. Тело, получающее избыток электронов, заряжается отрицательно, а потерявшее электроны - положительно. Закон взаимодействия заряженных тел, покоящихся относительно друг друга, был установлен Кулоном в конце XVIII в. Очевидно, что нельзя дать общий закон взаимодействия для заряженных тел произвольных размеров и формы, так как сила взаимодействия зависит от формы и взаимного расположения тел. Размеры же тел и их взаимное расположение могут быть бесконечно разнообразными. Однако опыт показывает, что если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними, то сила взаимодействия не будет зависеть от формы и размера заряженных тел. Именно для этого случая и был установлен закон, имеющий общее значение. Для исследования взаимодействия зарядов Кулоном был сконструирован специальный прибор - крутильные весы.
С помощью этого прибора можно исследовать взаимодействие маленьких заряженных шариков А и. В. Шарик В закреплен неподвижно, а шарик А с помощью коромысла К подвешен на длинной упругой нити Н. Закручивая эту нить вращением головки прибора, можно уменьшать расстояние между шариками, а по углу закручивания нити судить о величине силы взаимодействия шариков. В результате этих опытов Кулон нашел, что сила электрического взаимодействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния, т.е. уменьшается, скажем, в четыре раза при увеличении расстояния вдвое. Кроме того, эта сила зависит от величины зарядов шариков. Это можно установить так. Коснемся шарика В (или А) другим, незаряженным шариком тех же размеров. Тогда заряды распределятся поровну и, следовательно, заряд шарика В уменьшится вдвое. Опыт показывает, что и сила взаимодействия уменьшается вдвое. Повторяя подобный прием, можно убедиться, что сила пропорциональна произведению зарядов.
Как же осуществляется взаимодействие двух зарядов? Первоначально полагали, что заряды непосредственно через пустоту действуют друг на друга. Каждый заряд на расстоянии «чувствует» присутствие другого. Это была так называемая «теория дальнодействия». Если переместить заряд В, то сила, действующая на заряд А, изменится, хотя никаких изменений с зарядом А и окружающим его пространством не произошло. Такое представление явно неудовлетворительно. Изменение силы с точки зрения «теории дальнодействия», можно воспринять только как «чудо». Правда, «чудо», подчиняющееся определенному количественному закону. Величайшей заслугой английского физика Майкла Фарадея - основоположника современных представлений об электромагнетизме-было то, что он ввел совершенно новое понятие - понятие электрического поля. Согласно его идее, заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Величина электрического поля убывает по мере удаления от заряда. На заряд А действует не сам заряд В, а созданное им поле.
Теперь не удивительно, что перемещение заряда В в новое положение меняет силу, действующую на заряда. Ведь при этом меняется поле заряда В в той точке, где расположен заряд А. Действие заряда передается в пространстве от точки к точке посредством электрического поля. В этом заключается «теория близкодействия». С ее появлением «теория дальнодействия» была оставлена.
Что же такое электрическое поле? Его существование в пространстве столь же достоверно, сколь и существование самих зарядов. Электрическое поле представляет собой особое, специфическое состояние материи. Мы не можем разъяснить, что такое поле, не рассказав, из чего оно состоит: ничего более простого, чем электрическое поле, мы не знаем, подобно тому как мы не знаем ничего более простого, чем элементарные частицы. Наше представление о том, что такое электрическое поле, образуется в результате опытного исследования свойств поля. Основное его свойство заключается в способности действовать на электрический заряд с определенной силой. По величине этой силы можно судить о величине поля. Помещая один и тот же электрический заряд в различные участки электрического поля, мы замечаем, что сила, действующая на него, будет меняться. Следовательно, величина поля в различных точках пространства будет различной. Принято характеризовать величину поля силой действующей на положительный заряд, равный единице. Эта характеристика поля называется напряженностью электрического поля. Распределение электрического поля в пространстве можно считать известным, если мы знаем напряженность поля в каждой точке. В учении об электричестве понятие поля играет основную роль. После введения представления о поле центр тяжести в исследовании электромагнитных процессов сосредоточивается уже не на изучении самих зарядов, а на изучении свойств пространства между ними, заполненного электрическим полем. В каждой точке пространства поле действует на положительный заряд с некоторой силой, имеющей определенное направление. Это направление принимается за направление поля. Силовой линией называется линия, касательная к которой в каждой точке указывает направление поля.
