Электрические заряды в атомах
Лишь в прошлом столетии стало ясно, что причина существования электрического заряда кроется в самих атомах. Позднее мы обсудим строение атома и развитие представлений о нем более подробно. Здесь же кратко остановимся на основных идеях, которые помогут нам лучше понять природу электричества.
По современным представлениям атом (несколько упрощенно) состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, окруженного одним или несколькими отрицательно заряженными электронами. В нормальном состоянии положительный и отрицательный заряды в атоме равны по величине, и атом в целом электрически нейтрален. Однако атом может терять или приобретать один или несколько электронов. Тогда его заряд будет положительным или отрицательным, и такой атом называют ионом.
В твердом теле ядра могут колебаться, оставаясь вблизи фиксированных положений, в то время как часть электронов движется совершенно свободно. Электризацию трением можно объяснить тем, что в различных веществах ядра удерживают электроны с различной силой. Когда пластмассовая линейка, которую натирают бумажной салфеткой, приобретает отрицательный заряд, это означает, что электроны в бумажной салфетке удерживаются слабее, чем в пластмассе, и часть их переходит с салфетки на линейку. Положительный заряд салфетки равен по величине отрицательному заряду, приобретенному линейкой.
Обычно предметы, наэлектризованные трением, лишь некоторое время удерживают заряд и, в конечном итоге, возвращаются в электрически нейтральное состояние. Куда исчезает заряд? Он «стекает» на содержащиеся в воздухе молекулы воды. Дело в том, что молекулы воды полярны: хотя в целом они электрически нейтральны, заряд в них распределен неоднородно (рис. 22.3). Поэтому лишние электроны с наэлектризованной линейки будут «стекать» в воздух, притягиваясь к положительно заряженной области молекулы воды. С другой стороны, положительный заряд предмета будет нейтрализоваться электронами, которые слабо удерживаются молекулами воды в воздухе. В сухую погоду влияние статического электричества гораздо заметнее: в воздухе содержится меньше молекул воды и заряд стекает не так быстро. В сырую дождливую погоду предмет не в состоянии надолго удержать свой заряд.
Что такое потенциал
Разница потенциалов перемещает заряженную частицу. Однако справедливо и обратное утверждение. По выполненным затратам определяют количество энергии, которую надо использовать на соответствующее передвижение. В базовых понятиях оперируют единичным положительным зарядом.
Заряды с разными потенциалами
На левом рисунке (1) изображены заряды со сравнительно небольшим энергетическим запасом. На правом (2) – показано измененное расположение силовых линий при увеличении потенциала.
Повышение напряженности допустимо только до определенного уровня, ограниченного диэлектрическими характеристиками материала (среды). При определенном значении происходит пробой между точками с разными потенциалами. Примеры – молния, короткое замыкание. При q1=q2 поле отсутствует.
Силы и их действие на заряженную частицу
Теоретический эксперимент для исключения паразитных воздействий выполняют в идеальной среде. Вакуум обеспечивает отсутствие механических препятствий. Удаленность массивных тел предотвращает гравитационные влияния. Устраняют световые потоки.
Формула, поясняющая зависимость между основными параметрами
Если частицу с единичным зарядом (q) поместить в такую среду с электростатическим полем, она начнет перемещаться из точки с потенциалом ϕ1 в другое место с энергетическим запасом ϕ2. Будет выполнена работа (А).
Неравномерность силовых параметров поля показывают специальными линиями, которые можно характеризовать следующим образом:
- направленность в сторону уменьшения потенциала от плюса (севера) к минусу (югу), соответственно;
- отсутствие пересечений в любой точке поля;
- уменьшение расстояния между отдельными компонентами свидетельствует об увеличении напряженности.
Работа электростатического поля. Потенциал. Эквипотенциальные поверхности
- Подробности
- Просмотров: 308
Электростатическое поле — это электрическое поле неподвижного заряда.
Сила F эл, действующая на заряд, перемещает его, совершая раборту.
В однородном электрическом поле Fэл = qE — постоянная величина
Работа поля (электрической силы) не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории равна нулю.
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО ТЕЛА В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Электростатическая энергия — потенциальная энергия системы заряженных тел (т.к. они взаимодействуют и способны совершить работу).
Так как работа поля не зависит от формы траектории, то одновременно
Сравнивая формулы работы, получим потенциальную энергию заряда в однородном электростатическом поле
Если поле совершает положительную работу ( вдоль силовых линий ), то потенциальная энергия заряженного тела уменьшается (но согласно закону сохранения энергии увеличивается кинетическая энергия ) и наоборот.
ПОТЕНЦИАЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
-энергитическая характеристика электрического поля.
— равен отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду.
— скалярная величина, определяющая потенциальную энергию заряда в любой точке электрического поля.
