Jak se určuje síla elektrického pole ve vodiči?

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

Elektrické pole

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

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

Síla elektrického pole

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

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

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

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

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

Dielektrika v elektrickém poli

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

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

Polární a nepolární dielektrika

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

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

Vodiče v elektrickém poli

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

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

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

Elektrická kapacita a kondenzátor

Elektrická kapacita – kvantitativní měření schopnosti vodiče udržet náboj.

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

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

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

Elektrický proud

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

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

Působení elektrického proudu: tepelné, chemické, magnetické.

Směr elektrického proudu: od + do –

Usměrněný pohyb nabitých částic

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

Silový vliv na sousední body a zmagnetizovaná tělesa.

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

Síla proudu

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

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

Elektromotorická síla

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

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

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

Sériové a paralelní zapojení vodičů

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

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

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

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

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

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

Připojení proudových zdrojů

Připojení proudových zdrojů

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

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

Definice a vzorec intenzity elektrického pole

Vektor napětí $bar$ je silová charakteristika elektrického pole. V určitém bodě pole je intenzita rovna síle, kterou pole působí na jednotkový kladný náboj umístěný v určeném bodě, přičemž směr síly a intenzita se shodují. Matematická definice napětí je napsána takto:

kde $bar$ je síla, kterou elektrické pole působí na stacionární, „zkušební“ bodový náboj q, který je umístěn v uvažovaném bodě pole. V tomto případě se má za to, že „testovací“ náboj je dostatečně malý, aby nezkreslil studovaný obor.

Pokud je pole elektrostatické, pak jeho síla nezávisí na čase.

Pokud je elektrické pole rovnoměrné, pak je jeho síla ve všech bodech pole stejná.

Elektrická pole lze znázornit graficky pomocí siločar. Siločáry (tahové čáry) jsou čáry, jejichž tečny se v každém bodě shodují se směrem vektoru napětí v tomto bodě pole.

Princip superpozice sil elektrického pole

Pokud je pole tvořeno několika elektrickými poli, pak je síla výsledného pole rovna vektorovému součtu sil jednotlivých polí:

Předpokládejme, že pole je tvořeno soustavou bodových nábojů a jejich rozložení je spojité, pak výslednou intenzitu zjistíme jako:

integrace v expresi (3) se provádí přes celou oblast distribuce náboje.

Síla pole v dielektriku

Síla pole $bar$ v dielektriku se rovná vektorovému součtu sil pole vytvořených volnými náboji $bar_0$ a vázanými (polarizačními náboji) $bar_p$:

V případě, že látka, která obklopuje volné náboje je homogenní a izotropní dielektrikum, je intenzita $bar$ rovna:

kde $varepsilon$ je relativní dielektrická konstanta látky ve studovaném bodě pole. Výraz (5) znamená, že pro dané rozložení náboje je síla elektrostatického pole v homogenním izotropním dielektriku $varepsilon$ krát menší než ve vakuu.

Síla pole bodového náboje

Síla pole bodového náboje q se rovná:

kde $varepsilon_=8,85 cdot 10^$ F/m (systém SI) je elektrická konstanta.

Vztah mezi napětím a potenciálem

Obecně platí, že síla elektrického pole souvisí s potenciálem jako:

kde $varphi$ je skalární potenciál, $bar$ je vektorový potenciál.

Pro stacionární pole se výraz (7) převede na vzorec:

Jednotky intenzity elektrického pole

Základní jednotkou měření intenzity elektrického pole v soustavě SI je: [E]=V/m(N/C)

Příklady řešení problémů

Cvičení. Jaká je velikost vektoru intenzity elektrického pole $bar$ v bodě, který je určen poloměrovým vektorem $bar_=7 bar+3 bar$ (v metrech), pokud elektrické pole vytváří kladný bodový náboj (q=1C ), který leží v rovině XOY a jeho poloha je určena vektorem poloměru $bar_=bar-5 bar$, (v metrech)?

Řešení. Modul napětí elektrostatického pole, které vytváří bodový náboj, je určen vzorcem:

r je vzdálenost od náboje vytvářejícího pole k bodu, ve kterém pole hledáme.

Ze vzorce (1.2) vyplývá, že modul $bar$ se rovná:

Dosazením počátečních dat a výsledné vzdálenosti r do (1.1) máme:

Odpovědět. $E=9 cdot 10^left(fracright)$

výstraha: file_put_contents(./students_count.txt): nepodařilo se otevřít stream: Povolení odepřeno v /var/www/webmath-q2ws/data/www/webmath.ru/poleznoe/guide_content_banner.php on-line 20

ověření autoři jsou připraveni pomoci při psaní práce jakékoli složitosti

Pomohli jsme již 4 473 žákům a studentům úspěšně zvládnout úkoly od řešení problémů až po diplomové práce! Zjistěte cenu své práce za 15 minut!

Cvičení. Zapište výraz pro intenzitu pole v bodě určeném poloměrovým vektorem $bar$, pokud je pole tvořeno nábojem, který je rozložen po objemu V s hustotou $rho=rho(r)$.

Řešení. Udělejme nákres.

Rozdělme objem V na malé oblasti s objemy $Delta V_$ náboje těchto objemů $Delta q_$, pak intenzita pole bodového náboje v bodě A (obr. 1) bude rovna:

Abychom našli pole, které tvoří celé tělo v bodě A, použijeme princip superpozice:

kde N je počet elementárních objemů, na které je objem V rozdělen.

Hustotu rozložení náboje lze vyjádřit jako:

Z výrazu (2.3) dostaneme:

$Delta q_=pravý levý (bar_vpravo) Delta V_(2.4)$

Dosazením výrazu pro elementární náboj do vzorce (2.2) máme:

Protože distribuce náboje je dána jako spojitá, pak pokud $Delta V_i$ má tendenci k nule, můžeme přejít od součtu k integraci, pak: