Intenzita elektrického pole: co to je, vzorec, směr

Elektrický proud poskytuje pohodlí životu moderního člověka. Technologické výdobytky civilizace – energetika, doprava, rozhlas, televize, počítače, mobilní komunikace – jsou založeny na využití elektrického proudu.

Elektrický proud je řízený pohyb nabitých částic, při kterém se náboj přenáší z jedné oblasti prostoru do druhé.

Elektrický proud se může vyskytovat v široké škále médií: pevné látky, kapaliny, plyny. Někdy není potřeba žádné médium – proud může existovat i ve vakuu! Budeme o tom mluvit v pravý čas, ale prozatím uvedeme jen několik příkladů.

• Připojte póly baterie kovovým drátem. Volné elektrony drátu začnou směrový pohyb od „mínusu“ baterie k „plusu“.
Toto je příklad proudu v kovech.

• Přidejte špetku kuchyňské soli (rm NaCl) do sklenice vody. Molekuly soli disociují na ionty, takže se v roztoku objevují volné náboje: kladné ionty (rm Na^+) a záporné ionty (rm Cl^-). Nyní dáme do vody dvě elektrody připojené k pólům baterie. Ionty (rm Na^+) se začnou pohybovat směrem k záporné elektrodě a ionty (rm Cl^-) – směrem ke kladné elektrodě.
Toto je příklad proudu procházejícího roztokem elektrolytu.

• Bouřkové mraky vytvářejí tak silná elektrická pole, že je možné prorazit vzduchovou mezeru dlouhou několik kilometrů. Výsledkem je, že vzduchem prochází obří výboj — blesk.
Toto je příklad elektrického proudu v plynu.

Ve všech třech uvažovaných příkladech je elektrický proud způsoben pohybem nabitých částic uvnitř tělesa a nazývá se vodivý proud.

• Zde je trochu jiný příklad. Budeme pohybovat nabitým tělesem v prostoru. Tato situace je v souladu s definicí proudu! Je přítomen řízený pohyb nábojů, je přítomen přenos náboje v prostoru. Proud vzniklý pohybem makroskopického nabitého tělesa se nazývá proudění.

Všimněte si, že ne každý pohyb nabitých částic generuje proud. Například chaotický tepelný pohyb nábojů na vodiči není směrový (dochází k němu v libovolném směru), a proto není proudem (při vzniku proudu volné náboje pokračují v tepelném pohybu! Jde jen o to, že v tomto případě, jejich uspořádaný drift v určitém směru se přidává k chaotickým pohybům nabitých částic
směr).
V translačním pohybu elektricky neutrálního těla nebude také žádný proud: ačkoli nabité částice v jeho atomech vykonávají řízený pohyb, nedochází k přenosu náboje z jedné oblasti prostoru do druhé.

Směr elektrického proudu

Směr pohybu nabitých částic tvořících proud závisí na znaménku jejich náboje. Kladně nabité částice se budou pohybovat z „plus“ do „mínus“ a záporně nabité částice se budou naopak pohybovat z „mínusu“ do „plus“. Například v elektrolytech a plynech jsou přítomny kladné i záporné volné náboje a jejich protipohybem v obou směrech vzniká proud. Který z těchto směrů je třeba brát jako směr elektrického proudu?

Směr proudu je považován za směr pohybu kladných nábojů.

Jednoduše řečeno dohodou proud teče z „plus“ do „mínus“ (obr. 1; kladná svorka zdroje proudu je znázorněna dlouhou čarou, záporná svorka krátkou čarou).

Rýže. 1. Směr proudu

Tato dohoda se dostává do určitého rozporu s nejběžnějším případem kovových vodičů. V kovu jsou nosiče náboje volné elektrony a pohybují se od „mínusu“ k „plusu“. Ale podle konvence jsme nuceni předpokládat, že směr proudu v kovovém vodiči je opačný než pohyb volných elektronů. To samozřejmě není příliš pohodlné.

Zde se však nedá nic dělat – tuto situaci musíte brát jako samozřejmost. Tak se to historicky stalo. Volbu směru proudu navrhl Ampere (Ampér potřeboval dohodu o směru proudu, aby dal jasné pravidlo pro určení směru síly působící na vodič s proudem v magnetickém poli. Dnes jsme nazýváme tuto sílu ampérovou silou, jejíž směr je určen pravidlem levé ruky) v první polovině 70. století, 1916 let před objevem elektronu. Všichni si na tuto volbu zvykli, a když se v roce XNUMX ukázalo, že proud v kovech je způsoben pohybem volných elektronů, nic se nezměnilo.