Величина потенциала считается относительно выбранного нулевого уровня.
РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ ( или иначе НАПРЯЖЕНИЕ )
— это разность потенциалов в начальной и конечной точках траектории заряда.
Напряжение между двумя точками ( U ) равно разности потенциалов этих точек и равно работе поля по перемещению единичного заряда.
СВЯЗЬ МЕЖДУ НАПРЯЖЕННОСТЬЮ ПОЛЯ И РАЗНОСТЬЮ ПОТЕНЦИАЛОВ
Чем меньше меняется потенциал на отрезке пути, тем меньше напряженность поля.
Напряженность электрического поля направлена в сторону уменьшения потенциала.
ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ
— поверхности, все точки которых имеют одинаковый потенциал
для однородного поля — это плоскость
для поля точечного заряда — это концентрические сферы
Эквипотенциальная поверхность имеется у любого проводника в электростатическом поле, т.к. силовые линии перпендикулярны поверхности проводника.
Все точки внутри проводника имеют одинаковый потенциал ( =0).
Напряженность внутри проводника = 0, значит и разность потенциалов внутри = 0.
Следующая страница «Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора»
Назад в раздел «10-11 класс»
Электростатика и законы постоянного тока — Класс!ная физика
Электрический заряд. Электризация. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Единица электрического заряда —
Близкодействие и дальнодействие. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей. Силовые линии электрического поля —
Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Поляризация диэлектриков —
Потенциальная энергия тела в электростатическом поле. Потенциал электростатического поля и разность потенциалов. Связь между напряженностью электростатического поля и разхностью потенциалов —
Электроемкость. Конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора —
Электрический ток. Сила тока. Условия, необходимые для существования электрического тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление —
Работа и мощность тока
Вычисления работы электрического поля по перемещению заряда
Мы уже указывали на сходство законов взаимодействия электрически заряженных тел (закон Кулона) и массивных тел (закон всемирного тяготения). В обоих случаях
Соответственно и последствия из законов должны быть похожими.
В курсе механики мы выяснили, что сила всемирного тяготения является консервативной силой, поскольку ее работа по перемещению тела массой m в пространстве не зависит от траектории движения тела, а определяется только его начальным и конечным положениями. Работа по перемещению тела по замкнутой траектории равна нулю. Работа силы земного притяжения (у поверхности Земли) A = mg (h1 — h2 ) (обозначение см. рис. ниже); во всемирном масштабе работа гравитационной силы
Напоминаем, что силовое поле, в котором работа не зависит от формы траектории, называют потенциальным.
В каждой точке поля тело имеет определенную потенциальную энергию относительно выбранного нулевого уровня. Значение потенциальной энергии тела в данной точке пространства определяется работой поля по перемещению тела от этой точки на нулевой уровень. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела A = — (Еп2 — Эп1 ).
Эти выводы получены из закона всемирного тяготения Ньютона, подобные выводы должны быть получены и для электростатических сил, действующих в электрическом поле.
Рассмотрим движение точечного заряда в однородном электрическом поле. Пусть однородное поле создают большие металлические пластины, имеющие заряды противоположных знаков. Это поле действует на точечный тело постоянной силой
подобно тому, как поле тяготения действует с постоянной силой
на тело вблизи поверхности Земли.
Пусть пластины размещены горизонтально. Вычислим работу, которую выполняет электростатическое поле, перемещая положительный заряд q с точки 1, расположенной на расстоянии d1 от отрицательно заряженной пластины, в точку 2, удаленную на расстояние d2 , по прямолинейной траектории (а).
Перемещение положительного заряда в однородном электрическом поле: а — по прямолинейной траектории; б — по ломаной
Как известно из курса механики, работа по перемещению тела определяется формулой A = Fscosα, где α — угол между векторами силы и перемещения.
Согласно электрическое поле на участке 1-2 выполняет работу A = Fd, где d = s cos α. С учетом того, что F = qE, получаем A = qEd = qE (d1 — d2 ). Эта работа не зависит от формы траектории, подобно тому, как не зависит от формы траектории работа силы тяжести. Докажем это. Пусть теперь положительный заряд q перемещается с точки 1 в точку 2 на ломаном ВDС (б). Тогда поле выполняет работу A = qE (BD cos α1 + DC cos α2 ) = qE (BD1+ D1 C1 ) = qEd.
К такому же выводу мы придем для любого вида траектории движения точечного заряда, ведь любую кривую можно заменить перемещением по ломаной траектории с достаточно малыми ступенями:
Криволинейную траекторию можно заменить траекторией в виде ломаной линии, с какой угодно точностью, если взять достаточно малые ступени.
Мы доказали, что в однородном электрическом поле работа электростатических сил не зависит от формы траектории. Итак, работа по перемещению заряда по замкнутой траектории равна нулю.
