Как связать напряжение и напряженность

Обновлено: 18.04.2024

§ 22. Разность потенциалов электростатического поля. Напряжение. Связь между напряжением и напряжённостью однородного электростатического поля

Потенциальная энергия любой системы тел, взаимодействующих посредством потенциальных сил, зависит от выбора нулевой точки (нулевого уровня). Однако изменение потенциальной энергии однозначно характеризует процесс перехода системы из одного состояния в другое. Это относится и к изменению потенциальной энергии заряженной частицы (заряда) в электростатическом поле.

Разность потенциалов. Перемещение заряженных частиц в электростатическом поле, сопровождаемое изменением их потенциальной энергии, характеризуют, используя понятие «разность потенциалов». Как и приращение потенциальной энергии, разность потенциалов не зависит от выбора нулевой точки. Пусть пробный заряд q₀ перемещается в электростатическом поле под действием силы поля из точки 1 в точку 2, потенциалы которых φ₁ и φ₂ (рис. 118).

Разность потенциалов U₁₂ между двумя точками электростатического поля — физическая скалярная величина, равная отношению работы, совершаемой силой поля при перемещении пробного заряда из начальной точки в конечную, к значению этого заряда:

С учётом выражений (21.3) и (21.4) получим:

Из выражения (22.1) следует, что разность потенциалов численно равна убыли потенциальной энергии перемещаемого в поле единичного пробного заряда.

Противоположную по знаку разности потенциалов величину называют приращением потенциала Δφ₁₂ = φ₂ – φ₁ = –( φ₁ – φ₂) = –U ₁₂.

За единицу разности потенциалов в СИ принимают вольт (В). 1 В — разность потенциалов U₁₂ таких двух точек поля, для которых при перемещении заряда 1 Кл из точки 1 в точку 2 сила, действующая на заряд со стороны поля, совершила бы работу 1 Дж.

Отметим, что когда говорят о «потенциале поля в некоторой точке», под этим всегда понимают разность потенциалов между этой точкой и точкой, потенциал поля в которой приняли равным нулю.

Потенциал проводника можно измерить электрометром. Для этого проводник соединяют со стрелкой электрометра, корпус которого заземляют. Отклонение стрелки электрометра покажет наличие разности потенциалов между проводником и Землёй. Приняв потенциал Земли равным нулю, можно считать, что электрометр измеряет потенциал проводника.

Если имеются два заряженных проводника, то, соединив один из них со стрелкой, а другой — с корпусом электрометра, измеряют разность потенциалов между заряженными проводниками.

Связь напряжения с напряжённостья электрического поля

При перемещении положительного заряда q по линии напряженности однородного поля на расстояние d кулоновская сила , совершает работу, равную

С другой стороны, работа электрического поля может быть найдена по известному напряжению U между начальной и конечной точками пути:

Следовательно, напряжение U между двумя точками в однородном электрическом поле, расположенными по одной линии напряженности, равно произведению модуля вектора напряженности поля на расстояние d между этими точками:

Отсюда для напряженности однородного электрического доля получаем выражение

Из соотношения (18.11) следует, что единицей напряженности электрического поля в СИ является вольт на метр (В/м).

В этом видеоуроке мы дадим определение эквипотенциальным поверхностям и укажем правила их построения. Найдём связь между разностью потенциалов и напряжённостью электростатического поля. А также укажем соответствия между основными величинами электростатического и гравитационного полей.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Связь между напряжением и напряжённостью. Эквипотенциальные поверхности"

В 1839 году немецкий учёный Карл Фридрих Гаусс предложил изображать электростатические поля с помощью эквипотенциальных поверхностей.

Эквипотенциальной называется воображаемая поверхность, в каждой точке которой потенциал одинаков.

Из определения эквипотенциальной поверхности следует, что разность потенциалов между двумя любыми её точками равна нулю.

Давайте с вами вспомним, что разностью потенциалов называют скалярную физическую величину, численно равную отношению работы сил поля по перемещению заряда между данными точками поля к величине этого заряда:

Из этого определения следует, что при переносе заряда вдоль эквипотенциальной поверхности работа полем не совершается (то есть она равна нулю).

Однако мы с вами знаем, что в общем случае работа сил электростатического поля пропорциональна переносимому заряду, модулю напряжённости поля, модулю перемещению и косинусу угла между направлением вектора электрической силы и вектора перемещения:

Но в записанной формуле значения заряда, модуля напряжённости и модуля перемещения всегда отличны от нуля. Поэтому должно равняться нулю значение косинуса угла альфа. А это значит, что угол альфа должен быть равен 90 о . Отсюда следует, что линии напряжённости электростатического поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Так, например, эквипотенциальные поверхности однородного электростатического поля представляют собой плоскости, перпендикулярные линиям напряжённости. А эквипотенциальные поверхности точечного заряда — это сферы, в центре которых расположен заряд.

Зная картину эквипотенциальных поверхностей, можно определить напряжённость поля в любой его точке. Например, пусть заряд перемещается с одной эквипотенциальной поверхности на другую, расстояние между которыми по нормали равно d.

