Электрическое поле это. Электрическое поле и его характеристики: напряженность, потенциал, напряжение

Что такое электрическое поле. Как характеризуется электрическое поле. Что такое напряженность электрического поля. Как определяется электрический потенциал. Чем отличается напряжение от потенциала.

Что такое электрическое поле и как оно возникает

Электрическое поле — это особый вид материи, существующий вокруг электрически заряженных тел и частиц. Оно возникает в пространстве вокруг электрических зарядов и создает силовое воздействие на другие заряженные тела и частицы.

Основные свойства электрического поля:

• Порождается электрическими зарядами
• Обнаруживается по действию на заряженные тела
• Действует на заряды с определенной силой
• Невидимо, но может быть обнаружено с помощью специальных приборов

Электрическое поле возникает в следующих случаях:

1. Вокруг неподвижных электрических зарядов (электростатическое поле)
2. Вокруг движущихся электрических зарядов (электродинамическое поле)
3. При изменении магнитного поля во времени

Основные характеристики электрического поля

Электрическое поле характеризуется следующими основными физическими величинами:

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля — это силовая характеристика, показывающая, с какой силой поле действует на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля. Напряженность обозначается буквой E и измеряется в вольтах на метр (В/м).

Напряженность электрического поля определяется по формуле:

E = F / q

где F — сила, действующая на заряд q, помещенный в данную точку поля.

Электрический потенциал

Электрический потенциал — это энергетическая характеристика электрического поля, показывающая работу, которую совершает поле при перемещении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность. Потенциал обозначается буквой φ (фи) и измеряется в вольтах (В).

Потенциал определяется по формуле:

φ = W / q

где W — потенциальная энергия заряда q в данной точке поля.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение — это разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Напряжение обозначается буквой U и измеряется в вольтах (В).

Напряжение определяется по формуле:

U = φ1 — φ2

где φ1 и φ2 — потенциалы двух точек поля.

Как визуализировать электрическое поле

Электрическое поле можно наглядно представить с помощью силовых линий. Силовые линии электрического поля — это воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности поля.

Основные свойства силовых линий электрического поля:

• Начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных
• Никогда не пересекаются
• Густота силовых линий характеризует напряженность поля

С помощью силовых линий можно наглядно изобразить электрические поля различных заряженных тел и систем зарядов.

Закон Кулона для взаимодействия точечных зарядов

Взаимодействие неподвижных точечных электрических зарядов описывается законом Кулона, который был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 году.

Закон Кулона гласит: сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Математическая запись закона Кулона:

F = k * |q1| * |q2| / r^2

где:

• F — сила взаимодействия зарядов
• k — коэффициент пропорциональности
• q1 и q2 — величины взаимодействующих зарядов
• r — расстояние между зарядами

Коэффициент k в системе СИ равен 9*10^9 Н*м^2/Кл^2.

Принцип суперпозиции электрических полей

Принцип суперпозиции электрических полей гласит: напряженность электрического поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из зарядов в отдельности.

Математически это можно записать так:

E = E1 + E2 + E3 + … + En

где E1, E2, E3, …, En — напряженности полей отдельных зарядов.

Принцип суперпозиции позволяет рассчитывать характеристики сложных электрических полей, создаваемых системами точечных зарядов или заряженных тел.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

В зависимости от поведения в электрическом поле вещества делятся на проводники и диэлектрики:

Проводники в электрическом поле

Проводники — это вещества, хорошо проводящие электрический ток. В проводниках имеются свободные заряженные частицы (электроны), которые могут свободно перемещаться под действием электрического поля.

Основные свойства проводников в электростатическом поле:

• Внутри проводника электрическое поле отсутствует
• Весь свободный заряд распределяется по поверхности проводника
• Поверхность проводника является эквипотенциальной

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрики (изоляторы) — это вещества, плохо проводящие электрический ток. В диэлектриках нет свободных заряженных частиц.

Основные свойства диэлектриков в электростатическом поле:

• Происходит поляризация диэлектрика — смещение связанных зарядов
• Напряженность поля внутри диэлектрика уменьшается
• Возникает поверхностный связанный заряд

Количественно влияние диэлектрика на электрическое поле характеризуется диэлектрической проницаемостью ε.

Электроемкость. Конденсаторы

Электрическая емкость — это физическая величина, характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд. Емкость обозначается буквой C и измеряется в фарадах (Ф).

Емкость проводника определяется по формуле:

C = q / U

где q — заряд проводника, U — его потенциал относительно земли.

Конденсатор — это устройство для накопления электрического заряда, состоящее из двух проводников, разделенных диэлектриком.

Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:

C = ε * ε0 * S / d

где:

• ε — диэлектрическая проницаемость среды между обкладками
• ε0 — электрическая постоянная
• S — площадь пластин
• d — расстояние между пластинами

Конденсаторы широко применяются в электротехнике и электронике для накопления заряда и энергии электрического поля.

Энергия электрического поля

Электрическое поле обладает энергией. Энергия электрического поля заряженного конденсатора определяется по формуле:

W = (C * U^2) / 2 = (q^2) / (2C)

где:

• W — энергия электрического поля
• C — емкость конденсатора
• U — напряжение на обкладках
• q — заряд конденсатора

Энергия электрического поля распределена в пространстве с объемной плотностью:

w = (ε * ε0 * E^2) / 2

где E — напряженность электрического поля в данной точке пространства.

Применение электрического поля в технике

Электрическое поле находит широкое применение в различных областях техники:

• Электростатические фильтры для очистки газов
• Электростатическая окраска
• Электронно-лучевые трубки
• Ускорители заряженных частиц
• Электрофорез
• Копировальные аппараты
• Конденсаторные микрофоны

Понимание свойств и характеристик электрического поля лежит в основе работы многих современных электронных устройств и технологий.

Электрическое поле — Студопедия

Лекция №1. Понятие об электрическом заряде. Взаимодействие зарядов. Электрическое поле.

Цель: выдать студентам знания по основам электростатики.

Задача: обучить студентов основным понятиям электростатики.

Вопросы:

1. Основные понятия о заряде.

2. Взаимодействие зарядов.

3. Электрическое поле.

Основные понятия о заряде

Заряд электрона — самый маленький электрический заряд, известный в природе. За единицу заряда был принят заряд, равный 6,29 ∙10¹⁸ электронов и назван кулоном. Единица заряда кулон записывается сокращенно – Кл. Кулон является единицей СИ (системы интернациональной).

Заряды подразделяются по свойствам на положительные и отрицательные. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, незаряженные предметы притягиваются как к положительно, так и к отрицательно заряженным телам.

Взаимодействие зарядов

Опытным путем было установлено, что сила взаимодействия двух зарядов пропорциональна значению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Формула, по которой рассчитывается взаимодействие заряженных тел, называется законом Кулона:

F=Q1Q2/є_а R² ,

F – сила взаимодействия зарядов Q1 и Q2, (Ньютон).

Q1 и Q2 – заряды, Кл.