Электрическое поле непосредственно не действует на наши органы чувств. С этим, кстати, связаны некоторые затруднения при введении представлений о поле: ведь нелегко убедиться в реальности того, что мы непосредственно не ощущаем. Однако с помощью не очень сложного опыта мы можем сделать силовые линии «видимыми». Дело в том, что твердые продолговатые частицы гипса или другого не проводящего электричество вещества поворачиваются вдоль поля, располагаясь как раз по силовым линиям. Для полного успеха опыта нужно располагать электрической машиной, способной сообщить телам достаточно большой заряд. Чтобы силы трения не мешали частицам поворачиваться вдоль поля, их нужно поместить в жидкий изолятор, например в касторовое масло… Тела между которыми изучается иоле, расположены в ванночке с прозрачным дном. Возникающая в ванночке картина распределения силовых линий проектируется на экран с помощью объектива, двух зеркал и конденсатора.
Интересно, что электрически нейтральная в целом система из двух зарядов противоположных знаков создает в окружающем пространстве электрическое поле. Правда, в этом случае поле в основном сосредоточено между зарядами. Вне пространства между зарядами электрические силы сказываются слабо. Если при этом геометрические размеры зарядов значительно меньше расстояния между ними, то такая система называется электрическим диполем. Постоянное электрическое поле обладает одним важным свойством, позволяющим ввести еще одну величину, которая характеризует поле наряду с напряженностью. Работа, которую совершают силы электрического поля при перемещении заряда из одной точки пространства в другую, не зависит от формы выбранного пути.
Такие поля называются потенциальными. Потенциальным является поле тяготения Земли. Работа, которую надо совершить, чтобы поднять тело над Землей, не зависит от формы пути подъема, а определяется только начальным и конечным положением тела над Землей - высотой подъема. Следовательно, в электрическом поле работа при перемещении данного заряда целиком определяется характером поля и положением в пространстве начальной и конечной точек пути. В свою очередь электрическое поле вполне определено, если известна работа по перемещению единичного положительного заряда между двумя любыми точками в пространстве, занятом полем. Эта работа называется разностью потенциалов или напряжением (не путать с напряженностью!). Итак, электрическое поле можно характеризовать двумя величинами: либо заданием напряженности в каждой точке пространства, либо работой по перемещению единичного заряда между двумя любыми точками-разностью потенциалов. Напряженность - функция одной точки пространства; новая величина - разность потенциалов - функция двух точек. Обе величины однозначно связаны друг с другом так же, как работа и сила в механике. Возникает естественный вопрос: зачем вводить две характеристики поля, а не довольствоваться одной напряженностью? Тем более, что характеристика поля с помощью задания силы в каждой точке гораздо яснее и нагляднее. Все дело в том, что многие электрические явления, а главным образом величина электрического тока в цепи, зависят не от напряженности поля в какой-либо одной точке, а именно от разности потенциалов между двумя точками, например на концах проводника в случае тока. При падении тела с некоторой высоты для оценки результатов падения важно знать не силу, действующую на тело в какой-либо точке, а работу, совершенную силой тяжести на пути падения. Точно так же для определения эффекта, который может вызвать электрическое поле, чаще всего нужно знать работу, которую оно может совершить при перемещении заряда, а не силу, действующую на него в некоторой точке поля. Правда, зная величину поля в каждой точке пространства, мы всегда можем вычислить работу по перемещению заряда, но знание разности потенциалов означает, что эта работа известна. Вот почему понятие разности потенциалов (или напряжения) прочно вошло не только в науку и технику, но и в обиходную жизнь. Каждый из вас знает, что напряжение в сети городского тока является главной ее характеристикой. Это напряжение определяет текущий по электрической лампочке или по обмотке трансформатора телевизора ток и, следовательно, то количество энергии, которое поступает из сети.
