Файл: Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов].pdf

(за исключением искривленных линий у края пластин). Такое электри­ ческое поле называют р а в н о м е р н ы м. В дальнейшем изложе­ нии будем рассматривать в основном равномерные электрические поля.

§ 1.3. Основные параметры электрического поля

Основными параметрами (показателями), характеризующими элек­ трическое поле, являются напряженность, потенциал и напряжение.

Напряженность электрического поля

Электрическое поле в разных его точках с различной силой воздей­ ствует на один и тот же заряд -rq0. В связи с этим интенсивность электрического поля в той или иной точке характеризуется отно­ сительной величиной силы воздействия, приходящейся на единицу за­ ряда. Она называется н а п р я ж е н н о с т ь ю п о л я и обозна­ чается 6 } кеой Е. Из определения вытекает, что

где Е — напряженность.электрического поля, В/м, F — электрическая сила, Н; q — электрический заряд, Кл.

Следовательно, напряженность электрического поля равна единице в такой его точке, где на заряд, равный одному кулону, действует си­ ла, равная одному ньютону. Однако в качестве единицы измерения на­ пряженности принята несколько иная величина: 1 В/м. Путем неслож­ ных преобразований* можно показать, что 1 Н/Кл (ньютон на кулон) равен 1 вольту на метр.

Напряженность поля также векторная величина; его направление в любой точке поля совпадает с направлением вектора электрической силы поля.

Одной из существенных особенностей равномерного электрическо­ го поля является то, что вектор напряженности во всех точках поля одинаков по величине и направлению (иными словами, во всех точках равномерного поля напряженность одна и та же).

Потенциал

Слово «потенциал» можно-перевести, как «способность к действию». Из курса физики известно понятие потенциальной энергии. Напри­ мер, груз весом GH (ньютонов), поднятый на высоту hv м над какимлибо нулевым уровнем, обладает потенциальной энергией, равной С/?, Н • м, и л и , что то же, — С/г,Дж (джоулей.) При опускании этого

9

груза на более низкий уровень й2 за счет его потенциальной энергии будет совершена работа, равная G (hl — hz) Дж; а если груз опустится до нулевого уровня, то работа силы тяжести окажется равной: G (Ih — 0) = Gh1Дж. При этом величина работы не зависит от того, по какому пути опускается груз (вертикально или как-либо иначе).

Для электрического поля имеются аналогичные соотношения. Электрический положительный заряд +<70. помещенный в одной из

точек электрического поля — назовем ее точкой 1, обладает потенци­ альной энергией, равной величине заряда в кулонах (Кл), помноженной на показатель уровня электрического поля в данной точке, носящий название э л е к т р и ч е с к о г о п о т е н ц и а л а (или просто потенциала) точки 1 поля. Потенцил обозначается буквой ф (греческая

При этом отсчет величины потенциала ф} производится от какоголибо условного нулевого уровня. В электротехнике принято за нуле­ вой уровень потенциала принимать поверхность земли.

Если под действием силы поля заряд + ^ 0 переместится в точку 2 по­

При этом равенство (1.5) остается справедливым независимо от того, по какому пути заряд +<?,, перемещается из точки 1 в точку 2.

Если же заряд Н—^7о нод действием тех же сил переместится на

Из равенства (1.7) вытекает следующее определение электрическо­ го потенциала: потенциалом той или иной точки электрического поля называется отношение работы электрических сил по переноси положи­

тельного электрического заряда из этой точки на землю к величине дан­ ного заряда.

Вместе с тем возможно и такое, очень простое представление об элек­ трическом потенциале. Потенциал той или иной точки в электрическом поле, а следовательно, и заряженных электрических частиц или физи­ ческого тела, находящихся в данной точке, представляет собой некого-

Е £ т „ ,Т КТрИГ СКИЙ Уровень' на котором находится данная точка, частица или физическое -тело по отношению к земле (земля имеет по­

тенциал, равный нулю).

_ Сле^ т иметь в ВИДУ> что потенциал может иметь как положитель­ ное, так и отрицательное значение (т. е. может быть +ф и —ф).