R – расстояние между центрами заряженных тел, м;

є_а — диэлектрическая проницаемость среды, равная произведению є₀ (диэлектрическая постоянная вакуума) и є_r (диэлектрическая проницаемость данной среды, показывает во сколько раз уменьшается взаимодействие заряженных тел, если их перенести из вакуума в данную среду), измеряется в Фарад на метр.

Электрическое поле.

Электрическое поле – это особый вид материи, через который осуществляется взаимодействие зарядов. Электрическое поле неизменяющихся зарядов называется электростатическим.

Каждая точка электрического поля характеризуется напряженностью электрического поля Е. Е= F/q, где – F – сила, действующая на пробный заряд, помещенный в данной точке поля. Пробным зарядом называется заряд, много меньше заряда, создающего основное поле. Напряженность измеряется в Н/Кл.

Напряженность электрического поля – векторная величина, характеризующая электрическое поле и определяющая силу, действующую на заряженную частицу со стороны электрического поля. Электрическое поле изображается линиями напряженности. Густоту линий показывают пропорциональной напряженности электрического поля. Направление поля в каждой точке совпадает с направлением касательной в этой точке. Электрическое поле, у которого во всех точках векторы напряженности одинаковые, называют однородным.

Примеры:

Вопросы:

Лекция №2. Потенциал. Напряжение. Электрическая емкость. Конденсаторы.

Цель: восстановить и углубить знания студентов по теме «электрическое поле».

Задача: Научить определять напряжение и емкость.

Вопросы:

1. Понятия потенциала и напряжения.

2. Понятие электрической емкости.

16. Электрическое поле и его характеристики. Сила Кулона.

Электрическим полем называют вид материи, посредством которой происходит взаимодействие электрических зарядов. Поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Свойства электрического поля: • порождается электрическим зарядом; • обнаруживается по действию на заряд; • действует на заряды с некоторой силой.

Точечный заряд – модель заряженного тела, размерами которого можно пренебречь в условиях

данной конкретной задачи ввиду малости размеров тела по сравнению с расстоянием от него до

точки определения поля.

Пробный заряд – точечный заряд, который вносится в данное электростатическое поле для измерения его характеристик. Этот заряд должен быть достаточно мал, чтобы своим воздействием не нарушить положение зарядов – источников измеряемого поля и тем

самым не изменить создаваемое ими поле.

Электрический диполь – система двух разноименных по знаку и одинаковых по величине точечных зарядов, находящихся на небольшом расстоянии один от другого. Вектор l, проведенный от отрицательного заряда к положительному, называется плечом диполя. Вектор

p = q*l называется электрическим моментом диполя.

Характеристики электрического поля:

1. силовая характеристика – напряженность (Е) – это векторная физическая величина, численно равная отношению силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда: 

Е = F/q; [E] = [ 1 Н/Кл ] = [1 В/м ]

Графически электрическое поле изображают с помощью силовых линий –это линии, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора напряженности.

Силовые линии электрического поля незамкнуты, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных:

2. энергетическая характеристика – потенциал j — это скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии заряда, необходимой для его перемещения из одной точки поля в другую, к величине этого заряда: j = DЕ_р/q. [j] = [1 Дж/Кл ] =[1 В ].

Dj = j₂ — j₁ – изменение потенциала;

U = j₁ — j₂ — разность потенциалов (напряжение)

Физический смысл напряжения: U = j₁ — j₂ = А/q — — напряжение численно равно отношению работы по перемещению заряда из начальной точки поля в конечную к величине этого заряда.

U = 220 В в сети означает, что при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки поля в другую, поле совершает работу в 220 Дж.

3. Индукция электрического поля. Напряженность электрического поля является силовой характеристикой поля и определяется не только зарядами, создающими поле, но зависит и от свойств среды, в которой находятся эти заряды.

Часто бывает удобно исследовать электрическое поле, рассматривая только заряды и их расположение в пространстве, не принимая во внимание свойств окружающей среды. Для этой цели используется векторная величина, которая называется 

электрической индукцией или электрическим смещением. Вектор электрической индукции D в однородной изотропной среде связан с вектором напряженности Е соотношением

.

Единицей измерения индукции электрического поля служит 1 Кл/ м². Направление вектора электрического смещения совпадает с вектором Е. Графическое изображение электрического поля можно построить с помощью линий электрической индукции по тем же правилам, что и для линий напряженности

Графическое изображение электрических полей.

Электрические поля можно изображать графически: при помощи силовых линий или эквипотенциальных поверхностей (которые взаимно перпендикулярны между собой в каждой точке поля.

Силовыми линиями (линиями напряженности) называются линии, касательные в каждой точке к которым совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке.

Эквипотенциальные поверхности – это поверхности равного потенциала.

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов, подобных тем, которые (см. § 22) использовались Г. Кавендишем для определения гравитационной постоянной (ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем, однако его работа оставалась неизвестной более 100 лет). Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные раз­меры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряжен­ных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда, как и материаль­ной точки, является физической абстракцией.

Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам Q₁ и Q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т. е. является центральной, и соответствует притяжению (F<0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F>0) в случае одноименных зарядов. Эта сила называется кулоновской силой. В векторной форме закон Кулона имеет вид

(78.1)

где F₁₂ — сила, действующая на заряд Q₁ со стороны заряда Q₂

, r₁₂ — радиус-вектор, соединяющий заряд Q₂ с зарядом Q₁, r = |r₁₂| (рис. 2 (Кл)

Электр. поле 2-х заряженных частиц:

Эл поле положит зарядов:

Эл поле отриц зарядов:

Для создание элект зарядов нужна сила которая назыв ЭДС. Электрическое поле – одна из составляющих электр магнитного поля особый вид материи сущуствующий вокруг заряженных частиц, обладающих эл. зарядом.

2. Напряженность электрического поля, напряжение. Единицы измерения.

Электрическое поле – одна из составляющих электр магнитного поля особый вид материи сущуствующий вокруг заряженных частиц, обладающих эл. зарядом. Электрическое поле обладает напряженностью. Напряженность – это магнитная сила, с которой поле воздействует на полож заряд, помещенный в данной точки, обознается буквой E. Напряженность – это векторная величина , она равна: E= F/q (В/м) , E- магнитность эл поля, F- сила с которой поле действует на пробный полож заряд, q- величин этого заряда.

Напряжение- это разность потенциалов между двумя зарядами или точками.

3.Диэлектрическая проницаемость. Диэлектрики и проводники.

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стекло, различные смолы, пластмассы, многие виды резины. Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, то есть с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). 

4. Электрическая емкость, единицы измерения. Ёмкость плоского конденсатора. Энергия электрического поля.

Конденсатор – это электрическая емкость. Электрическая емкость – характеристика проводника показывающая способность проводника накапливать электрический заряд. Конденсатор – это двух полюсник с определенным значением емкости и малой проводимостью устройства для накапления заряда и энергии электр поля. 2/2C ,W-энергия эл поля заряж конденсатора, q-модуль заряда любого из проводника конденсатора, U- разность конденсаторов , C-электроёмкость конденсаторов.

Электрическое поле и его характеристики.

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Электрическое поле и его характеристики.

Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел иличастиц, обладающих электрическим зарядом, а также при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Напряжённость электрического поля-это отношение силы, действующей на заряд, к величине этого заряда. В электротехнике с помощью напряжённости электрического поля характеризуют его интенсивность. Напряжённость можно назвать основной характеристикой электрического поля, его «силу и мощность.

электрический потенциал – это характеристика электрического поля, которая выражает его напряжённость. Она определяет «потенциал», запас энергии, работу, которую можно будет совершить.

Электрическое напряжение — один из наиболее важных показателей электрической цепи, оно измеряется в Вольтах (В), по нему определяют работу и мощность.

Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным.

Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.

Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними:

 

где и — модули зарядов, — расстояние между ними, — коэффициент пропорциональности, который зависит от выбора системы единиц, в СИ.

Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силоЙ притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках зарядов.

Конденсаторы и их применение.

Конденсатор представляет собой устройство, способное накапливать электрические заряды. Простейшим конденсатором являются две металлические пластины (электроды), разделенные каким-либо диэлектриком. Конденсатор 2 можно зарядить, если соединить его электроды с источником 1 электрической энергии постоянного тока.

Емкость конденсатора. Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрические заряды характеризуется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше накопленный им заряд, так же как с увеличением вместимости сосуда или газового баллона увеличивается объем жидкости или газа в нем.

1.В радиотехнической и телевизионной аппаратуре – для создания колебательных контуров, их настройки, блокировки, разделения цепей с различной частотой, в фильтрах выпрямителей и т. д.

2.В радиолакационной технике – для получения импульсов большей мощности, формирования импульсов и т.д.

3. В телефонии и телеграфии – для разделения цепей переменного и постоянного токов, разделения токов различной частоты, искрогашения в контактах, симметрирования кабельных линий и т.д.

4. В автоматике и телемеханике – для создания датчиков на емкостном принципе, разделения цепей постоянного и пульсирующего токов, искрогашения в контактах, в схемах тиратронных генераторов импульсов и т.д.

5. В технике счетно-решающих устройств – в специальных запоминающих устройствах и т.д.

6. В электроизмерительной технике – для создания образцов емкости, получения переменной емкости (магазины емкости и лабораторные переменные конденсаторы), создания измерительных приборов на емкостном принципе и т. д.

7. В лазерной технике – для получения мощных импульсов.

Электроизоляционные материалы и их применение.

Электроизоляционные материалы, обладая большим удельным сопротивлением, высоким пробивным напряжением и малой диэлектрической проницаемостью, защищают от электрического тока и разделяют токопроводящие части, находящиеся под разными потенциалами.

Важное свойство всех электроизоляционных материалов – теплопроводность и влагонепроницаемость, для повышения которой необходимо пропитывать материалы синтетическими жидкостями, маслами и компаундами. К абсолютно влагостойким специалисты относят лишь глазурованный фарфор и стекло.

— диэлектрики, которые служат целям электрической изоляции. Фактически электроизоляционные материалы предназначены препятствовать протеканию — безразлично, постоянного и переменного тока.

Применяются электроизоляционные материалы в электротехнических, радиотехнических и электронных приборах и устройствах.

Активная, реактивная и полная мощности в трехфазной цепи. Коэффициент мощности.

Активная мощность

Среднее за период T значение мгновенной мощности называется активной мощностью: В цепях однофазного синусоидального тока гдеU и I — среднеквадратичные значения напряжения и тока, φ — угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r или её проводимость gпо формуле В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью S активная связана соотношением

В теории длинных линий (анализ электромагнитных процессов в линии передачи, длина которой сравнима с длиной электромагнитной волны) полным аналогом активной мощности является проходящая мощность, которая определяется как разность между падающей мощностью и отраженной мощностью.

[править]Реактивная мощность

Единица измерения — вольт-ампер реактивный (var, вар)

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними: (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает — отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью Рсоотношением: .

Физический смысл реактивной мощности — это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

Необходимо отметить, что величина sin φ для значений φ от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ для значений φ от 0 до −90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой Q = UI sin φ, реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную — то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например, асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения.

Измерительные преобразователи реактивной мощности, использующие формулу Q = UI sin φ, более просты и значительно дешевле измерительных преобразователей на микропроцессорной технике.^{[источник не указан 124 дня]}

[Полная мощность

Единица полной электрической мощности — вольт-ампер (V·A, В·А)

Полная мощность — величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах: S = U·I; связана с активной и реактивной мощностями соотношением: где Р — активная мощность, Q — реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q > 0, а при ёмкостной Q < 0).

Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой:

Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели,распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Коэффицие́нт мо́щности — безразмерная физическая величина, характеризующая потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей. Коэффициент мощности показывает, насколько сдвигается по фазе переменный ток, протекающий через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.

Численно коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига.

КПД двигателя.

Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»). η = Wпол/Wcyм. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:

x 100 %,

где А — полезная работа, а Q — затраченная энергия.

В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.

Режим работы электропривода

Продолжительный номинальный режим работы электропривода. Продолжительным называется режим работы электропривода при неизменной номинальной нагрузке, продолжающейся столько времени, что превышение температуры Т электродвигателя над температурой окружающей среды Т0 достигает установившегося значения. В этом режиме работают вентиляторы, насосы, компрессоры, действующие непрерывно с неизменной нагрузкой.
Если машина работает в продолжительном режиме с практически неизменной нагрузкой, то мощность электродвигателя этой машины определится уравнением, приводимым в справочниках соответствующих механизмов. По данным расчета выбирают электродвигатель единой серии ближайшей большей мощности для продолжительного режима работы с учетом исполнения и угловой скорости вала электродвигателя.
Кратковременный номинальный режим работы электропривода. Кратковременным называется режим работы электропривода, при котором периоды номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения, за время которых электродвигатель успевает охладиться до температуры окружающей среды.
ГОСТ предусматривает номинальный кратковременный режим работы электродвигателя продолжительностью 10, 30, 60, 90 мин.
В кратковременном режиме работают вспомогательные электроприводы металлорежущих станков, машины малой механизации в промышленности, электрифицированные инструменты, электроприводы машин бытового назначения.
Мощность электродвигателя для привода машины, работающей в кратковременном режиме, рассчитывается методом эквивалентных величин (тока, момента) по уравнениям, данные для которых принимают из нагрузочной диаграммы технологической машины.
Нагрузочной диаграммой называется график, определяющий зависимость тока, мощности или момента электродвигателя от времени его действия.
Определение мощности электродвигателя методом эквивалентного тока возможно в том случае, если нагрузочная диаграмма электродвигателя представлена зависимостью тока от времени.
Если магнитный поток электродвигателя постоянный (синхронные, асинхронные и двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением), то мощность электродвигателя определится методом эквивалентного момента. Через эквивалентные ток и момент определяют мощность электродвигателя по уравнениям. По данным расчета из каталога выбирают электродвигатель единой серии ближайшей большей мощности для кратковременного режима с периодом нагрузки и с учетом исполнения и угловой скорости вала электродвигателя.
Повторно-кратковременный номинальный режим работы электропривода. Повторно-кратковременным называется режим работы электропривода, при котором периоды номинальной нагрузки чередуются периодами отключения электродвигателя. При этом превышение температуры электродвигателя за время периода нагрузки не достигает установившегося значения. А за время периода отключения электродвигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды.
Сравнительно большая группа технологических машин работает в повторно-кратковременном режиме. Это подъемно-транспортные машины, прессы, швейные машины, металлообрабатывающие станки, стиральные машины, центрифуги.
Повторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения электродвигателя — ПВ. Определяют ПВ из нагрузочной диаграммы, как отношение времени нагрузки электродвигателя ко времени цикла.
ГОСТ предусматривает номинальный повторно-кратковременный режим работы электродвигателя с ПВ=15, 25, 40, 60% и циклом tц продолжительностью 10 мин. Если цикл превышает 10 мин, то режим работы электродвигателя следует считать продолжительным.
Электропривод технологических машин предприятий бытового обслуживания, работающих в повторно-кратковременном режиме, осуществляется асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями. Расчет мощности этих электродвигателей методом эквивалентного момента или мощности обеспечит положительные результаты только в том случае, если исключить частый пуск электродвигателя, т. е. считать, что в момент паузы электродвигатель работает в режиме холостого хода.
Методы эквивалентного момента и мощности не могут применяться для расчета электродвигателя с частым пуском и работающим в тормозных режимах.
При значении ПВ электродвигателя отличного от стандартного, следует делать пересчет мощности электродвигателя на ближайшую номинальную со стандартным ПВ. По данным расчета из каталога выбирают электродвигатель единой серии ближайшей большей мощности для повторно-кратковременного режима, соответствующего ПВ с учетом исполнения и угловой скорости вала электродвигателя.