Působení elektrického proudu

Jak zjistíme, zda elektrický proud teče nebo ne? Výskyt elektrického proudu lze posuzovat podle jeho následujících projevů.

1. Tepelný účinek proudu. Elektrický proud způsobuje zahřívání látky, ve které proudí. Takto se zahřívají spirály topidel a žárovek. To je důvod, proč vidíme blesky. Činnost tepelných ampérmetrů je založena na tepelné roztažnosti vodiče s proudem, což vede k pohybu jehly přístroje.

2. Magnetický účinek proudu. Elektrický proud vytváří magnetické pole: střelka kompasu umístěná vedle drátu se otáčí kolmo k drátu, když je proud zapnut. Magnetické pole proudu může být mnohonásobně zesíleno omotáním drátu kolem železné tyče a vytvořením elektromagnetu. Činnost ampérmetrů magnetoelektrického systému je založena na tomto principu: elektromagnet se otáčí v poli permanentního magnetu, v důsledku čehož se jehla přístroje pohybuje po stupnici.

3. Chemický účinek proudu. Při průchodu proudu elektrolyty lze pozorovat změnu chemického složení látky. Takže v roztoku (rm CuSO_4) se kladné ionty (rm Cu^) pohybují k záporné elektrodě a tato elektroda je potažena mědí.

Elektrický proud se nazývá trvalý, jestliže stejný náboj prochází průřezem vodiče ve stejných časových intervalech.

Stejnosměrný proud je nejjednodušší se naučit. Tím začínáme.

Síla a hustota proudu

Kvantitativní charakteristikou elektrického proudu je intenzita proudu. V případě stejnosměrného proudu je absolutní hodnotou proudu poměr absolutní hodnoty náboje (q) procházejícího průřezem vodiče za čas (t) k tomuto času:

Proud se měří v ampérech (A). Při síle proudu (1) A projde za (1) s průřezem vodiče náboj (1) C.

Zdůrazňujeme, že vzorec (1) určuje absolutní hodnotu neboli modul proudu.
Aktuální síla může mít také znamení! Toto znaménko nesouvisí se znaménkem nábojů tvořících proud a volí se z jiných důvodů. Konkrétně v řadě situací (například není-li předem jasné, kudy poteče proud), je vhodné zafixovat určitý směr bypassu obvodu (řekněme proti směru hodinových ručiček) a sílu proudu považovat za kladnou, pokud směr proudu se shoduje se směrem bypassu a záporný, pokud proud teče proti směru průchodu (srovnejte s trigonometrickým kruhem: úhly jsou považovány za kladné, pokud se počítají proti směru hodinových ručiček, a záporné, pokud jsou ve směru hodinových ručiček).

V případě stejnosměrného proudu je síla proudu konstantní hodnotou. Ukazuje, kolik náboje projde průřezem vodiče za (1) s.

Často je vhodné přeskočit plochu průřezu a zadat hodnotu proudová hustota:

kde (I) je síla proudu, (S) je plocha průřezu vodiče (tento průřez je samozřejmě kolmý ke směru proudu). Vezmeme-li v úvahu vzorec (1), máme také:

Proudová hustota ukazuje, kolik náboje projde za jednotku času jednotkovou plochou průřezu vodiče. Podle vzorce (2) se proudová hustota měří v A/m2.

Rychlost směrového pohybu nábojů

Když rozsvítíme světlo v místnosti, zdá se nám, že se žárovka okamžitě rozsvítí. Rychlost šíření proudu dráty je velmi vysoká: blíží se (300000 XNUMX) km/s (rychlost světla ve vakuu). Pokud by žárovka byla na Měsíci, rozsvítila by se za něco málo přes sekundu.

Neměli bychom si však myslet, že bezplatné poplatky tvořící současný pohyb se pohybují tak obrovskou rychlostí. Ukazuje se, že jejich rychlost je jen zlomek milimetru za sekundu.

Proč proud prochází dráty tak rychle? Faktem je, že volné náboje se vzájemně ovlivňují a pod vlivem elektrického pole zdroje proudu se při uzavření obvodu začnou pohybovat téměř současně po celém vodiči. Rychlost šíření proudu je rychlost přenosu elektrické interakce mezi volnými náboji a blíží se rychlosti světla ve vakuu. Rychlost, s jakou se samotné náboje pohybují uvnitř vodiče, může být o mnoho řádů menší.