Мы уже знаем, что в этом случае работа, совершаемая электростатическим полем по перемещению заряда прямо пропорциональна величине этого заряда, напряжённости поля и модулю перемещения заряда:

С другой стороны, работа поля по перемещению заряда из одной его точки в другую пропорциональна значению переносимого заряда и разности потенциалов начальной и конечной точек:

Давайте почленно разделим первое уравнение для работы на второе:

А из полученного выражения выразим модуль напряжённости поля:

Полученная нами формула выражает связь между напряжённостью и разностью потенциалов (или напряжением) однородного электростатического поля. На её основании и вводится единица напряжённости в СИ — вольт на метр (В/м).

1 В/м — это модуль напряжённости такого однородного электростатического поля, в котором напряжение между двумя точками, лежащими на одной силовой линии на расстоянии 1 м, составляет 1 В.

В заключении отметим, что при изучении электростатического поля мы очень часто сравнивали его с гравитационным полем Земли.

В таблице представлены соответствия между механическими и электрическими величинами этих полей. Обсудите их со своим соседом (или соседкой) по парте.

А теперь, для закрепления материала, решим с вами несколько несложных задач. Задача 1. Напряжённость однородного электростатического поля, образованного двумя эквипотенциальными поверхностями, равна 10 кВ/м. Определите расстояние между этими поверхностями, если потенциал одной из них равен 200 В, а второй — – 150 В.

Задача 2. Между двумя разноимённо заряженными параллельными пластинами, находящимися на расстоянии 1 см друг от друга, покоится отрицательно заряженная капелька масла, плотность которого 900 кг/м 3 . Определите модуль заряда капельки, если её радиус равен 8 нм, а напряжение между пластинами составляет 650 В.

Любой физический объект в окружающем нас мире состоит из огромного количества элементарных частиц, обладающих зарядами. Элементарная частица протон имеет элементарный электрический заряд, которому приписывают (условно) положительный знак, элементарная частица электрон имеет элементарный отрицательный заряд.

Содержание:

Электрический заряд

Под электрическим зарядом понимают физическую величину, которая характеризует способность тел (объектов) вступать в электрическое взаимодействие. Электрический заряд обозначается через q (иногда для обозначения используют заглавную букву Q) и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в Кулонах, [Кл].

Электрический заряд – дискретная величина, кратная элементарному электрическому заряду одного электрона (по модулю) e = 1,60217*10 -9 Кл.

где N – целое число.

С физической точки зрения 1 кулон [Кл] соответствует электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника при силе тока 1 Ампер за 1 секунду.

Заряды существуют в двух видах: положительные (+) и отрицательные (-). Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

Сила взаимодействия зарядов направлена вдоль прямой, соединяющей их, пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (рисунок 1).

Рис. 1. Сила взаимодействия зарядов

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц;

– единичный вектор, направленный вдоль прямой, соединяющей заряды q₁ и q₂.

Силу взаимодействия двух зарядов принято называть кулоновской силой в честь ученого-физика Шарля Кулона, обнаружевшего ее существование.

Если объект (система) не обменивается зарядами с окружающей средой, его называют электрически изолированным. В такой системе сумма электрических зарядов (положительных и отрицательных) не меняется со временем, то есть наблюдается закон сохранения заряда.

Большинство тел в природе электрически нейтральны, так как содержат заряды обоих типов в одинаковом количестве. Положительные и отрицательные заряды попарно нейтрализуют действие друг друга. Для перехода тела в заряженное состояние необходимо пространственно перераспределить в нем заряды, сконцентрировав одноименные заряды в одной области тела. Это возможно сделать, например, при помощи трения или взаимодействия с другим заряженным объектом (рисунок 2).

Рис. 2. Переход незаряженного объекта в заряженное состояние

Электрический заряд порождает в окружающем его пространстве непрерывную материю, называемую электрическим полем. Благодаря электрическому полю заряды имеют возможность взаимодействовать между собой. В электротехнике электрическое поле характеризуется двумя величинами: напряженностью (силовая характеристика) и потенциалом (энергетическая характеристика).

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля – это векторная физическая количественная характеристика электрического поля. Ее величина показывает силу, которая действует на пробный точечный единичный положительный заряд, помещенный в некоторую точку электрического поля.

Под точечным зарядом понимают упрощенную модель положительного заряда, в которой его формой и размером можно пренебречь.

Вектор напряженности по направлению совпадает с вектором силы , с которой электрическое поле действует на положительный точечный заряд, помещенный в заданную точку поля (рисунок 3).

Рис. 3. Вектор напряженности E , созданной зарядом q, в точке А

Величина напряженности поля в точке А определяется согласно формуле

где r – расстояние от заряда q до точки А, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Электрическое поле графически изображается линиями напряженности электрического поля, которые условно принято обозначать исходящими из положительно заряженных элементов и входящими в отрицательно заряженные заряды (рисунок 4).