10

Напряжение

Разность потенциалов срг — <р2, входящая в равенство (1.5), называ­ ется напряжением между точками 1 и 2 (к которым относятся потенци­ алы и ф2. Напряжение обозначается латинской буквой U («у» про­ писное) и измеряется, так же как и потенциал, в вольтах (В). Можно записать:

Отсюда равенство (1.5) может быть переписано в следующем виде

Таким образом, работа электрических сил по перемещению положи­ тельного заряда -\-q0 из точки 1 в точку 2 электрического поля равна произведению величины заряда на напряжение между этими точками. При измерении заряда в кулонах (Кл), а напряжения в вольтах (В) работа выразится в джоулях (Дж).

Напряжение, а также величина потенциала какой-либо точки элек­ тротехнического устройства относительно земли измеряется прибором, называемым вольтметром.

Между напряженностью поля и напряжением (разность потенци­ алов) существует определенная связь. А именно, в равномерном поле напряженность численно равна напряжению между двумя точками, лежащими на одной силовой линии, деленному на расстояние между ними.

Кроме рассмотренных в настоящем параграфе трех основных пока­ зателей электрического поля: напряженности, потенциала и напряже­ ния — имеются еще и другие его параметры (например, электрическое смещение D, поляризованность Р). Они рассматриваются при более глубоком изучении вопросов электрического поля в курсе «Теоре­ тические основы электротехники».

§ 1.4. Электропроводность. Проводники, диэлектрики и полупроводники

Электропроводност ь

Электрическое поле воздействует на находящиеся в нем электри­ ческие заряды, а следовательно, и на элементарные частицы, несущие эти заряды. Под действием электрических сил поля частицы, несущие положительный заряд, стремятся двигаться по направлению сил поля, несущие же отрицательный заряд — в противоположнуюсторону.

Упорядоченное, направленное движение элементарных материаль­ ных частиц, несущих электрические заряды, в том или ином веществе, или в вакууме называется электрическим током.

Э л е к т р о п р о в о д н о с т ь ю того или иного вещества назы­ вают его способность проводить (пропускать) электрический ток. Для того чтобы уяснить физическую сущность электропроводности, необхо-

11

димо вспомнить известные из курса физики основные сведения о строе­

нии атома.

По современным воззрениям атом любого вещества (элемента) со­ стоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг элек­ тронов, составляющих электронную оболочку атома.

Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительно­ му заряду ядра, так что атом в обычном состоянии — нейтрален. Элек­ троны, находящиеся на наиболее удаленной от ядра орбите и потому меньше связанные с ядром, называются в а л е н т н ы м и .

Под влиянием сил взаимодействия между атомами или под воздей­ ствием внешних сил (например, повышения температуры) отдельные электроны из числа валентных могут разрушить связь со своими ато­ мами, присоединиться к соседнему атому, либо стать свободными, не связанными с тем или иным атомом.

Атомы, потерявшие электрон, а также молекулы, в состав которых входят такие атомы, получают тем самым положительный заряд и на­ зываются положительными ионами. Атомы и молекулы, присоединив­ шие дополнительные электроны и, следовательно, получившшие от­ рицательный заряд, носят название отрицательных ионов.

Свободные электроны свободно — в беспорядочном, хаотичном дви­ жении перемещаются между атомами, и, являясь носителями электри­ ческих зарядов, определяют электрическую проводимость данного вещества: чем больше свободных электронов в веществе (как принято говорить: чем выше их концентрация), тем выше его электропровод­ ность. В газообразных и жидких веществах электропроводность опре­ деляется также наличием положительных и отрицательных ионов: чем больше ионов, тем выше электропроводность.

В отношении электропроводности все вещества твердые, жидкие и газообразные подразделяются на три группы: проводники, диэлектри­ ки (изоляторы) и полупроводники.

Проводники, диэлектрики и полупроводники

Проводники — вещества, обладающие высокой электропровод­ ностью. К ним относятся металлы, уголь, графит и электролиты: вод­ ные растворы кислот, щелочей и солей, а также соли в расплавленном состоянии. В металлах — проводниках количество свободных электро­ нов очень велико—примерно равно числу атомов в них. Этим и объяс­ няется высокая электропроводность металлов. В электролитах под дей­ ствием растворителя происходит процесс распада молекул вещества на положительные и отрицательные ионы. От степени концентрации этих попов зависит электропроводность того или иного электролита.

Диэлектрики — вещества, обладающие весьма малой электропро­ водностью (в обычных условиях практически вообще не проводящие электрический ток). К ним относятся такие материалы, как стекло, фарфор, слюда, резина, многие пластмассы, минеральные и раститель­

12