ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД, НАПРЯЖЕНИЕ, ПОТЕНЦИАЛ
а) Электрические заряды и электрическое поле. Всякое тело содержит большое число элементарных частиц вещества, обладающих электрическими зарядами. Одни из элементарных заряженных частиц входят в состав атомов и молекул вещества, другие не входят, т. е. находятся в свободном состоянии. Элементарная частица протон имеет элементарный электрический заряд, которому приписан (условно) положительный знак, элементарная частица электрон имеет элементарный заряд противоположного — отрицательного знака.
В заряженном теле преобладают положительные или отрицательные заряды, в электрически нейтральном теле число тех и других зарядов одинаково. Разноименно заряженные частицы или тела притягиваются друг к другу, одноименно заряженные — отталкиваются.
Движущиеся электрические заряды неразрывно связаны с окружающим их электромагнитным полем, которое представляет собой один из видов материи. Электромагнитное поле характеризуется двумя взаимно связанными составляющими: электрическим полем и магнитным полем, которые можно обнаружить, например, по силовому действию на заряженные частицы или тела. Электромагнитное поле неподвижных зарядов имеет только одну составляющую — электрическое поле.
Так как электрическое поле оказывает силовое действие на электрически заряженные тела или заряженные частицы, то оно способно совершать работу. Следовательно, электрическое поле обладает энергией.
Для оценки силового действия электрического поля каждую его точку характеризуют электрической величиной, которую называют напряженностью электрического поля.
Напряженность электрического поля E определяется отношением силы F, с которой поле заряженных частиц или тел действует на пробный точечный заряд q (заряд очень малых размеров и его внесение в исследуемое поле не приводит к искажению поля), находящийся в данной точке поля, к численному значению этого заряда:
(1.1)
Напряженность поля характеризуется не только численным значением, но и направлением, которое совпадает с направлением силы, действующей на положительный точечный заряд, находящийся в данной точке поля. Следовательно, напряженность поля — пространственный вектор.
Электрическое поле графически изображается линиями напряженности электрического поля. Линия напряженности проводится так, чтобы в каждой ее точке вектор напряженности поля был направлен по касательной к 
ней. Линия напряженности поля неподвижных зарядов начинается на положительном заряде и оканчивается на отрицательном; таким образом, эти линии не замкнуты (рис. 1,1).
Поле называется однородным, если во всех его точках векторы напряженности равны друг другу (рис. 1.1, б), в противном случае поле будет неоднородным (рис. 1.1, а). Примером однородного поля может служить электрическое поле между параллельными пластинами (рис. 1.1) в области, достаточно удаленной от краев пластин.
б) Электрическое напряжение. Допустим, что положительный точечный заряд q переместился в однородном электрическом поле под действием сил этого поля из точки М в точку Н на расстояние l (рис. 1.2) в направлении поля.
Совершенная при этом силами поля за счет энергии поля работа A=Fl, или с учетом (1.1)
(1.2)
Величина, определяемая отношением работы по перемещению точечного положительного заряда q между двумя точками поля к численному значению заряда, называется электрическим напряжением между указанными точками М и Н:
. (1.3)
Численно напряжение между двумя точками равно работе сил поля при перемещении между этими точками положительного единичного заряда.
В однородном поле по (1.2) A=Eql и напряжение
. (1.3а)
В Международной системе единиц СИ (SI) (МКСА) приняты единицы измерения величин: длины — метр (м); массы— килограмм (кг); времени — секунда (с); электрического тока – ампер (а); силы — ньютон (Н); работы — джоуль (Дж); электрического заряда — кулон (Кл); электрического напряжения — вольт (В).
Из выражения (1.3а) следует, что 1 В = 1 Дж/1 Кл.
Напряженность электрического поля согласно (1.3а) определяется выражением
(1.4)
и измеряется в вольтах на метр: [Е]=В/м.
Допустим, что положительный точечный заряд q находится в точке М электрического поля, созданного другими зарядами (рис. 1.2). Если под действием сил поля заряд q удалится за пределы поля, то силами поля будет совершена работа, равная потенциальной энергии WM, которой обладал заряд q находясь в точке М. Потенциальная энергия, отнесенная к численному значению заряда, находящегося в какой-либо точке электрического поля, является одной из характеристик электрического поля всех других зарядов в данной точке (например, М) и называется потенциалом φ этой точки поля. Итак, по определению, потенциалы электрического поля в точках М и Н: φМ= WM /q и φН= WН /q.
При перемещении силами поля заряда q из точки М в точку Н независимо от формы пути производится работа, равная изменению запаса потенциальной энергии поля, А= WM – WН. Так как WM = φМ q и WН = φН q, то А= q(φМ– φН), откуда, учитывая (1.3), получаем
(1.5)
т.е. напряжение между двумя точками электрического поля равно разности потенциалов этих точек. Потенциал измеряется в вольтах, т. е. в тех же единицах, что и напряжение.
1.2. ПРОВОДНИКИ, ИЗОЛЯТОРЫ, ПОЛУПРОВОДНИКИ
Все вещества (тела) состоят из атомов и молекул. Атом имеет положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны, совершающие орбитальные движения вокруг ядра. Если суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду, то атом электрически нейтрален. Порядковый номер элемента в периодической таблице Менделеева определяется числом электронов нейтрального атома. Электрический заряд электрона (элементарный заряд) равен qЭЛ = –1,6х10-19 Кл. Заряд ядра по абсолютному значению равен заряду электрона, умноженному на число электронов нейтрального атома.