Zdůrazněme tedy ještě jednou, že rozlišujeme dvě rychlosti.

1. Aktuální rychlost šíření. Jedná se o rychlost, kterou elektrický signál prochází obvodem. Téměř (300000 XNUMX) km/s.

2. Rychlost směrového pohybu bezplatných poplatků. Jedná se o průměrnou rychlost pohybu nábojů tvořících proud. Také se nazývá rychlost driftu.

Nyní odvodíme vzorec vyjadřující sílu proudu (I) prostřednictvím rychlosti (v) směrového pohybu nábojů vodiče.

Vodič nechť má plochu průřezu (S) (obr. 2). Volné náboje dirigenta budeme považovat za kladné; Označme množství volného náboje (e) (v nejpraktičtějším případě kovového vodiče jde o náboj elektronu). Koncentrace volných nábojů (tj. jejich počet na jednotku objemu) se rovná (n).

Rýže. 2. K odvození vzorce (I = envS)

Jaký náboj (q) projde průřezem (AB) našeho vodiče za čas (t)?

Na jedné straně samozřejmě

Na druhé straně průřez (AB) protnou všechny ty volné náboje, které po čase (t) skončí uvnitř válce (ABCD) s výškou (vt). Jejich počet se rovná:

Jejich celkový poplatek se tedy bude rovnat:

Srovnáním pravých stran vzorců (3) a (4) a zmenšením o (t) dostaneme:

V souladu s tím se hustota proudu ukáže být rovna:

Jako příklad si spočítejme rychlost pohybu volných elektronů v měděném drátu při síle proudu (1) A.

Náboj elektronu je znám: (e = 1,6 cdot 10^) Cl.

Jaká je koncentrace volných elektronů? Shoduje se s koncentrací atomů mědi, protože z každého atomu je odstraněn jeden valenční elektron. Víme, jak zjistit koncentraci atomů:

Dejme (S = 1) mm (vphantom^). Ze vzorce (5) dostaneme:

To je asi jedna desetina milimetru za sekundu.

Stacionární elektrické pole

Celou dobu mluvíme o směrovém pohybu nábojů, ale ještě jsme se nedotkli otázky proč takový pohyb vykonávají bezplatné poplatky. Proč vlastně vzniká elektrický proud?

Pro uspořádaný pohyb nábojů uvnitř vodiče je potřeba síla, která působí na náboje v určitém směru. Odkud tato síla pochází? Ze strany elektrického pole!

Aby mohl vodičem protékat stejnosměrný proud, musí uvnitř vodiče existovat stacionární proud. (to je konstantní, nezávislý na čase) elektrické pole. Jinými slovy, mezi konci vodiče musí být udržován konstantní rozdíl potenciálů.

Stacionární elektrické pole musí být vytvořeno náboji vodičů obsažených v elektrickém obvodu. Nabité vodiče však samy o sobě nemohou zajistit tok stejnosměrného proudu.

Uvažujme například dvě vodivé koule nabité opačně. Spojíme je drátem. Mezi konci drátu vznikne potenciální rozdíl a uvnitř drátu se objeví elektrické pole. Proud bude protékat drátem. Ale jak proud projde, potenciální rozdíl mezi kuličkami se sníží, následovaný poklesem intenzity pole v drátu. Nakonec se potenciály kuliček navzájem vyrovnají, pole v drátu klesne na nulu a proud zmizí. Nacházíme se v elektrostatice: koule plus drát tvoří jeden vodič, v jehož každém bodě nabývá potenciál stejné hodnoty; napětí
Pole uvnitř vodiče je nulové, neteče proud.

To, že elektrostatické pole samo o sobě není vhodné pro roli stacionárního pole vytvářejícího proud, je zřejmé z obecnějších úvah. Koneckonců, elektrostatické pole je potenciální, jeho práce při pohybu náboje po uzavřené dráze je nulová. V důsledku toho nemůže způsobit cirkulaci nábojů v uzavřeném elektrickém obvodu – to vyžaduje provedení nenulové práce.

Kdo bude dělat tuto nenulovou práci? Kdo bude udržovat potenciální rozdíl v obvodu a poskytovat stacionární elektrické pole, které vytváří proud ve vodičích?