Можно доказать, что этот вывод подтверждается и для неоднородных полей, например, для поля точечного заряда. В этом случае работу по перемещению положительного заряда q с точки 1, которая находится на расстоянии r1 от заряда q, что создает поле, в точку 2, которая находится на расстоянии r2 , определяют по формуле
независимо от формы траектории.
Работа по перемещению заряда в неоднородном поле
Итак, электростатические силы взаимодействия между неподвижными точечными зарядами являются консервативными. А поле консервативных сил потенциальным. Согласно этому электрическое поле, так же, как и гравитационное поле, — потенциальное. И работа сил электрического поля может быть определена из-за изменения потенциальной энергии точечного заряда в этом поле.
Изоляторы и проводники
Пусть имеются два металлических шара, один из которых сильно заряжен, а другой электрически нейтрален. Если мы соединим их, скажем, железным гвоздем, то незаряженный шар быстро приобретет электрический заряд. Если же мы одновременно коснемся обоих шаров деревянной палочкой или куском резины, то шар, не имевший заряда, останется незаряженным. Такие вещества, как железо, называют проводниками электричества; дерево же и резину называют непроводниками, или изоляторами.
Металлы обычно являются хорошими проводниками; большинство других веществ изоляторы (впрочем, и изоляторы чуть-чуть проводят электричество). Любопытно, что почти все природные материалы попадают в одну из этих двух резко различных категорий. Есть, однако, вещества (среди которых следует назвать кремний, германий и углерод), принадлежащие к промежуточной (но тоже резко обособленной) категории. Их называют полупроводниками.
С точки зрения атомной теории электроны в изоляторах связаны с ядрами очень прочно, в то время как в проводниках многие электроны связаны очень слабо и могут свободно перемещаться внутри вещества. Когда положительно заряженный предмет подносится вплотную к проводнику или соприкасается с ним, свободные электроны быстро перемещаются к положительному заряду. Если же предмет заряжен отрицательно, то электроны, наоборот, стремятся удалиться от него. В полупроводниках свободных электронов очень мало, а в изоляторах они практически отсутствуют.
Работа по передвижению положительного заряда
Перемещение заряженной частицы из области с положительным в точку с отрицательным потенциалом совершается при наличии электрического поля. Передвижение выполняется с ускорением.
Потоком называют количество линий, проходящих через определенную область поля. Это понятие условно, так как до сих пор в научной среде спорят о природе электричества. Тем не менее, соответствующее физическое воздействие достаточно точно описано формулами. Как показано на примерах, его используют при создании разных устройств и деталей.
Положительный заряд перемещается от высокого к низкому потенциалу. В каждой точке траектории можно определить силу воздействия. Для повышения точности вычислений в некоторых ситуациях приходится учитывать проводимость среды. Расчет типовых электрических цепей выполняют с помощью закона Ома.
Применение на практике
Если принять во внимание вышесказанное, то стоит отметить, что ток по кабелю протекает и распределяется, словно по внешнему диаметру трубы. Это вызвано особенностями распределения электронов в проводящем теле
Любопытно, что при протекании токов в системах с током высокой частоты наблюдается скин-эффект. Это и есть распределение зарядов по поверхности проводников. Но в этом случае наблюдается ещё более тонкий «проводящий» слой.
Что это значит? Это говорит о том, что для протекания тока аналогичной величины с сетевой частотой в 50 Гц и с частотой 50 кГц в высокочастотной цепи потребуется большее сечение токопроводящей жилы. На практике это наблюдают в импульсных блоках питания. В их трансформаторах как раз такие токи и протекают. Для увеличения площади сечения либо выбирают толстый провод, либо мотают обмотки несколькими жилками сразу.
Описанная в предыдущем разделе зависимость распределения плотности от формы поверхности на практике используется в системах молниезащиты. Известно, что для защиты от поражения молнией устанавливают один из видов молниезащиты, например громоотвод. На его поверхности скапливаются заряженные частицы, благодаря чему разряд происходит именно в него, что опять же подтверждает сказанное об их распределении.
Напоследок рекомендуем просмотреть видео, на котором простыми словами объясняется и наглядно показывается, как распределяются заряды в проводнике:
Это все, что мы хотели рассказать вам по поводу того, как происходит распределение зарядов в проводнике при протекании тока. Надеемся, предоставленная информация была для вас понятной и полезной!
Материалы по теме:
- Закон Кулона простыми словами
- Как сделать громоотвод в частном доме
- Передача электроэнергии на расстояния без проводов
Носители зарядов и их движение
При отсутствии электрического поля свободные точечные заряды пребывают в равновесии. Они осуществляют колебания, взаимодействуя между собой и с ионами такого же, либо противоположного знака. Однако картина равновесия вмиг нарушается при попадании металла в электрическое поле. На заряженном проводнике возникает электрическое смещение.