В электрическом отношении все тела делятся на проводники и изоляторы (диэлектрики). Те и другие в обычном состоянии электрически нейтральны. Заряд, сообщенный изолятору, не перемещается по нему, оставаясь в том месте, куда он первоначально помещен. В проводнике же заряды могут свободно перемещаться под влиянием электрического поля. (В последнее время большое значение приобрели так называемые полупроводники, но здесь мы о них говорить не будем: им посвящена специальная статья.). Такое различие в поведении вызвано особенностями строения проводников и диэлектриков. Диэлектрики состоят из отдельных нейтральных атомов или молекул. Проводники (к ним относятся все металлы) построены иначе. Атомы металла, образуя кристаллическую решетку, теряют «внешние», более удаленные от ядра и, следовательно, слабо с ним связанные электроны. Эти электроны перестают принадлежать определенным атомам и становятся «собственностью» всего куска металла в целом. Такие электроны называют «свободными», так как они могут перемещаться внутри металла. Атомы, лишенные части электронов и составляющие остов кристаллической решетки, называются ионами. Рассмотрим, например, металл литий. Атом лития имеет положительно заряженное ядро, вокруг которого совершают сложные движения три электрона. Когда литий находится в твердом состоянии, то два электрона каждого атома продолжают обращаться вокруг ядра, а третий электрон может, оторвавшись от атома, перемещаться внутри металла. Наличие свободных электронов и определяет все особенности металлов: способность хорошо проводить электрический ток, большую теплопроводность и т. д. Простой опыт позволяет выяснить, как при отсутствии электрического тока распределяется по проводнику сообщенный ему заряд. Для этого достаточно прикрепить к заряженной проволочной сетке, свернутой в виде цилиндра, тонкие полоски станиоля. Листочки, расположенные на внутренней поверхности сетки, останутся неподвижными, а прикрепленные к внешней поверхности - оттолкнутся от нее.
| Вещество | Температура перехода | Вещество | Температура перехода |
| Ртуть | 4,12 | Тантал | 4,38 |
| Свинец | 7,26 | Ниобий | 9,22 |
| Алюминий | 1,14 | Карбид ниобия | 10,1 |
| Цинк | 0,79 | Нитрид ниобия | 23,0 |
Сверхпроводники обладают также замечательными магнитными свойствами. В 1933 г. немецкий ученый Мейснер обнаружил, что при переходе в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью выталкивается из объема сверхпроводника и концентрируется в узком поверхностном слое (порядка 10-5см).
Таким образом, магнитное поле не проникает внутрь вещества, находящегося в сверхпроводящем состоянии. Магнитные силовые линии как бы обтекают сверхпроводник, не проникая в него. Более сорока лет не удавалось дать объяснение этим замечательным явлениям. В изучении явления сверхпроводимости большую роль сыграли работы Лондона, Пиппарда, Л. Д. Ландау, А. И. Шальникова и многих других ученых. Лишь в 1957 г. была создана теория сверхпроводимости. Согласно этой теории, состояние теплового движения в металле, находящемся в сверхпроводящем состоянии, существенно отличается от состояния теплового движения в обычном (несверхпроводящем) состоянии металла. Механизм электропроводности сверхпроводников иной, чем описанный выше механизм проводимости обычных металлов. Электроны в этом случае образуют с колеблющимися ионами связанную систему. Основа современной теории сверхпроводимости заложена в работах английского физика Г. Фрелиха, американских физиков Бардина, Купера, Шриффера. Зависимость сопротивления металла от температуры используется в так называемых термометрах сопротивления. Температура в этом случае определяется по величине сопротивления металлической проволоки. Достоинство термометров сопротивления состоит, в частности, в том, что они могут использоваться как при высоких, так и при очень низких температурах. Особые свойства сверхпроводников открывают широкие возможности для различных их применений.