Среди существующих и особенно необходимых на данный момент видов электроприводов особенно выделяются четыре основные группы: электроприводы, которые приводят в действие противопожарные или противодымные клапаны, а также водные клапаны и, наконец, электроприводы, предназначенные для регуляции систем вентиляции и кондиционирования воздуха, иными словами, для обеспечения функционирования воздушных клапанов.

Каждая из этих групп имеет множество моделей, приспособленных для выполнения определённых функций. Например, воздушные клапаны могут быть оснащены тремя основными моделями электроприводов – для быстрого срабатывания, для стандартного срабатывания, а также специализированные электроприводы, оснащённые возвратной пружиной. Возвратной пружиной могут быть оснащены также противопожарные или же противодымные клапаны. Такая система позволяет автоматически регулировать положение клапан.

Источники Энергии.

ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ (ТЭС), электростанция, вырабатываю­щая электрическую энергию в результате пре­образования тепловой энергии, выделяю­щейся при сжигании органического топлива.

ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ,гидроэлектростанция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию.

Электрическое поле и его характеристики.

Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел иличастиц, обладающих электрическим зарядом, а также при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Напряжённость электрического поля-это отношение силы, действующей на заряд, к величине этого заряда. В электротехнике с помощью напряжённости электрического поля характеризуют его интенсивность. Напряжённость можно назвать основной характеристикой электрического поля, его «силу и мощность.

электрический потенциал – это характеристика электрического поля, которая выражает его напряжённость. Она определяет «потенциал», запас энергии, работу, которую можно будет совершить.

Электрическое напряжение — один из наиболее важных показателей электрической цепи, оно измеряется в Вольтах (В), по нему определяют работу и мощность.

Читайте также:

 

Электрическое поле в веществе.

Физические основы электротехники

Электромагнитное поле – это особый вид материи, проявляющей свои свойства с электрическими зарядами. Заряженные частицы – основная структурная часть атомов и молекул веществ. Заряженные частицы окружены электромагнитным полем. Основное свойство заряженных частиц – их заряд. Заряд – есть характеристика вещественного носителя. Электрические заряды взаимодействуют между собой посредством магнитного поля. Т.о., каждый заряд является источником электромагнитного поля и в то же время является объектом воздействия от других зарядов. Заряд и электромагнитное поле неразделимы. Электрический заряд – физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия.

Электромагнитное поле имеет две взаимосвязанные стороны: электрическое поле и магнитное поле. Вообще-то поле едино, но при определённых условиях можно рассматривать одну из его сторон.

В общем случае электрическое и магнитное поля взаимосвязаны – единое электромагнитное поле. В стационарных полях каждое из них имеет относительную самостоятельность и может рассматриваться отдельно.

В качестве количественной оценки электромагнитного поля взято воздействие поля на заряд. Сила взаимодействия поля и заряда определяется силой Лоренца, учитывающей две стороны электромагнитного поля: электрическое и магнитное поля:

.

Здесь: q – заряд, — вектор напряжённости электрического поля, — вектор магнитной индукции, — скорость движения заряда относительно выбранной системы отсчёта.

1. Эл. полем называют одну из двух сторон электромагнитного поля, которая воздействует на неподвижный электрический заряд силой, пропорциональной величине заряда (и независящей от скорости движения):

.

Основной физической величиной, характеризующей силовое действие электрического поля в каждой точке и в каждый момент времени является вектор напряжённости электрического поля (силовая хар-ка эл. поля).

2.Магнитным полем называют одну из двух сторон электромагнитного поля, которая воздействует на движущийся электрический заряд силой, пропорциональной величине заряда и скорости его движения:

.

Основной физической величиной, характеризующей силовое действие магнитного поля в каждой точке и в каждый момент времени является вектор магнитной индукции .

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Электрические заряды являются источниками электрического поля. Электрическое поле характеризуется напряжённостью электрического поля. Напряжённость электрического поля – векторная величина, определяющая силу, действующую на заряженное тело со стороны электрического поля заряда q. Численно она равна отношению силы, действующей на заряженную частицу (пробное тело с зарядом q_пр), к её заряду:

, В/м,

где F_э – сила, определяемая законом Кулона; r – расстояние между центрами зарядов; Ф/м – электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума).

Направление напряжённости электрического поля совпадает с направлением силы, действующей на частицу (пробное тело) с положительным знаком (тела с одинаковыми зарядами отталкиваются, а тела с зарядами разных знаков притягиваются).

Связь между напряжённостью электрического поля и зарядом выражает теорема Гаусса для электрического поля в вакууме:

.

Поток вектора напряжённости электрического поля сквозь произвольную замкнутую поверхность в вакууме пропорционален заряду, находящемуся внутри этой поверхности.

Электрическое поле в веществе.

Если внешнее электрическое поле создаётся в диэлектрике, то под действием сил этого поля в диэлектрике происходит смещение связанных зарядов в молекулах вещества («+» — в направлении линий поля, «-» — в противоположную сторону). Смещение зарядов в веществе под действием сил электрического поля называется поляризацией вещества.

Степень поляризации диэлектрика при воздействии электрического поля оценивается вектором поляризованности . Поляризованность тем больше, чем сильнее электрическое поле, зависит и от свойств диэлектрика. Для однородного по всем направлениям (изотропного) диэлектрика вектор поляризованности пропорционален вектору напряжённости электрического поля в диэлектрике:

,

где — относительная диэлектрическая восприимчивость вещества ( ³ 0, 0 – для вакуума).