Под действием кулоновских сил происходит перераспределение электронов в металлическом теле. Перемещению зарядов способствует напряжённость поля, действующая на носители заряженных частиц разных знаков, но в разных направлениях.
В результате этого воздействия заряженные частицы устремляются в противоположные стороны. Точнее, в металлах происходит только перемещение электронов, которые скапливаются на поверхности с одной стороны.
Положительные ионы, связанные атомными силами кристаллической решётки не перемещаются, но поскольку электроны устремились в одну сторону, то на другой стороне проводника преобладают дырки (положительно заряженные ионы) (см. рис. 1). Таким образом, можно утверждать, что электроны и положительные ионы под действием электрического поля распределяются в противоположных направлениях на поверхности тел. То есть, заряды стремятся к равновесному распределению.
Рис. 1. Распределение зарядов в проводнике
Процесс распределения частиц продолжается до тех пор, пока не уравновесится их взаимодействие внешних и внутренних сил. То есть, пока сумма напряжённостей внешнего электрического поля не уравняется с внутренней напряжённостью. Данный процесс длится доли секунды. Если плотность энергии не меняется, а металл остаётся в спокойствии, то равновесие сил является константой.
Учитывая направления внешних векторов напряженности и внутренних сил, действующих на проводник, можно записать:
Результирующий вектор напряженности
Нулевое значение напряжённости поля означает, что внутренний потенциал тела компенсируется действием внешних сил:
Если в электрическое поле поместить металлический шар, то все статическое электричество на его поверхности будет иметь одинаковый потенциал. Такие поверхности получили название эквипотенциальных поверхностей. Заряды, скопившиеся под действием сил напряжённости поля, называются индуцированными или избыточными. Наличие избыточных зарядов характерно для всех типов проводников, оказавшихся в электрическом поле.
Рассуждения, приведённые выше, справедливы также для веществ со свободными ионами разных знаков (растворы солей и кислот). В результате такого распределения заряды также располагаются на противоположных концах токопроводящего тела. При этом равенство, записанное выше, сохраняется.
Рис. 2. Выводы
Ещё одно важное свойство проводников: при сообщении им дополнительных зарядов, собственные заряженные частицы распределяются так, чтобы восстановилось равновесие. Например, при добавлении отрицательных зарядов, последние будут противодействовать избыточным электронам, стремясь занять их место на поверхности тела
Если же создать условия для отвода избыточных заряженных частиц (при сохранении притока новых), например, заземлить кондуктор, то возникнет электрический ток. Причём перемещение заряженных частиц будет проходить по поверхности металла, но не внутри его, как можно было бы ожидать.
Потенциальная энергия взаимодействия точечных зарядов
Подобно тому, как любое тело, которое взаимодействует с Землей по закону всемирного тяготения, на разных расстояниях от ее центра имеет различную потенциальную энергию, электрический заряд q на разном расстоянии от другого заряда q имеет различную потенциальную энергию — W. Если заряд q перемещается в электрическом поле из точки 1, где его потенциальная энергия была W1, в точку 2, где его энергия стала W2 , работа сил поля A = W1 — W2 = -(W2 — W1) = -ΔW. Как видно из формулы, A и ΔW имеют противоположные знаки. Это объясняется тем, что если заряд q перемещается под действием сил поля (т.е. работа поля А положительная), то его потенциальная энергия уменьшается, прирост энергии ΔW — отрицательный. Если же заряд перемещается против сил поля (А — отрицательная), то потенциальная энергия заряда увеличивается. (Такое же соотношение между потенциальной энергией и работой силы тяжести.)
Как известно, значение потенциальной энергии зависит от выбора нулевого уровня. В электростатике условились потенциальную энергию заряда, размещенного в точке, бесконечно удаленной от заряженного тела, создает поле, считать нулем, W∞ = 0. Тогда, в случае перемещения заряда q с точки 1 в бесконечность, работа поля A = W1 — W∞ = W1 . То есть потенциальная энергия заряда q, размещенного в какой-либо точке поля, численно равна работе, которую выполняют силы поля, перемещая этот заряд с указанной точки в бесконечность: W = qEd, где d — расстояние от источника поля до точки, в которой находится заряд q.
Если поле создано положительным зарядом, то значение потенциальной энергии другого положительного заряда, размещенного в некоторой точке этого поля, будет положительным, если же поле создано отрицательным зарядом, то значение потенциальной энергии положительного заряда — отрицательно. Для отрицательного заряда, размещенного в электрическом поле, все будет наоборот. Когда поле создано сразу несколькими зарядами, потенциальная энергия заряда q, размещенного в какой-либо точке такого поля, равна алгебраической сумме энергий, обусловленных полем каждого заряда в этой точке.