Odpovědí je zdroj proudu, nejdůležitější prvek elektrického obvodu.

Aby vodičem procházel stejnosměrný proud, musí být konce vodiče připojeny ke svorkám zdroje proudu (baterie, akumulátoru atd.).

Svorky zdroje jsou nabité vodiče. Je-li obvod uzavřen, pak se náboje ze svorek pohybují po obvodu – jako v příkladu s kuličkami diskutovanými výše. Nyní se však potenciální rozdíl mezi svorkami nezmenšuje: zdroj proudu nepřetržitě doplňuje náboje na svorkách a udržuje potenciální rozdíl mezi konci obvodu na konstantní úrovni.

K tomu slouží stejnosměrný zdroj. Uvnitř probíhají procesy neelektrického (nejčastěji chemického) původu, které zajišťují kontinuální separaci nábojů. Tyto náboje jsou dodávány na zdrojové terminály v požadovaném množství.

Kvantitativní charakteristiky neelektrických procesů separace náboje uvnitř zdroje – tzv. EMF – budeme studovat později, v odpovídajícím listu.

Nyní se vraťme ke stacionárnímu elektrickému poli. Jak se vyskytuje ve vodičích obvodu za přítomnosti zdroje proudu?

Nabité svorky zdroje vytvářejí na koncích vodiče elektrické pole. Volné náboje vodiče umístěné v blízkosti svorek se začnou pohybovat a svým elektrickým polem působit na sousední náboje. Při rychlosti blízké rychlosti světla se tato interakce přenáší po celém obvodu a v obvodu vzniká konstantní elektrický proud. Stabilizuje se také elektrické pole vytvářené pohybujícími se náboji.

Stacionární elektrické pole je pole volných nábojů vodiče vykonávajícího řízený pohyb.

Stacionární elektrické pole se s časem nemění, protože s konstantním proudem se nemění vzorec rozložení náboje ve vodiči: místo náboje, který opustil danou část vodiče, dorazí v příštím okamžiku přesně stejný náboj. čas. Z tohoto důvodu je stacionární pole v mnoha ohledech (ale ne ve všech) podobné elektrostatickému poli.

Totiž jsou pravdivá následující dvě tvrzení, která budeme později potřebovat (jejich důkaz je uveden na univerzitním kurzu fyziky).

1. Stejně jako elektrostatické pole je i stacionární elektrické pole potenciální. To nám umožňuje mluvit o rozdílu potenciálů (tj. napětí) v jakékoli části obvodu (právě tento rozdíl potenciálů měříme voltmetrem).
Potenciál, připomenutí, znamená, že práce stacionárního pole při pohybu náboje nezávisí na tvaru trajektorie. To je důvod, proč při paralelním zapojení vodičů je napětí na každém z nich stejné: rovná se potenciálnímu rozdílu stacionárního pole mezi dvěma body, ke kterým jsou vodiče připojeny.
2. Na rozdíl od elektrostatického pole proniká stacionární pole pohybujících se nábojů dovnitř vodiče (faktem je, že volné náboje, účastnící se řízeného pohybu, nemají čas se správně přeskupit a zaujmout „elektrostatické“ konfigurace).
Čáry intenzity stacionárního pole uvnitř vodiče jsou rovnoběžné s jeho povrchem, bez ohledu na to, jak je vodič ohnut. Proto, stejně jako v rovnoměrném elektrostatickém poli, platí vzorec (U = El), kde (U) je napětí na koncích vodiče, (E) je síla stacionárního pole ve vodiči, (l) je délka vodiče.

Takový zvláštní druh hmoty, jako je elektrické pole, je jednou ze základních složek okolního světa. Každý, kdo pracuje v elektrárně nebo s jiným výkonným elektrickým zařízením, ví o takové nebezpečné, často smrtící síle. Ale jak se projevuje, jak se popisuje, zná jen část obyčejných lidí.

Co je to elektrické pole?

Historie objevu

Historie takové vědy, jako je fyzika, zná mnoho obtíží s přesným určením data a příslušnosti objevu. Totéž platí pro elektrické pole. Počínaje Faradayovými experimenty a konče Maxwellovou obecnou teorií elektromagnetických interakcí přispělo mnoho vědců k objasnění detailů tohoto jevu. Faraday zavedl koncept siločáry elektrického a magnetického pole a zásluha na formulování a zobecnění objevených zákonů patří Maxwellovi.

