Характеристики электрического поля напряженность и потенциал

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность. Напряженность каждой точки электрического поля характеризуется силой, с которой поле действует на единицу заряда, помещенного в эту точку и определяется по формуле:. Е — напряженность электрического поля, F — сила действующая на заряд, q — электрический заряд. Направление вектора напряженности в любой точке электрического поля совпадает с направлением силы, действующей заряд.

Свойства и основные характеристики электрических полей

Напряженность является параметром каждой точки электрическою поля и не зависит от величины от заряда q. Напряженность электрического поля, созданного несколькими зарядами в какой-либо точке этого поля, определяется геометрической суммой напряженностей, созданных в этой точке каждым точечным зарядом: Для наглядности электрическое поле изображают силовыми линиями.

Силовые линии направлены от положительного заряда к отрицательному. Линия проводится так, чтобы вектор напряженности поля в данной точке являлся касательной к ней рис. Электрическое поле называют однородным, если напряженность его во всех точках одинакова по величине и направлению. Однородное электрическое поле изображается параллельными линиями, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга. Обозначается потенциал буквой , измеряется в вольтах В.

Электрический потенциал — работа, которую нужно выполнить, чтобы перенести единицу заряда 1Кл из данной точки в бесконечность или. Потенциал — скалярная величина. Если электрическое поле создано несколькими зарядами, то потенциал в каждой точке поля определяется алгебраической суммой потенциалов, созданных в этой точке каждым зарядом. Заряд перемещается из точки с большим потенциалом в точку с меньшим потенциалом. Между двумя точками с равными потенциалами заряд перемещаться не будет.

Для перемещения заряда между двумя точками электрического поля должна быть разность потенциалов в этих точках. Кроме того, напряжение между двумя точками электрического поля характеризуется энергией, затраченной на перемещение единицы положительного заряда между этими точками, т.

Отсюда видно, что напряжение - это работа, затрачиваемая на перенос единицы заряда 1Кл из точки 1 в точку 2 поля напряженностью по произвольному пути. В общем случае для неоднородного электрического поля значение напряжения определяется 1. Явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или вакууме называется электрическим током.

Напряженностьи потенциал — характеристики электрического поля

Условиями возникновения электрического тока являются: Обозначается величина постоянного тока буквой I. Измеряется ток в амперах, то есть А ампер. Величина тока I определяется количеством электричества зарядов q , проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени t:.

За направление постоянного тока в замкнутой электрической цепи принимается направление от положительного полюса источника к его отрицательному полюсу по внешнему участку цепи, т. Силу электрического тока измеряют с помощью амперметра. Амперметр включается в цепь последовательно. На практике вместо силы тока, часто используют плотность. Обозначается плотность тока буквой J. Отношение величины тока в проводнике I к площади его поперечного сечения S характеризует плотность тока в этом проводнике.

Электрическую энергию можно получить из других видов энергии при наличии сторонней силы. Сторонние силы — это любые силы неэлектростатистического происхождения. Величина, характеризующая способность сторонних сил вызывать электрический ток, называется электродвижущей силой ЭДС. Единицей измерения ЭДС является вольт. ЭДС характеризуется энергией, которую затрачивает или может затратить источник на перемещение единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи:.

Источники энергии постоянного тока. Источники ЭДС и тока. К источникам энергии постоянного тока относят гальванические элементы аккумуляторы и т. Принципом действия гальванических элементов и аккумуляторов является электролиз. Источник электродвижущей силы — это источники электрической энергии, характеризирующейся электродвижущей силой E и внутренним электрическим сопротивлением Rвн.

За положительное направление ЭДС источника принимается направление возрастания потенциала внутри этого источника. Внутреннее сопротивление Rвн показывает, что часть энергии, вырабатываемой источником, используется внутри источника.

Поэтому, напряжение на выходах источника равна разности между ЭДС источника и падением напряжения на внутреннем сопротивлении и определяется по формуле:. Напряжение между выводами идеального источника ЭДС не зависит от тока, а его внешняя характеристика определяется выражением: Источник электрической энергии с большим внутренним сопротивлением называется источником тока. Закон Ома для участка электрической цепи устанавливает зависимость между током, напряжением и сопротивлением на этом участке цепи.