Электроны атомов обычно находятся на определенных орбитах (рис. 1.3). Электроны, находящиеся на внутренних орбитах, относительно прочно связаны с ядром атома. Электроны, находящиеся на внешних орбитах (валентные электроны) сравнительно легко могут отделяться от атома, после
 |
чего становятся «свободными» или присоединяются к другому атому или молекуле. Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом, а атом, присоединивший электроны, — отрицательным ионом. Процесс образования ионов называется ионизацией. Количество носителей заряда — свободных электронов или ионов — в единице объема вещества принято называть концентрацией носителей заряда.
Электрический ток (проводимости) — это явление упорядоченного (направленного) движения заряженных частиц. Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью. Электропроводность вещества зависит от концентрации носителей заряда: чем выше концентрация, тем больше электропроводность. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.
Основным свойством проводящих веществ (материалов), или проводников, является их высокая электропроводность. Проводники делятся на два рода.
В проводниках первого рода, к которым преимущественно относятся все металлы и их сплавы, электрический ток создается перемещением только электронов — это проводники с электронной проводимостью. Прохождение тока в них не сопровождается химическими изменениями материала проводника. Лучшими проводниками являются серебро, медь, алюминий.
Согласно классической электронной теории высокая электропроводность металлов объясняется наличием в них огромного количества свободных электронов — электронов проводимости, находящихся в состоянии беспорядочного (хаотического) движения.
Проводники второго рода, или проводники с ионной проводимостью, представляют собой расплавы некоторых солей и водные растворы кислот, солей, щелочей. В расплавах и растворах независимо от прохождения тока происходит распад их нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы (электролитическая диссоциация). Расплавы и растворы веществ, состоящие частично или полностью из ионов, называются еще электролитами. При отсутствии внешнего электрического поля ионы и молекулы находятся в состоянии хаотического движения.
Диэлектриками (изоляторами) называются вещества (материалы), в которых при нормальных условиях (невысокие температуры и отсутствие сильных электрических полей) имеется ничтожное количество свободных электрически заряженных частиц; вследствие этого они обладают ничтожной электропроводностью, которой во многих случаях можно пренебречь. К числу изоляторов относятся некоторые газы и жидкости — минеральные масла, лаки, а также большое число твердых материалов, за исключением металлов, их сплавов и угля. Однако при некоторых условиях, например при действии высоких температур или сильных электрических полей, в диэлектриках возможны расщепление молекул на ионы и потеря ими изолирующих свойств (пробой изоляции).
Полупроводники (полупроводящие вещества или материалы) по своей электропроводности занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. К полупроводникам относятся кремний, германий, теллур, селен, окислы металлов, соединения металлов с серой и т.д.
1.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК И ЕГО ПЛОТНОСТЬ
а) Электрический ток. Из сказанного в § 1.2 следует, что для возникновения и прохождения электрического тока в проводнике необходимо:
1) наличие в проводнике носителей зарядов, которые могут перемещаться — свободных электронов в металлах, ионов и свободных электронов в электролитах;
2) наличие в проводнике электрического поля.
Для поддержания направленного движения зарядов в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле в проводнике, подключив к нему два вывода (электрода) источника электрической энергии, например аккумулятора. Таким образом, электрический ток проходит в проводнике, если проводник вместе с источником электрической энергии образует хотя бы простейшую электрическую цепь. Поле в проводнике создается зарядами, накапливающимися на электродах источника под действием химических (в аккумуляторах и гальванических батареях), механических (в электромашинных генераторах) или других сил, действующих в источнике. В электротехнике говорят, что между электродами, к которым подключен источник энергии, приложено напряжение этого источника.
Направление тока I в проводнике считают совпадающим с направлением напряженности поля, т. е. с направлением силы, действующей на положительный заряд, и направлением движения положительных зарядов. Поэтому за направление тока принято считать направление, обратное направлению движения электронов. Не изменяющийся во времени ток I называют постоянным.
 |
В металлическом проводе свободные электроны движутся также в направлении, противоположном направлению вектора напряженности электрического поля E и принятому направлению тока. Направление тока I указывают стрелкой (рис. 1.4).
Ток (сила тока) i определяется количеством электричества (зарядом), проходящим через выделенную поверхность проводника, в частности для проводов (рис. 1.4) — через поперечное, сечение, в единицу времени.
Обозначив буквой Q заряд, проходящий через поперечное сечение за время t, получим
. (1.6)
Постоянный ток обозначается заглавной буквой I, а изменяющийся с течением времени (переменный) ток в отличие от постоянного обозначается строчной (малой) буквой i. Если за бесконечно малый промежуток времени dt через поперечное сечение проходит бесконечно малый заряд dq, то ток определяется по аналогичной формуле:
. (1.7)
Единицей тока является ампер (А). Постоянный той в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение за 1 с проходит электрический заряд, равный 1 Кл, т, е. 1 А=1 Кл / 1с.
б) Плотность тока. При равномерном распределении тока по выделенной поверхности проводника отношение тока I к площади S этой поверхности определяет плотность тока:
. (1.8)
Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм2. Вектор плотности тока в проводе постоянного сечения направлен нормально к плоскости его поперечного сечения (рис. 1.4).