Электрическое поле в диэлектрике представляет собой наложение двух полей – внешнего и внутреннего. Внутреннее поле возникает только при наличии внешнего поля за счёт поляризации диэлектрика и в большинстве случаев исчезает при отсутствии внешнего поля (имеются диэлектрики будучи поляризованными внешним полем, сохраняют остаточную поляризацию – сегнетоэлектрики и электреты).

Для характеристики электрического поля в веществе вводят понятие вектора электрического смещения :

. [D]=Кл/м².

С учётом относительной диэлектрической восприимчивости диэлектрика, получим:

.

Здесь — абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества; — относительная диэлектрическая проницаемость вещества.

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества характеризует степень способности вещества поляризовываться (во сколько раз поле в диэлектрике слабее, чем в пустоте). Для всех веществ ; для вакуума (воздух ; бумага кабельная ; масло минеральное ; картон ; резина ; слюда ; стекло ).

Тогда получаем обобщённую теорему Гаусса:

.

Поток вектора электрического смещения сквозь произвольную замкнутую поверхность равен свободному заряду, находящемуся внутри этой поверхности.

Для большинства веществ относительная диэлектрическая проницаемость постоянна, т.е. практически не зависит от напряжённости электрического поля (линейные диэлектрики). Эта линейность имеет ограничение сверху (предельная напряжённость электр. поля – пробой диэлектрика; величина напряжённости эл. поля, при которой наступает пробой называют электрической прочностью диэлектрика – для воздуха Е_пр =30кВ/см).

Из обобщённой теоремы Гаусса для однородной среды (e_a = Сonst):

.

Или

, .

Если e_r = 1, то получаем исходную теорему Гаусса.

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Электрическое и магнитное поле: в чем различия?

Такой термин, как «поле» в нашем языке имеет общее, достаточно обширное понятие (например, картофельное или футбольное). А вот в точных науках, таких как физика и электротехника — это название применяется для того, чтобы описать определенные виды материи. Так, электромагнитная материя представляет собой две составных части: электрическую и магнитную.

С указанными формами материи непосредственно связан электрический заряд. И у этого заряда имеется характерная особенность. В неподвижном состоянии вокруг него постоянно существует электрическое поле, а как только заряд начинает осуществлять направленное движение, то появляется еще и магнитное поле. Рассмотрим характерные особенности электрического и магнитного полей по отдельности.

Два поля

• Электрическое поле образуется вокруг каких-либо тел, или частиц, обладающих определенной величиной электрического заряда. Если происходят определенные изменения параметров магнитного поля, этот процесс сопровождается перемещением электромагнитных волн. Для наглядности на схемах такие поля изображаются в виде силовых линий (пунктиров), которые начинаются у положительно заряженных частиц и заканчиваются стрелками, касающимися отрицательно заряженных частиц. Именно заряды здесь являются основой для существования электрического поля.

В процессе проведения исследований и в целях боле эффективного практического применения данного явления, ему дано название напряженность. Оценивается по степени воздействия на единичный (с положительным знаком) заряд.

• Магнитное поле оказывает иной вид воздействия, прежде всего – на различные электрические тела и заряды, которые находятся в движении. Магнитные моменты учитываются без определения фактической величины движения, а само поле создается в ходе прохождения тока заряженных частиц. Величина поля – это сумма магнитных моментов электронов, находящихся внутри атомов или иных частиц.

Здесь также применяется метод графического изображения при помощи силовых пунктирных линий. Но в отличие от схематического изображения электрического поля, эти линии замкнуты по контуру и не имеют определенной точки начала (равно, как и конца).

Как происходит взаимодействие электрического и магнитного полей

Первые достаточно точные обоснования и выводы (как теоретические, так и практические) по результатам исследований процессов внутри данных полей сделал великий ученый Д. Максвелл. Он показал, какая взаимосвязь происходит между эклектическими зарядами и протекающими токами электромагнитного поля. Для проведения исследований и получения результатов, были применены ранее сформулированные законы Ампера и Фарадея. В трудах физика было определено точное соотношение между электрическим и магнитным полем, которое возникало вследствие определенного способа распределения зарядов в пространстве.

Сравнение полей: электрического и магнитного

Важно понять, что электрическое и магнитное поле – это не обособленные понятия, а единый комплекс, получивший название электромагнитного поля. Следовательно, и изучать это поле необходимо параллельно, относясь к исследуемому явлению, как к единому целому.

Утверждение, что в какой-либо определенной точке пространства может иметься только одно из действующих полей, не может быть принято во внимание, более того – оно бессмысленно. Вопрос может быть поставлен исключительно с учетом типа исследуемой системы, которая может быть стационарной или подвижной.

В целом, сама система отсчета – это составная часть исследования электромагнитного поля. По характеристикам системы можно делать оценку, касательно свойств и конфигурации электромагнитного поля. Но абсолютной значимости система не имеет.

Что может быть применено в качестве индикаторов электромагнитного поля

Для электрического поля – это заряженные тела. Именно они указывают на наличие в определенном месте пространства поля. При проведении опытов и наблюдений широко используются такие подручные материалы, как:

– мелкие кусочки бумаги;

– небольшие комочки, бумажные шарики;

– гильзы;

– так называемые «султаны».

Чтобы «увидеть» магнитное поле, можно использовать стальные опилки либо замкнутый контур, по которому протекает электрический ток. Еже проще – использовать магнитную стрелку, которая имеется на каждом компасе.

«Законодательная база»

Исследование полей, магнитного и электрического, осуществляется по ранее открытым физическим законам. Так, для электрического поля, при исследовании протекающих внутри него процессов, бесценную помощь оказали исследования и опыты, проведенные кулоном. Магнитное поле проще себе представить, воспользовавшись законом Ампера, применительно к расположению ладони человека. Так, чтобы определить направление действия силы, воздействующей на проводник, необходимо расположить ладонь следующим образом:

– 4 пальца, сложенные вместе, указывают на направление протекающего тока;

– силовые линии магнитного поля входят в ладонь;

– большой палец руки, находящийся под углом в 90 градусов по отношению к другим пальцам ладони, укажет направление воздействия искомой силы.

Подведем итог

В заключении необходимо отметить: электрическое и магнитное поля существенно отличаются друг от друга. Но это не мешает им тесно взаимодействовать, оставаясь составными частями одного целого – электромагнитного поля!

Электрическое поле Электрическое поле присутствует в любой области пространства, если на заряды действуют электрические силы. Эти электрические силы можно обнаружить.

Презентация на тему: «Электрическое поле. Электрическое поле присутствует в любой области пространства, если существуют электрические силы на зарядах. Эти электрические силы могут быть обнаружены». — Стенограмма презентации:

1 Электрическое поле. Электрическое поле присутствует в любой области пространства, если на заряды действуют электрические силы.Эти электрические силы можно обнаружить с помощью тестового заряда. Тестовые заряды — это теоретические положительные заряды, которые не изменяют обнаруживаемое электрическое поле. Электрическое поле в точке пространства определяется как электрическая сила на единицу испытательного заряда, помещенную в эту точку. Единицей измерения электрического поля в системе СИ является ньютон на кулон (Н / Кл). Электрическое поле — это вектор.