Математическое выражение закона Ома для участка имеет вид:. Часто место сопротивления пользуются проводимостью. Проводимость — это величина обратная сопротивлению 1. Единицей проводимости является сименс См. Тогда закон Ома для участка цепи можно записать так 1. Первый закон Кирхгофа говорит о том, что в любой момент времени количество электрических зарядов, направленных к узлу, равно количеству зарядов, направленных от узла, откуда следует, что электрический заряд в узле не накапливается.

Поэтому алгебраическая сумма токов в ветвях, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю:. До написания уравнения 1. Второй закон Кирхгофа отражает положение о том, что изменение потенциала во всех элементах контура в сумме равно нулю.

Из этого следует такая формулировка второго закона Кирхгофа: Где n — число ЭДС в контуре; m — число элементов с сопротивлением в контуре. При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа предварительно задают условные положительные направления токов во всех ветвях электрической цепи и для каждого контура выбирают направление обхода.

Если при этом направление ЭДС совпадает с направлением обхода контура, то такую ЭДС берут со знаком плюс, если не совпадает — со знаком минус. Падения напряжений в правой части уравнения 1. Если несколько резисторов соединены один за другим без разветвлений и по ним протекает один и тот же ток, такое соединение называется последовательным. Если сопротивления равны, т. Параллельным соединением приемников называется такое соединение, при котором к одним и тем же двум узлам электрической цепи присоединяется несколько ветвей.

Если сопротивления равны, то 1. При последовательном соединении ЭДС один источник ЭДС следует за другим. Возможны два случая включения последовательно: При согласованном включении ЭДС складываются при встречном вычитаются. По второму закону Кирхгофа можем записать:. При последовательном соединении источников с одинаковыми параметрами. При параллельном соединении источников с одинаковыми параметрами их общая ЭДС не изменится, но уменьшатся токи через каждый источник и внутреннее сопротивление общего источника.

При одинаковых источниках ЭДС:. Этот метод расчета основан на том, что действительный истинный ток в любой ветви, входящей в несколько контуров например, на рис. Исходя из этого, сложную цепь можно разбить на ряд контуров и считать, что в каждой ветви данного контура протекает одинаковый ток.

Этот ток называют контурным. Направление его выбирают произвольно. Контурные токи и будут теми неизвестными, которые нужно определить. Зная значения и направления контурных токов, можно определить действительный ток в каждой ветви цепи:. Как определить контурные токи?

Для каждого контура составляют уравнения по второму закону Кирхгофа, причем при составлении уравнений контур обходят по направлению контурного тока. При этом необходимо учитывать падение напряжения в смежной с другим контуром ветви от контурного тока смежного контура. Это падение напряжения будет положительным, если направление контурного тока в смежном контуре совпадает с направлением обхода данного контура и отрицательным, если направление контурного тока не совпадает с направлением обхода.

Для решения системы уравнений, составленной по второму закону Кирхгофа, целесообразно применить метод определителей. Тогда в общем виде эта система уравнений записывается следующим образом:. Они имеют знак плюс, если направление обхода контура и направление действия суммарной э. Для цепи на рис. Собственные сопротивления контуров для цепи на рис. Смежное общее сопротивление представляет собой сопротивление ветви, входящей в несколько контуров. Его обозначают с индексом, состоящим из номеров контуров, в которые входит ветвь.

Если через общее сопротивление контурные токи смежных контуров протекают в разных направлениях, в уравнение 2 такое общее сопротивление ставится со знаком минус. В цепи на рис. Для составления определителя необходимо, чтобы все уравнения имели одинаковое число членов. В правую часть каждого уравнения записываются произведения всех контурных токов на соответствующие сопротивления, а в случае, если это сопротивление не входит в рассматриваемый контур, его принимают равным нулю.

Составим уравнения для 3-х контуров на рис. Если в эти уравнения поставить значения каждого члена и учесть сказанное о знаках, получим уравнение 1. Каждый частный определитель получается путем замены в главном определителе сопротивлений К — го столбца на соответствующие э.

При расчете цепи методом контурных токов можно не составлять уравнения по 2 — ому закону Кирхгофа, а достаточно составить определители по уравнениям 5 , 6 и по уравнению 5 рассчитать контурные токи. При составлении определителей нельзя забывать о знаках перед членами определителя перед э.

Метод наложения основан на принципе независимости действия э. Согласно этому принципу токи, протекающие в цепи при наличии нескольких э. Вначале определяются значения токов в ветвях, создаваемых действием только одного источника например, для рис. Затем таким же образом определяют токи в ветвях, создаваемые действием другого источника например, для рис.