При обычных условиях газы, в том числе и воздух, не являются проводниками. В этом легко убедиться, наблюдая за положением стрелки заряженного электрометра. Если воздух в помещении, где находится электрометр, сухой, то заряд электрометра долгое время остается неизменным. Однако воздух можно сделать проводником. Для этого его надо подвергнуть одному из следующих воздействий: нагреть, например, поднеся свечу или горелку к электрометру, облучить ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, подвергнуть действию радиоактивного излучения и т. п. При всех этих воздействиях, если, конечно, они достаточно интенсивны, электрометр быстро разряжается. Это значит, что газ при этих воздействиях становится проводником электричества. Почему же меняются электрические свойства газа при наличии указанных выше воздействий? При обычных условиях газы состоят из нейтральных атомов или молекул. Под действием высокой температуры и различных излучений из части нейтральных атомов вырываются электроны. В результате образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны. Могут образовываться также и отрицательные ионы. Появление в газе заряженных частиц и делает его проводником электричества. Процесс образования ионов и электронов в газах называется ионизацией. Все перечисленные выше факторы, вызывающие появление ионов, называются ионизаторами. Если ионизатор перестает действовать, то заряженный электрометр будет опять сохранять заряд, т. е. газ перестает быть проводником. Происходит это вследствие того, что ионы и электроны, находясь в непрерывном тепловом движении и сталкиваясь друг с другом, вновь образуют нейтральные атомы и молекулы. Этот процесс называется рекомбинацией (воссоединением) ионов. Возьмем наполненную разреженным газом стеклянную трубку с двумя металлическими электродами. Включим ее в электрическую цепь. Поднесем какой-либо ионизатор, за счет которого в газе образуется определенное число пар ионов противоположных знаков (положительно заряженный ион и электрон, положительно заряженный ион и отрицательно заряженный ион). Если разность потенциалов на электродах трубки равна нулю, то установится динамическое равновесие, при котором число вновь образующихся пар ионов будет равно числу пар ионов, исчезающих вследствие рекомбинации.
Если к электродам приложить небольшую разность потенциалов, то положительно заряженные ионы начнут перемещаться к отрицательному электроду, а отрицательно заряжение - к положительному. Вследствие этого в трубке, наполненной газом, возникнет электрический ток. Прохождение электрического тока через газ называется газовым разрядом. При этом лишь часть пар ионов, образующихся за счет ионизатора, будет рекомбинировать в объеме газа, а остальные будут нейтрализоваться на электродах. Увеличивая разность потенциалов, достигнем того, что практически все ионы нейтрализуются у электродов. При таком значении разности потенциалов ток, казалось бы, должен достигнуть максимального значения и при дальнейшем увеличении разности потенциалов оставаться неизменным.
Однако опыт показывает, что при дальнейшем увеличении разности потенциалов, начиная с некоторого значения, называемого потенциалом зажигания, ток снова возрастает.
Это значит, что в газе появляются дополнительные ионы сверх тех, которые образуются за счет ионизатора. Количество новых ионов должно быть очень большим, так как ток может возрастать в сотни и тысячи раз. Разряд при этом начинает светиться. Если теперь выключить ионизатор, то разряд не прекратятся. Это значит, что ионы теперь могут образовываться в газе без внешнего ионизатора в результате процессов, происходящих в самом разряде. Газовый разряд, который уже не нуждается во внешнем ионизаторе для своего поддержания, называется самостоятельным разрядом. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением зажигания. Как объяснить резкое увеличение тока в разряде при потенциалах, больших потенциала зажигания? Рассмотрим какую-либо пару ионов (положительный ион и электрон), которая образовалась за счет внешнего ионизатора. Появившийся таким образом свободный электрон начинает двигаться к положительному электроду. На своем пути он встречает ионы и нейтральные атомы. В промежутках между двумя последовательными столкновениями его энергия увеличивается за счет приложенной разности потенциалов. При столкновении с ионом или атомом электрон передает им часть своей энергии. Если разность потенциалов достаточно велика, то кинетическая энергия электрона становится настолько большой, что при столкновении с нейтральным атомом он может произвести его ионизацию. Полученные таким путем два электрона в свою очередь будут ускоряться и ионизировать встречные атомы. Таким образом, при потенциалах, больших потенциала зажигания, число ионов в газе начинает быстро нарастать и уже не за счет внешнего ионизатора, а вследствие процессов, происходящих в самом разряде. Возможны другие способы образования ионов в газе, которые также приводят к развитию самостоятельного разряда. В зависимости от характера самостоятельного разряда и способа образования в нем ионов различают тлеющий, дуговой, искровой, коронный и другие разряды. Тлеющий разряд обычно наблюдается при давлениях в несколько десятков миллиметров ртутного столба и более низких. Но в специальных условиях удается получить тлеющий разряд и при более высоких давлениях. В тлеющем разряде положительные ионы, которые образуются электронными ударами в газе, при своем движении к катоду приобретают большую энергию. При ударах таких быстрых ионов о катод происходит выбивание электронов из металла (вторичная электронная эмиссия). Эти два процесса (ионизация электронным ударом и вторичная электронная эмиссия на катоде) и являются основными в тлеющем разряде.