2 Электрическая сила

3 Электрическое поле точечного заряда

4 P 45 Глава 18 На оси x расположены два заряда: q 1 = +6.0 µ C при x 1 = +4,0 см и q 2 = +6,0 µ C при x 2 = -4,0 см. Два других заряда расположены на оси y: q 3 = +3,0 µ C при y 3 = +5,0 см и q 4 = -8 µ C при y 4 = +7,0 см. Найдите а) величину и б) направление чистого электрического поля в начале координат.

5 Линии электрического поля Положительный точечный заряд Отрицательный точечный заряд Диполь Два одинаковых заряда Параллельная пластина Конденсатор

6 Закон Гаусса Электрический поток Φ E через гауссову поверхность равен суммарному заряду Q, заключенному на поверхности, деленному на диэлектрическую проницаемость свободного пространства, 0: Закон Гаусса:

7 18. 8. Электрическое поле внутри проводника: экранирование При электростатическом равновесии: 1. Любой избыточный заряд находится на поверхности. 2. Электрическое поле внутри проводника равно нулю.

8 Проводник в электрическом поле В электростатическом равновесии: 1. Проводник экранирует электрическое поле. 2. Электрическое поле за пределами поверхности проводника перпендикулярно поверхности. Чувствительные электронные схемы часто заключены в металлические коробки, обеспечивающие защиту от внешних полей.

Электрические поля — Physics A-Level

Изучив этот раздел, вы должны уметь:

• описывают электрическое поле, создаваемое точечным зарядом и между двумя заряженными параллельными пластинами
• вычислить силу, действующую на заряд в электрическом поле
• сравнить гравитационное и электрическое поля

Этот раздел охватывает

Зарядка

Передача заряда происходит, когда два объекта в физическом контакте движутся относительно друг друга. Это вызвано тем, что электроны покидают одну поверхность и присоединяются к другой. Это приводит к тому, что объекты имеют один из двух типов заряда:

• объект, который получает электроны, имеет отрицательный заряд
• объект, теряющий электроны, имеет положительный заряд.

Электростатические явления, такие как притяжение и отталкивание, возникают из-за сил между двумя заряженными объектами. Подобные заряды отталкивают, а противоположные — притягивают.

Во многих случаях любой дисбаланс заряда объекта устраняется движением электронов к земле и от земли, но если хотя бы один из объектов является хорошим изолятором, заряд может накапливаться.

Воздушный шар легко заряжается при трении, но невозможно зарядить ручной металлический стержень, так как он немедленно разряжается электронами, проходящими через человека, держащего его.

Квант , или наименьшая единица заряда, переносится электроном. Все количества заряда должны быть целым числом, кратным e = — 1,6 × 10 ^–19 C.

Электрическое поле

В отличие от гравитационных полей, которые могут создавать только силы притяжения, электрические поля могут притягивать или отталкивать заряженные объекты.При рисовании линий поля, которые представляют силы, создаваемые заряженным объектом, стрелки показывают направление силы на положительный заряд.

На схеме показаны электрические поля, создаваемые точечным зарядом и между парой противоположно заряженных параллельных пластин.

Пара параллельных пластин заряжается противоположно при подключении к положительной и отрицательной клеммам постоянного тока. поставка.

Поле, создаваемое точечным зарядом, является радиальным, его сила уменьшается по мере удаления от заряда.То, что между параллельными пластинами однородно, оно поддерживает постоянную прочность во всех точках между пластинами.

Кулон исследовал величину силы между двумя точечными зарядами и пришел к выводу, что сила составляет:

• пропорционально каждому из обвинений
• обратно пропорционально квадрату расстояний между ними.

Диэлектрическая проницаемость — это мера степени, в которой среда усиливает электрическое поле.Вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость из-за поляризации ее молекул.

Напряженность поля

Напряженность электрического поля:

• определяется как сила на единицу положительного заряда, действующая на небольшой заряд, помещенный в поле
• измеряется в N C ^–1

Тестовый заряд должен быть достаточно небольшим, чтобы он не влиял на поле.

Закон Кулона может быть использован для выражения напряженности поля, обусловленного точечным зарядом Q.Поскольку сила между зарядом Q и небольшим зарядом q, помещенным в поле Q, определяется выражением:

КЛЮЧЕВЫЙ ТОЧЕК — Напряженность электрического поля E, обусловленная точечным зарядом Q, определяется выражением:

В радиальном поле напряженность поля подчиняется закону обратных квадратов. Об этом можно судить по тому, как линии поля расходятся от точечного заряда. В однородном поле, таком как поле между двумя противоположно заряженными параллельными пластинами, силовые линии поддерживают постоянное разделение.Величина напряженности электрического поля в однородном поле не меняется.

КЛЮЧ — Напряженность электрического поля между двумя противоположно заряженными параллельными пластинами определяется выражением: где V — разность потенциалов между пластинами, а d — расстояние между пластинами.

Это дает альтернативную единицу измерения напряженности электрического поля, В · м ^–1 , что эквивалентно N C ^–1 .

Потенциал

Разность потенциалов между параллельными пластинами представляет собой передачу энергии на кулон при перемещении заряда между
пластинами.Заряд q , движущийся между пластинами, набирает или теряет энергию Vq .

В однородном поле потенциал изменяется на равную величину при одинаковом изменении расстояния. На диаграмме показано изменение потенциала между двумя противоположно заряженными пластинами.

В этом примере:

• потенциал был измерен относительно нижней пластины, которой было присвоено значение 0
• эквипотенциальные линии параллельны пластинам
• Эквипотенциальная поверхность, соединяющая все точки с одинаковым потенциалом, представляет собой просто поверхность, проведенную параллельно пластинам.

Потенциал можно измерить относительно верхней пластины, и в этом случае потенциалы будут иметь отрицательные значения.

Потенциал в радиальном поле

Подобно потенциалу в гравитационном поле, абсолютный потенциал в электрическом поле равен
, измеренному относительно бесконечности. Бесконечность не обязательно должна быть большим расстоянием, поскольку
относится к точке, где напряженность поля пренебрежимо мала.

КЛЮЧЕВЫЙ ТОЧЕК. Электрический потенциал в точке V — это работа, совершаемая на единицу положительного заряда по переносу небольшого заряда из бесконечности в эту точку.В радиальном поле

В отличие от потенциала в гравитационном поле точечной массы, электрический потенциал в поле точечного заряда положительный, так как должна выполняться работа, чтобы переместить положительный заряд из бесконечности в любую точку поля.

Электронные пучки

Компьютерные мониторы, телевизоры и электронно-лучевые осциллографы используют пучки электронов для создания изображения. Луч создается электронной пушкой — устройством, которое ускоряет и фокусирует электроны, испускаемые горячей проволокой.На схеме ниже изображена электронная пушка.

Источник низкого напряжения нагревает нить накала, заставляя ее испускать электроны. Электроны ускоряются источником высокого напряжения, приобретая кинетическую энергию по мере продвижения к положительно заряженному аноду. Поскольку разность потенциалов между катодом и анодом представляет собой перенос энергии на кулон заряда, кинетическая энергия ускоренных электронов может быть вычислена.