Затем находятся действительные токи в ветвях, как алгебраические суммы токов, создаваемые в одних и тех же ветвях отдельными источниками. Рассмотрим порядок определения токов, создаваемых отдельными э. Вначале находятся токи в ветвях и их направления при действии только одной э. После этого определяются токи в ветвях схемы рис. Е 1 , а именно:. Затем составляется схема рис. Аналогично вышеизложенному рассчитываются токи, создаваемые действием источника Е 2.

Действительные токи в ветвях определяются как алгебраическая сумма составляющих токов, проходящих через соответствующие ветви:. Составляется третья схема, на которой наносится направления действительных токов. Направление действительных токов в ветвях выбирается по большему составляющему току в каждой цепи. Выбираем произвольно направление контурных токов I 11 и II 22 по часовой стрелке. Внутренними сопротивлениями источников пренебрегаем. E 2 знак минус, так как направление обхода контура не совпадает с положительным направлением действия э.

При составлении уравнения по второму закону Кирхгофа направление обхода контуров принимаем совпадающим с направлением контурных токов. В соответствии с численными значениями, полученными для R 11 , R 12 , R 21 , R 22 , E 11 и E 22 , с учетом знаков уравнения перепишутся следующим образом:. Главный определитель системы равен:. Значение контурного тока I 22 получилось отрицательным, поэтому истинное направление его будет обратным принятому на рис.

Пример расчета линейной цепи методом наложения. Найти этим методом токи в ветвях схемы рис. Исключаем из схемы э. При действии в схеме рис. E 1 примем, что токи будут иметь направления, как указано на рис. E 1 и E 2 принимаем равными нулю. Действительные токи в ветвях определяются алгебраическим сложением составляющих токов ветвей.

Направления действительных токов в ветвях определяются по большей составляющей тока каждой ветви. Таким образом, накладывая схему рис. Следует отметить, что при расчете более сложной электрической цепи, общее сопротивление эквивалентной схеме более удобно определить, разбивая всю схему, начиная со стороны противоположной действию источника э.

Двухполюсником называется часть сложной электрической цепи, которая имеет два зажима входной и выходной , называемых полюсами.

Двухполюсники бывают пассивные и активные. Двухполюсник, не содержащий источника энергии, называется пассивным. Линейным пассивный двухполюсник будет и тогда, когда в нем будут содержаться источники энергии, э.

Двухполюсники условно изображают в виде прямоугольника, при этом для обозначения пассивного двухполюсника в прямоугольнике либо ставят букву П , либо не ставят никакой буквы рис. В схеме некомпенсированные двухполюсники, в которых содержатся источники электрической энергии, называются активными рис. В этом случае при обозначении двухполюсника в прямоугольнике ставят букву А.

При анализе электрической цепи, в которую входит пассивный двухполюсник, достаточно знать его характеристику. Так как пассивный двухполюсник является потребителем энергии, то в качестве характеристики можно взять его сопротивление, которое в этом случае называется внутренним или входным. Следовательно, на схеме замещения пассивный двухполюсник можно представить в виде одного элемента с сопротивлением, равным входному сопротивлению двухполюсника.

Для активного двухполюсника наряду с сопротивлением важной характеристикой является внешняя, или вольт-амперная, характеристика, которая полностью определяет его свойства. Электрическая энергия и работа. Работа и энергия — понятия равноценные. Энергия — способность источника совершать работу.

Чтобы измерить энергию источника, надо измерить работу, которую он совершает, расходуя эту энергию. Измеряется энергия и работа в Джоулях Дж. Электрическая мощность — это физическая величина, характеризующая быстроту передачи или преобразования электрической энергии:. Отношение мощности приемника полезной мощности к мощности источника энергии называется его коэффициентом полезного действия КПД:.

Источник ЭДС развивает максимальную полезную мощность, когда внешнее сопротивление равно внутреннему сопротивлению источника:. Режим цепи, при котором внешнее сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению источника энергии, называется режимом согласованной нагрузки. Таким образом, более высокие значения к. При протекании электрического тока по проводникам происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Эта зависимость выражается формулой получившей название закон Джоуля-Ленца:.

Количество тепла Q измеряется иногда внесистемной единицей — калорией. Последнее изменение этой страницы: Все права принадлежать их авторам. Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления. Напряженность и потенциал электрического поля.