Рассмотрим некоторые применения тлеющего разряда. Тлеющий разряд используется в ряде приборов: выпрямителях тлеющего разряда, преобразующих переменный ток в постоянный, в тлеющих стабилизаторах напряжения - стабиловольтах, поддерживающих постоянное электрическое напряжение. Тлеющий разряд возникает при зажигании сигнальных неоновых лампочек, в лампах дневного света и в рекламных трубках. Так, в лампах дневного света тлеющий разряд обычно происходит в парах ртути. Излучение паров ртути, которое, в основном, приходится на фиолетовую и ультрафиолетовую области спектра, поглощается слоем специального вещества (люминофора), нанесенного на поверхность трубки. Эти вещества подбирают так, чтобы они, поглощая фиолетовые и ультрафиолетовые лучи, излучали свет, состав которого был бы близок к солнечному. В трубках, применяемых для реклам, обычно используется тлеющий разряд в неоне (красное свечение) и в аргоне (синевато-зеленое свечение). Большое практическое значение имеет другая форма самостоятельного разряда - дуговой разряд, который впервые был осуществлен русским академиком В. В. Петровым в 1802 г. Дуговой разряд можно получить, увеличивая в тлеющем разряде величину тока и уменьшая внешнее сопротивление.
Наиболее просто дуговой разряд получается путем раздвижения угольных электродов. При этом из-за увеличения сопротивления между электродами резко увеличивается температура, воздух ионизируется и начинается разряд. Температура кратера дуги (углубления, образующегося на положительном электроде) при атмосферном давлении достигает 4000°С, а при давлении 20 атм. превышает 7000°С. Чтобы представить себе, сколь велика эта температура, можно сравнить ее с температурой поверхности Солнца - фотосферы,- равной примерно 6000°С. Высокая электропроводность газа в дуговом разряде обеспечивается большим числом электронов, вылетающих из катода. Вылет большого числа электронов из катода обусловлен его высокой температурой. При этом происходит процесс термоэлектронной эмиссии. Электрическая дуга является мощным источником света и используется в прожекторах, проекционных и киноаппаратах. В настоящее время в качестве источников света используются дуговые лампы, в которых дуговой разряд происходит при высоком давлении. Дуговой разряд используется для сварки и резки металлов. В металлургии широко используются электропечи, в которых источников теплоты является электрическая дуга. Дуговой разряд низкого давления с ртутным катодом в парах ртути используется в ртутных выпрямителях переменного тока. Отличительная черта ртутных выпрямителей - малое внутреннее сопротивление. Ими пользуются для выпрямления переменных токов большой величины (сотни ампер). Ртутный дуговой разряд применяется в медицине в качестве источника ультрафиолетовых лучей. Большой интерес представляет искровой разряд. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся от тонкого канала полосок. Они быстро пронизывают разрядный промежуток, гаснут, затем возникают вновь. Для возникновения электрической искры необходимо, чтобы напряженность электрического поля в газе превышала некоторое критическое значение. Для воздуха при атмосферном давлении оно равняется примерно 30 000 в/см; с ростом давления его величина увеличивается. Примером гигантского искрового разряда I является молния. Молнии возникают или между облаками, или между облаком и землей. Величина тока в молнии достигает полумиллиона ампер, а напряжение между облаком и землей - миллиарда вольт. Отдельные разряды молнии очень кратковременны, всего лишь около одной миллионной доли секунды. При образовании искрового разряда наряду с образованием ионов при столкновениях существенную роль играет также ионизация за счет излучения самой искры, температура газа в канале которой может превышать 100 000°С. Степень ионизации в канале искры близка к 100%. Отметим еще очень красивое и своеобразное явление - шаровую молнию - яркое светящееся образование, которое сравнительно медленно перемещается в воздухе. Размеры шаровых молний могут быть различны. Чаще всего наблюдаются молнии диаметром 10-20 см, но иногда они достигают десятков метров в диаметре. Продолжительность существования шаровой молнии различна: от долей секунды до нескольких минут. Исчезает она внезапно, взрываясь и причиняя при этом иногда значительные разрушения. Попытки разгадать природу шаровой молнии и получить ее в лаборатории пока еще не увенчались полным успехом. Наблюдения показывают, что на земном шаре за сутки происходит более сорока тысяч гроз, а среднее число ударов молний в секунду около двух тысяч. Для защиты различных сооружений от разрушения при ударе молнии применяются молниеотводы.