Нить накала является катодом или отрицательной клеммой.Анод обычно имеет цилиндрическую форму и подключается к положительной клемме источника высокого напряжения.

КЛЮЧЕВЫЙ МОМЕНТ — Когда электрон ускоряется через разность потенциалов V, он приобретает кинетическую энергию, где m _e — масса электрона, а e — заряд электрона.

Отклонение пучка электронов

В электронно-лучевом осциллографе вертикальное отклонение электронного луча достигается путем пропускания луча между парой противоположно заряженных параллельных пластин.Эффект от этого можно увидеть, изучив путь пучка электронов в отклоняющей трубке.

Проходя между пластинами, электроны имеют постоянную скорость в направлении, параллельном пластинам. Перпендикулярно пластинам сила, действующая на каждый электрон, равна Ee , поэтому они ускоряются в этом направлении. Последовательное движение электронов подобно движению частицы, горизонтально проецируемой на Землю; в каждом случае результатом является параболический путь, показанный на диаграмме.

Путь электронов до входа в поле и после выхода из поля представляет собой прямую линию, поскольку на них не действует равнодействующая сила.

При перемещении между пластинами:

• электроны проходят равные расстояния через последовательные равные промежутки времени в направлении, параллельном пластинам
• электроны перемещаются на увеличивающиеся расстояния через последовательные равные промежутки времени в направлении, перпендикулярном пластинам.

Сравнение электрического и гравитационного полей

Между электрическим и гравитационным полями есть сходства и различия:

• Напряженность электрического поля определяется как сила на единицу заряда, напряженность гравитационного поля определяется как сила на единицу массы
• электрический потенциал и гравитационный потенциал определяются аналогичным образом
• электрическое поле, создаваемое точечным зарядом, похоже на гравитационное поле точечной массы
• электрические поля могут притягивать или отталкивать заряженные объекты, гравитационные поля могут притягивать только массы.

ПРОВЕРКА ПРОГРЕССА

18,3 Электрическое поле | Texas Gateway

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Рассчитывать напряженность электрического поля
• Создание и интерпретация чертежей электрических полей

Раздел Основные термины

электрическое поле

пробный заряд

Возможно, вы слышали о силовом поле в научно-фантастических фильмах, где такие поля применяют силы в определенных позициях в космосе, чтобы удержать злодея в ловушке или защитить космический корабль от вражеского огня.Концепция поля очень полезна в физике, хотя несколько отличается от того, что вы видите в фильмах.

Поле — это способ концептуализации и отображения силы, которая окружает любой объект и действует на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Например, гравитационное поле, окружающее Землю и все другие массы, представляет собой гравитационную силу, которая возникла бы, если бы другая масса была помещена в данную точку внутри поля.Майкл Фарадей, английский физик XIX века, предложил концепцию электрического поля. Если вы знаете электрическое поле, вы можете легко вычислить силу (величину и направление), приложенную к любому электрическому заряду, который вы помещаете в это поле.

Электрическое поле создается электрическим зарядом и сообщает нам силу, приходящуюся на единицу заряда во всех точках пространства вокруг распределения заряда. Распределение заряда может быть одноточечным зарядом; распределение заряда, скажем, по плоской пластине; или более сложное распределение заряда.Электрическое поле распространяется в пространство вокруг распределения заряда. Теперь рассмотрите возможность размещения тестового заряда в полевых условиях. Пробный заряд — это положительный электрический заряд, заряд которого настолько мал, что он не вызывает значительного возмущения зарядов, создающих электрическое поле. Электрическое поле действует на пробный заряд в заданном направлении. Приложенная сила пропорциональна заряду испытательного заряда. Например, если мы удвоим заряд испытательного заряда, сила, приложенная к нему, удвоится.Математически, говоря, что электрическое поле — это сила на единицу заряда, записывается как

18,15. E → = F → qtestE → = F → qtest

, где мы рассматриваем только электрические силы. Обратите внимание, что электрическое поле — это векторное поле, которое направлено в том же направлении, что и сила, действующая на положительный тестовый заряд. Единицы электрического поля — N / C.

Если электрическое поле создается точечным зарядом или сферой с однородным зарядом, то величина силы между этим точечным зарядом Q и пробным зарядом определяется законом Кулона

F = k | Qqtest | r2F = k | Qqtest | r2

, где используется абсолютное значение, поскольку мы учитываем только величину силы.Тогда величина электрического поля равна

18,16. E = Fqtest = k | Q | r2.E = Fqtest = k | Q | r2.

Это уравнение дает величину электрического поля, создаваемого точечным зарядом Q . Расстояние r в знаменателе — это расстояние от точечного заряда Q или от центра сферического заряда до интересующей точки.

Если тестовый заряд убрать из электрического поля, электрическое поле все еще существует. Чтобы создать трехмерную карту электрического поля, представьте, что тестовый заряд размещается в разных местах поля.В каждом месте измерьте силу, действующую на заряд, и используйте векторное уравнение E → = F → / qtestE → = F → / qtest для расчета электрического поля. Нарисуйте стрелку в каждой точке, куда вы помещаете тестовый заряд, чтобы обозначить силу и направление электрического поля. Длина стрелок должна быть пропорциональна напряженности электрического поля. Если соединить эти стрелки вместе, получатся линии. На рисунке 18.18 показано трехмерное электрическое поле, созданное положительным зарядом.

Рисунок 18.18 Трехмерное представление электрического поля, создаваемого положительным зарядом.

Простое рисование силовых линий электрического поля в плоскости, пересекающей заряд, дает двумерные карты электрического поля, показанные на рисунке 18.19. Слева — электрическое поле, созданное положительным зарядом, а справа — электрическое поле, созданное отрицательным зарядом.

Обратите внимание, что силовые линии электрического поля направлены от положительного заряда в сторону отрицательного заряда.Таким образом, положительный тестовый заряд, помещенный в электрическое поле положительного заряда, будет отталкиваться. Это согласуется с законом Кулона, который гласит, что одинаковые заряды отталкивают друг друга. Если мы поместим положительный заряд в электрическое поле отрицательного заряда, положительный заряд притянется к отрицательному заряду. Обратное верно для отрицательных тестовых зарядов. Таким образом, направление силовых линий электрического поля согласуется с тем, что мы находим с помощью закона Кулона.

Уравнение E = k | Q | / r2E = k | Q | / r2 говорит, что электрическое поле становится сильнее по мере приближения к заряду, который его генерирует.Например, на расстоянии 2 см от заряда Q ( r = 2 см) электрическое поле в четыре раза сильнее, чем на расстоянии 4 см от заряда ( r = 4 см). Снова посмотрев на рис. 18.18 и рис. 18.19, мы видим, что силовые линии электрического поля становятся плотнее по мере приближения к заряду, который его генерирует. На самом деле плотность силовых линий электрического поля пропорциональна напряженности электрического поля!

Рисунок 18.19 Силовые линии электрического поля от двух точечных зарядов. Красная точка слева несет заряд +1 нКл, а синяя точка справа несет заряд –1 нКл.Стрелки указывают направление движения положительного тестового заряда. По мере приближения к точечной зарядке линии поля становятся более плотными.