Ve svých dílech, rozvíjejících Faradayovu teorii siločar, formuloval empirické závěry a v 1860. letech XNUMX. století publikoval dílo svého života, které jeho současníci zpočátku nepřijali s velkým nadšením. Následně Heinrich Hertz přivedl rovnice elektrodynamiky, popsané v Maxwellových dílech těžkopádným jazykem, do modernější podoby.

Výzkumníci elektrického pole

Obecná ustanovení

Intenzita statického elektrického pole je jedním z klíčových pojmů teorie elektřiny a jedním z hlavních způsobů popisu jeho výkonu. S touto charakteristikou výkonu jsou srovnatelné pouze magnetická indukce a elektrický náboj. Intenzita je vektorová veličina, která ukazuje sílu, s jakou může elektrické pole ovlivňovat náboj v něm umístěný.

Co se nazývá napětí?

V různých zónách prostoru se může napětí elektrického pole lišit. Vzorec, pomocí kterého lze zjistit intenzitu elektrostatického pole v určitém bodě, vypadá takto:

Vzorec pro napětí

V tomto výrazu je F síla nazývaná Coulombova síla. Čemu se rovná, lze určit pomocí vzorce.

Protože intenzita pole je vektorová veličina, má určitý směr – jedná se o tečný směr k siločárě. Obecně se uznává, že siločáry sahají od částic s kladným nábojem k částicím se záporným nábojem. Zkušební náboj se znaménkem plus, zavedený do elektrického pole, se pohybuje ve směru siločáry.

Pomocí siločar je možné graficky znázornit nejen směr napětí, ale i jeho velikost. V zónách, kde je indikátor vyšší, jsou čáry obvykle kresleny hustěji. Při znázornění rovnoměrného pole uvnitř a kolem vodiče jsou čáry umístěny ve stejné vzdálenosti od sebe.

Intenzita se řídí principem superpozice, tj. intenzitu elektrostatického pole vytvořeného několika náboji lze vyjádřit jako součet intenzit vytvořených každým jednotlivým nábojem. Matematicky se tento princip zapisuje následovně:

Pomocí principu superpozice lze určit napětí vytvářené libovolnou soustavou nábojů. Pokud náboj není bodový, používají se metody diferenciální integrace, tj. náboje se rozdělí na velmi malé části. Pro každou z nich se vypočítá napětí a poté se všechny hodnoty sečtou. Příkladem aplikace principu superpozice je pole elektrického dipólu.

Elektrické pole dipólu

V čem se měří?

Na základě výše uvedené rovnice pro výpočet napětí můžeme pochopit, v jakých jednotkách se napětí měří. V soustavě SI se jedná o newton na coulomb (N/C).

Modul intenzity elektrického pole v libovolném bodě se určí pomocí následujícího vzorce:

Jak vidíme, hodnota E v daném bodě je přímo úměrná náboji q, který pole vytváří, a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti r od tohoto bodu k náboji. Tento vzorec platí pro bodové náboje a nabité koule.

Pro nabité nekonečné roviny (uniformní pole) se používá jiný výraz:

Zde se uvažuje povrchová hustota náboje (množství náboje q na jednotku plochy S).

Intenzitu lze také zjistit, pokud jsou známy potenciály (potenciální energie náboje umístěného v uvažované oblasti pole).

Výpočet napětí pomocí potenciálu

Jak je z tohoto vzorce vidět, existuje ještě jedna jednotka pro měření napětí – volty na metr (V/m).

přihláška

Elektrické pole s napětím je nesmírně důležitým nástrojem ve vědecké a technické praxi a zároveň vedlejším účinkem (někdy považovaným za škodlivý), který se často vyskytuje při používání různých technologií. Hlavním úkolem pole je separace směsí pro potřeby chemie, medicíny a průmyslu. Prachové a sazové filtry vytvářejí pole, které přitahuje kontaminanty. Stejným způsobem fungují i další separátory v laboratorní a průmyslové praxi.

Pole však může usnadnit nejen oddělování, ale i „lepení“ látek. Takové vlastnosti se využívají při malířských pracích. Nejlepší demonstrací je běžný kopírovací stroj. Tuto metodu lze použít i pro nanášení barev na automobily.

Elektrický proud je schopen přenášet energii, která se používá v bezdrátových nabíječkách a také v medicíně k ohřevu oblastí těla.

Související videa