На верхушках деревьев, корабельных мачт и других выступающих предметов иногда появляется свечение. В старину оно вызывало суеверный ужас у мореплавателей. Его называли «огнями святого Эльма». Это свечение представляет одну из разновидностей коронного разряда. Опытным путем коронный разряд получают на электродах из тонкой проволоки или с заостренными выступающими частями. Около выступающих частей напряженность поля может достигать очень больших значений. Если она превышает критическое значение (около 30 000 в/аи при атмосферном давлении), то воздух вблизи электрода ионизируется и происходит разряд. Светящаяся область разряда, сосредоточенная около выступающих частей, в некоторых случаях напоминает корону. Коронный разряд может возникнуть на выступающих частях или в проводах линий высокого напряжения, что приводит к значительным потерям электроэнергии. Уменьшают возможность возникновения коронного разряда, увеличивая диаметр проводов.
Жидкости, как и твердые тела, могут быть и диэлектриками, и проводниками. К числу жидких диэлектриков относятся, например, дистиллированная вода, керосин, различные масла. Проводящие жидкости различаются по механизму переноса электрических зарядов. Так, например, в ртути и расплавленных металлах (медь, серебро и т. д.) перенос зарядов осуществляется, как и в твердых металлах, свободными электронами. Однако существует очень большое число жидкостей с совершенно иным механизмом электропроводности. К числу таких жидкостей относятся растворы солей, кислот, щелочей, расплавленные соли - это так называемые электролиты. В чем же их особенности и каким образом происходит в них перенос электрического заряда? Возьмем раствор поваренной соли NaCl в воде Часть молекул в нем распадается на положительно и отрицательно заряженные ионы Na+, Cl-. Такое разложение молекул в растворе на ионы называется электролитической диссоциацией. Степень диссоциации, т. е. доля молекул растворенного вещества, которые распадаются на ионы, зависит от температуры, концентрации раствора и природы растворителя. Ионы разных знаков, встречаясь, могут вновь воссоединяться в нейтральные молекулы. При заданных условиях в растворе устанавливается динамическое равновесие, при котором число молекул, распадающихся на ионы в единицу времени, равно числу пар ионов, которые в единицу времени вновь воссоединяются в нейтральные молекулы. Если включить сосуд с электролитом в электрическую цепь, то отрицательные ионы придут в движение по направлению к положительному электроду, а положительные - к отрицательному. Появится электрический ток. При этом произойдет электролиз - выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита.
Электролиз широко применяется в технике. Для того чтобы покрыть, например, детали велосипеда тонким слоем никеля или хрома для предохранения от ржавления, их помещают в раствор солей этих металлов в качестве катода. Анод делают из металла, которым хотят покрыть деталь. Если пропускать ток через раствор, то металлический анод будет растворяться, а на катоде будет выделяться металл в виде тонкой пленки. Такой способ покрытия называется гальваностегией. Электролизом пользуются также для получения металлических отпечатков с рельефных предметов (медалей, монет, барельефов и т. д.). Для этого сначала получают на доске или стеарине отпечаток предмета. Затем, чтобы сделать отпечаток электропроводящим его покрывают графитом. После этого его помещают в раствор в качестве катода и осаждают на нем тот или иной металл. Таким образом получают металлическую копию предмета. При помощи электролиза получают алюминий. Электролизом пользуются для получения чистых металлов (рафинирование меди).
bukvasha.ru
Реферат
по дисциплине электротехника
тема: «Электрическое поле»
Выполнил:
Секин Д.А.
Проверил: преподаватель
Торпищин А.А.
Электрическое поле — особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.
Электрическое поле можно рассматривать как математическую модель, описывающую значение величины напряжённости электрического поля в данной точке пространства Дуглас Джанколи писал так: «Следует подчеркнуть, что поле не является некой разновидностью вещества; правильнее сказать, это чрезвычайно полезная концепция… Вопрос о „реальности“ и существовании электрического поля на самом деле — это философский, скорее даже метафизический вопрос. В физике представление о поле оказалось чрезвычайно полезным — это одно из величайших достижений человеческого разума».
В классической физике, применимой при рассмотрении крупномасштабных (больше размера атома) взаимодействий электрическое поле рассматривается как одна из составляющих единого электромагнитного поля и проявление электромагнитного взаимодействия. В квантовой электродинамике — это компонент электрослабого взаимодействия.
Эффект полязаключается в том, что при воздействии электрического поля на поверхность электропроводящей среды в её приповерхностном слое изменяется концентрация свободных носителей заряда. Этот эффект лежит в основе работы полевых транзисторов.
Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные (относительно наблюдателя) электрически заряженные тела или частицы. Если заряженное тело фиксировано в пространстве, то оно под действием силы не ускоряется. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле (вторая составляющая силы Лоренца).
Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряженность электрического поля. Обозначается буквойEи находится по формуле:
Напряженностью электрического поля называют векторную физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд. В Международной системе единиц (СИ) напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр:в/м.
Напряженность электрического поля как любая механическая сила характеризуется как численным значением, так и направлением в пространстве (рис. 1), т. е. является векторной величиной.
Она изображается на чертеже отрезком, длина которого в определенном масштабе выражает числовое значение величиныE., а стрелка указывает ее направление.
Рис. 1 Напряженность электрического поля в точкеА
Если в формуле Кулона один из зарядов принять равным единице, то мы получим силу, действующую на единицу заряда, т. е. напряженность электрического поля
На рис. 2аграфически показана напряженность электрического поля в точках А и В, удаленных на расстояние r1и r2от положительного заряда q, помещенного в какой-либо среде.
а) б)
Рис 2 Напряженность электрического поля в разных точках пространства
Как видно из чертежа, напряженность поля достаточно малого (точечного) положительного заряда направлена от заряда вдоль радиуса. Напряженность поля в точках А и В, разноудаленных от заряда q, различна и убывает по мере удаления от заряда q обратно пропорционально квадрату расстояния. На рис. 2бграфически показана напряженность электрического поля в точках А и В, удаленных на расстояние r1и r2от одиночного отрицательного заряда—q, находящегося в какой-либо среде. Напряженность поля в этом случае направлена вдоль радиуса к заряду.
Рассмотрим теперь, чему равна напряженность поля, созданного двумя электрическими зарядами +q1и -q2в некоторой точке А (рис. 3).
Рис. 3 Определение напряженности поля, образованного двумя зарядами
Если убрать заряд —q2, то напряженность поля в точке А, созданная зарядом +q2, будет E1, Наоборот, если убрать заряд +q1. то напряженность поля в точке А, созданная зарядом —q2, будет E2. Так как напряженности E1и E2направлены под углом одна к другой, то для получения результирующей напряженности поля E от совместного действия зарядов +q1и —q2необходимо напряженности E1и E2сложить по правилу параллелограмма. Тем же способом можно вычислить и построить напряженность в любой точке поля при любом числе электрических зарядов.
Положительный электрический заряд, внесенный в поле положительно заряженного тела шарообразной формы, будет отталкиваться по прямой линии, являющейся продолжением радиуса заряженного тела.
Помещая электрический заряд в различные точки поля заряженного шара и отмечая траектории движения заряда под действием его электрических сил, мы получим ряд радиальных прямых, расходящихся от шара во все стороны. Эти воображаемые линии, по которым стремится двигаться положительный, лишенный инерции заряд, внесенный в электрическое поле, как было указано выше, называются электрическими силовыми линиями. Ясно, что в электрическом поле можно провести любое число силовых линий. С помощью силовых линий можно графически изобразить не только направление, но и величину напряженности электрического поля в данной точке. Если условиться проводить силовые линии так, чтобы через квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной к этим линиям в данной точке поля, проходило такое их количество, которое было бы равно напряженности поля в этой точке, то этот графический прием позволит нам судить о величине напряженности в данной точке поля по густоте силовых линий.
На рис. 4адано электрическое поле положительно заряженного шара, удаленного от других зарядов, а на рис. 4бдано поле отрицательно заряженного шара.
а) б)
Рис 4 Силовые линииа)положительно иб)отрицательно заряженного шара
Рассмотрим более сложное электрическое поле между двумя разноименными точечными зарядами (рис. 5а). Возьмем точку А и построим для нее вектор напряженности с учетом одновременного действия двух заряженных тел.