Карты электрического поля могут быть составлены для нескольких зарядов или для более сложных распределений зарядов. Электрическое поле из-за нескольких зарядов можно найти, сложив электрическое поле от каждого отдельного заряда. Поскольку эта сумма может быть только одним числом, мы знаем, что только одна линия электрического поля может проходить через любую заданную точку. Другими словами, линии электрического поля не могут пересекать друг друга.

На рисунке 18.20 (а) показана двумерная карта электрического поля, создаваемого зарядом + q и ближайшим зарядом — q . Трехмерная версия этой карты получается вращением этой карты вокруг оси, проходящей через оба заряда. Положительный испытательный заряд, помещенный в это поле, будет испытывать силу в направлении силовых линий в его местоположении. Таким образом, он будет отталкиваться от положительного заряда и притягиваться к отрицательному. Рисунок 18.20 (б) показано электрическое поле, создаваемое двумя зарядами — q . Обратите внимание, как линии поля имеют тенденцию отталкиваться друг от друга и не перекрываются. Положительный тестовый заряд, помещенный в это поле, будет притягиваться к обоим зарядам. Если вы находитесь далеко от этих двух зарядов, где «далеко» означает намного больше, чем расстояние между зарядами, электрическое поле выглядит как электрическое поле от одного заряда −2 q .

Рис. 18.20 (a) Электрическое поле, создаваемое положительным точечным зарядом (слева) и отрицательным точечным зарядом той же величины (справа).(б) Электрическое поле, создаваемое двумя равными отрицательными зарядами.

Виртуальная физика

Исследование электрического поля

Это моделирование показывает электрическое поле, создаваемое зарядами, которые вы размещаете на экране. Начните с установки верхнего флажка на панели параметров справа, чтобы отобразить электрическое поле. Перетаскивайте заряды из ведер на экран, перемещайте их и наблюдайте за электрическим полем, которое они образуют. Чтобы более точно увидеть величину и направление электрического поля, перетащите датчик электрического поля или датчик E-field из нижнего ведра и перемещайте его по экрану.

Проверка захвата

Если поместить на экран положительный и отрицательный заряды, где будет нулевое электрическое поле?

1. Электрическое поле равно нулю вблизи положительного заряда.
2. Электрическое поле равно нулю вблизи отрицательного заряда.
3. Электрическое поле равно нулю на полпути между двумя зарядами.
4. Электрическое поле равно нулю на расстоянии одной четвертой от положительного заряда.

Watch Physics

Электростатика (часть 2): интерпретация электрического поля

В этом видео объясняется, как рассчитать электрическое поле точечного заряда и как интерпретировать карты электрического поля в целом. Обратите внимание, что лектор использует d для расстояния между частицами вместо r . Обратите внимание, что точечные заряды бесконечно малы, поэтому все их заряды сосредоточены в одной точке. Когда рассматриваются более крупные заряженные объекты, расстояние между ними должно измеряться между центрами объектов.

Проверка захвата

Верно или неверно — если точечный заряд имеет линии электрического поля, направленные внутрь, заряд должен быть положительным.

1. правда
2. ложь

Рабочий пример

Сколько стоит?

Посмотрите на рисунок электрического поля на рисунке 18.22. Какова относительная сила и знак трех зарядов?

Рисунок 18.22 Карта электрического поля от трех заряженных частиц.

СТРАТЕГИЯ

Мы знаем, что электрическое поле исходит от положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом.Мы также знаем, что количество силовых линий электрического поля, которые касаются заряда, пропорционально заряду. Заряд 1 имеет 12 выходящих полей. Заряд 2 имеет шесть линий поля, входящих в него. Заряд 3 имеет 12 линий поля, входящих в него.

Решение

Силовые линии электрического поля выходят из заряда 1, так что это положительный заряд. Линии электрического поля переходят в заряды 2 и 3, поэтому они являются отрицательными зарядами. Отношение зарядов q1: q2: q3 = + 12: −6: −12q1: q2: q3 = + 12: −6: −12. Таким образом, величина зарядов 1 и 3 вдвое больше, чем у заряда 2.

Обсуждение

Хотя мы не можем определить точный заряд каждой частицы, мы можем получить много информации из электрического поля о величине и знаке зарядов и о том, где сила на пробном заряде будет наибольшей (или наименьшей).

Рабочий пример

Электрическое поле от дверной ручки

Дверная ручка, которую можно принять за сферический металлический проводник, приобретает заряд статического электричества q = -1,5 нКл. Q = -1,5 нКл. Что такое электрическое поле 1.0 см перед дверной ручкой? Диаметр дверной ручки 5,0 см.

СТРАТЕГИЯ

Поскольку дверная ручка является проводником, весь заряд распределяется по внешней поверхности металла. Кроме того, поскольку предполагается, что дверная ручка имеет идеально сферическую форму, заряд на поверхности распределен равномерно, поэтому мы можем рассматривать дверную ручку так, как если бы весь заряд находился в центре дверной ручки. Справедливость этого упрощения будет доказана в более позднем курсе физики.Теперь нарисуйте дверную ручку и определите свою систему координат. Используйте + x + x, чтобы указать направление наружу, перпендикулярное двери, с x = 0x = 0 в центре дверной ручки (как показано на рисунке ниже).

Если диаметр дверной ручки 5,0 см, ее радиус равен 2,5 см. Нам нужно знать электрическое поле на расстоянии 1,0 см от поверхности дверной ручки, что составляет расстояние r = 2,5 см + 1,0 см = 3,5 см = 2,5 см + 1,0 см = 3,5 см от центра дверной ручки. Мы можем использовать уравнение E = k | Q | r2E = k | Q | r2, чтобы найти величину электрического поля.Направление электрического поля определяется знаком заряда, который в данном случае отрицательный.

Решение

Вставив заряд Q = -1,5 нКл = -1,5 · 10-9 CQ = -1,5 нКл = -1,5 · 10-9 Кл и расстояние r = 3,5 см = 0,035 мр = 3,5 см = 0,035 м в уравнение E = k | Q | r2E = k | Q | r2 дает

18,17E = k | Q | r2 = (8,99 × 109 Н · м2 / C2) | −1,5 × 10−9 C | (0,035 м) 2 = 1,1 × 104 N / CE = k | Q | r2 = (8,99 × 109 Н · м2 / C2) | −1,5 · 10−9 C | (0,035 м) 2 = 1,1 · 104 N / C.

Поскольку заряд отрицательный, силовые линии электрического поля направлены к центру дверной ручки..

Обсуждение

Это похоже на огромное электрическое поле. К счастью, электрическое поле примерно в 100 раз сильнее (3 × 106 Н / К3 × 106 Н / К), чтобы вызвать разрушение воздуха и провести электричество. Кроме того, вес взрослого человека составляет около 70 кг × 9,8 м / с2≈700 Н70 кг × 9,8 м / с2≈700 Н, так почему бы вам не почувствовать силу протонов в руке, когда вы тянетесь к дверной ручке? ? Причина в том, что ваша рука содержит равное количество отрицательного заряда, который отталкивает отрицательный заряд дверной ручки.