а) изолированные заряды б) взаимодействующие заряды

Рис. 4. Распределение линий напряженности для изолированных (а) и взаимодействующих (б) зарядов

Потенциал, напряжение

Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии W электрического заряда в электростатическом поле к величине самого заряда q, называют потенциалом φ электрического поля

Потенциал – это скалярная величина, которая показывает, какую работу способно затратить поле, чтобы переместить единичный пробный положительный заряд в бесконечно удалённую точку. Единицей измерения электрического потенциала является вольт, [В].

При этом важно отметить, что работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки электрического поля в другую не зависит от формы траектории перемещения, а зависит только от начального и конечного положения заряда, а также от его величины.

Если имеется некоторая система, состоящая из N точечных зарядов, то потенциал ее электрического поля φ будет равен алгебраической сумме потенциалов полей каждого входящего в него заряда, то есть

Напряжение электрического поля – это разность потенциалов между двумя точками этого поля (рисунок 5).
Напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля.

U = A/q [Дж/Кл] или [В]

Рис. 5. Графическая интерпретация напряжения электрического поля

Напряжение является относительной величиной, то есть всегда определяется относительно некоторого уровня. Нулевой уровень выбирается произвольно и не влияет на итоговое значение напряжения, так как соответствует разности потенциалов в двух точках (то есть изменению потенциальной энергии). Для простоты расчетов в качестве нулевого уровня в большинстве случаев принимают потенциал заземленного проводника или земли.
Как уже было отмечено ранее электрическое напряжение – это разность потенциалов двух точек, следовательно его значение определяется по формуле

В системе СИ за единицу измерения напряжения принимается вольт, [В]. Физически величина напряжения, равная 1 вольту, соответствует работе 1 джоуль при перемещении заряда в 1 кулон.

В этом видеофрагменте мы рассмотрим связь между напряжением и напряжённостью. Напряжение между двумя точками в электростатическом поле, конечно же, зависит от напряжённости поля, а также – от расстояния между этими точками.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Связь между напряжением и напряжённостью"

«Нам необыкновенно повезло,

что мы живём в век, когда

ещё можно делать открытия»

Ричард Фейнман

Данная тема посвящена решению задач на связь между напряжением и напряжённостью.

Задача 1. На рисунке указаны две параллельные пластины, напряжение между которыми равно 600 В. Между ними удерживается пылинка массой 3×10 –12 кг. Найдите заряд этой пылинки.

Запишем второй закон Ньютона для пылинки

Тогда в проекция на ось Оу

Т.к. пылинка находится в состоянии покоя, то её ускорение равно нулю. Тогда получаем

Сила, действующая на заряд, со стороны электростатического поля равна

Из связи между напряжением и напряжённостью получаем

Из последнего уравнения получаем, что заряд пылинки равен

Ответ: 2,45×10 –15 Кл.

Задача 2. Между параллельными заряженными пластинами, расположенными горизонтально, неподвижно висят два одинаковых по модулю заряда 2 нКл. Заряды расположены так, что расстояние между ними равно расстоянию между каждым из зарядов и ближайшей пластиной. Найдите расстояние между пластинами, если напряжение между ними равно 50 кВ. Гравитационными силами пренебречь.

Заряды находятся в равновесии, причём ясно, что заряды разноимённые, то есть, они притягиваются друг к другу. Также, каждый из зарядов, притягивается к ближайшей пластине. Во всех остальных случаях, равновесие такой системы было бы невозможно.

Запишем второй закон Ньютона для первого заряда

Запишем второй закон Ньютона для второго заряда

Т.к. заряды находятся в покое, то их ускорения равны нулю. Тогда получаем в проекциях на ось Оу

Силы, действующие на заряды со стороны электростатического поля равны

Поскольку заряды неподвижны, то

Кроме того, поскольку расстояния

Также силу можно представить как

Приравняем два последних уравнения

Ответ: 32,4 см.

Задача 3. Точка А лежит на линии напряжённости однородного электростатического поля. Известно, что напряжённость поля составляет 100 В/м. На расстоянии 20 см от точки А находится точка В. Найдите напряжение между точками А и В, если точки А и В лежат: а) на одной линии напряжённости; б) на прямой, перпендикулярной линиям напряжённости; в) на прямой, направленной под углом 30º к линиям напряжённости.

Связь между напряжением и напряжённостью имеет вид

Из определения косинуса следует, что

Рассмотрим первый случай

Тогда напряжение между точками равно

Рассмотрим второй случай

Тогда напряжение между точками равно

Рассмотрим последний случай

В этом случаи получаем, что напряжение между точками равно

Ответ: а) 20 В; б) 0 В; в) 17,3 В.

Задача 4. Даны две пластины А и В, расположенные параллельно на расстоянии 12 см друг от друга. На пластины поданы потенциалы 50 В и –50 В соответственно. На расстоянии 2 см от пластины А помещают заземлённую пластину С. Найдите изменения напряжённости на участках АС и СВ. Постройте график зависимости напряжённости от расстояния от пластины А.

Линии напряжённости направлены в сторону убывания потенциала.

Запишем формулу, определяющую связь напряжённости с напряжением.

Электрическое напряжение между двумя точками – это разность потенциалов этих точек. Исходя из этого, можно записать выражение для напряжённости на участках АС и СВ