а)
б)
в)
Рис.5 Направление поля в различных точках пространства
На конце вектора напряженности E1ставим точкуБи строим вектор напряжения в этой точке. В точкеВ, установленной на конце вектора напряженности E2строим вектор напряженности и т. д. Ломаная линия АБВГД показывает направление электрического поля в точках А, Б, В, Г и Д. При большем числе промежуточных точек (рис. 5б) ломаная линия, соединяющая эти точки, будет точнее передавать направления поля.
Точное представление о направлении поля даст линия с бесконечно большим числом этих точек на ней. При этом ломаная линия переходит в некоторую плавную кривую (рис. 5в). Направление поля в данной точке совпадает с вектором напряженности и может быть указано направлением касательной к силовой линии в этой же точке.
На рис. 6адано изображение электрического поля двух физически точечных разноименных зарядов, а на рис. 6б— двух одноименных зарядов.
а) б)
Рис. 6 Электрические поля двух разноименных(а) и двух одноименных(б)
Электрическое поле, напряженность которого в разных точках пространства одинакова по величине и по направлению, называется однородным, или равномерным. Практически однородное поле получается между большими параллельными пластинами (рис. 7).
Рис 7 Однородное электрическое поле
Однородное электрическое поле изображается параллельными линиями, расположенными на одинаковых расстояниях одна от другой.
Так как одноименные заряды взаимно отталкиваются, то электрический заряд сосредоточивается только на внешней поверхности проводника. Количество электричества, приходящееся на единицу поверхности заряженного тела, называется поверхностной плотностью электрического заряда. Величина плотности электрического заряда зависит от количества электричества на теле, а также от формы поверхности проводника. На телах правильной формы (шар, очень длинные проводники круглого сечения) электрический заряд распределяется равномерно. Поэтому поверхностная плотность электрического заряда во всех точках поверхности таких тел будет одинакова.
На проводниках неправильной формы заряд распределяется неравномерно. Большая плотность электричества будет на выступах, выпуклостях, меньшая — во впадинах, углублениях.
Особенно велика плотность электричества на остриях. Поэтому части заряда, находящиеся на острие тела неправильной формы, будут испытывать силы отталкивания, стремящиеся удалить эти части заряда с поверхности тела. Большая часть заряда, скопившаяся на острие проводника, может образовать в этом месте сильное электрическое поле, под влиянием которого воздух (или другой диэлектрик) будет ионизирован и станет проводящим. В этом случае электрический заряд, как говорят, начинает стекать с острия. Во избежание этого в электротехнике высоких напряжений на проводниках тщательно устраняют острые углы, концы, выступы.
Для того, чтобы создать электрическое поле, необходимо создать электрический заряд. Натрите какой-нибудь диэлектрик о шерсть или что-нибудь подобное, например, пластиковую ручку о собственные чистые волосы. На ручке создастся заряд, а вокруг — электрическое поле. Заряженная ручка будет притягивать к себе мелкие обрывки бумаги. Если натирать о шерсть предмет большей ширины, например, резиновую ленту, то в темноте можно будет видеть мелкие искры, возникающие вследствие электрических разрядов.
Электрическое поле часто возникает возле телевизионного экрана при включении или выключении телеприёмника. Это поле можно почувствовать по его действию на волоски на руках или лице.
Из опытов, приводимых в электростатике, известно, что избыточные заряды привнесённые в проводник извне, перемещаются к поверхности проводника и остаются у поверхности проводника. Само перемещение избыточных зарядов к поверхности проводника свидетельствует о наличии электрического поля внутри проводника в период перемещения к поверхности проводника.
Некоторые авторы признают наличие электрического поля внутри проводника в период перемещения зарядов к поверхности, но считают, что после периода перемещения избыточных зарядов к поверхности электрического поля нет. Если бы это было так, то избыточные заряды находились бы в состоянии безразличного равновесия и беспорядочно перемещались бы по всему объёму проводника подобно броуновскому движению молекул, но этого не происходит.
Литература
1. И.А. Данилов, П.М. ИвановОбщая Электротехника с основами электроники – Москва «Высшая Школа» 2000
2. Я.П. Терлицкий, Ю.П. Рыбаков
ЭлектроДинамика - Москва «Высшая школа» 1982
3. Л.А. Бессонов
Теоритеческие основы электротехники.Электромагнитное поле Москва «Гардарики» 2001
superbotanik.net
