Разность потенциалов

Известно, что одно тело можно нагреть больше, а другое меньше. Степень нагрева тела называется его температурой. Подобно этому, одно тело можно наэлектризовать больше другого. Степень электризации тела характеризует величину, называемую электрическим потенциалом или просто потенциалом тела.

Что значит наэлектризовать тело? Это значит сообщить ему электрический заряд , т. е. прибавить к нему некоторое количество электронов, если мы тело заряжаем отрицательно, или отнять их от него, если мы тело заряжаем положительно. В том и другом случае тело будет обладать определенной степенью электризации, т. е. тем или иным потенциалом, причем тело, заряженное положительно, обладает положительным потенциалом, а тело, заряженное отрицательно, - отрицательным потенциалом.

Разность уровней электрических зарядов двух тел принято называть разностью электрических потенциалов или просто разностью потенциалов .

Следует иметь в виду, что если два одинаковых тела заряжены одноименными зарядами, но одно больше, чем другое, то между ними также будет существовать разность потенциалов.

Кроме того, разность потенциалов существует между двумя такими телами, одно из которых заряжено, а другое не имеет заряда. Так, например, если какое-либо тело, изолированное от земли, имеет некоторый потенциал, то разность потенциалов между ним и землей (потенциал которой принято считать равным нулю) численно равна потенциалу этого тела.

Итак, если два тела заряжены таким образом, что потенциалы их неодинаковы, между ними неизбежно существует разность потенциалов.

Всем известное явление электризации расчески при трении ее о волосы есть не что иное, как создание разности потенциалов между расческой и волосами человека.

Действительно, при трении расчески о волосы часть электронов переходит на расческу, заряжая ее отрицательно, волосы же, потеряв часть электронов, заряжаются в той же степени, что и расческа, но положительно. Созданная таким образом разность потенциалов может быть сведена к нулю прикосновением расчески к волосам. Этот обратный переход электронов легко обнаруживается на слух, если наэлектризованную расческу приблизить к уху. Характерное потрескивание будет свидетельствовать о происходящем разряде.

Говоря выше о разности потенциалов, мы имели в виду два заряженных тела, однако разность потенциалов можно получить и между различными частями (точками) одного и того же тела.

Так, например, рассмотрим, что произойдет в , если под действием какой-либо внешней силы нам удастся свободные электроны, находящиеся в проволоке, переместить к одному концу ее. Очевидно, на другом конце проволоки получится недостаток электронов, и тогда между концами проволоки возникнет разность потенциалов.

Стоит нам прекратить действие внешней силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к концу проволоки, заряженному положительно, т. е. к месту, где их недостает, и в проволоке вновь наступит электрическое равновесие.

Электродвижущая сила и напряжение

Д ля поддержания электрического тока в проводнике необходим какой-то внешний источник энергии, который все время поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника.

Такими источниками энергии служат так называемые источники электрического тока , обладающие определенной электродвижущей силой , которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов на концах проводника.

Электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) обозначается буквой Е . Единицей измерения ЭДС служит вольт. У нас в стране вольт сокращенно обозначается буквой "В", а в международном обозначении - буквой "V".

Итак, чтобы получить непрерывное течение , нужна электродвижущая сила, т. е. нужен источник электрического тока.

Первым таким источником тока был так называемый "вольтов столб", который состоял из ряда медных и цинковых кружков, проложенных кожей, смоченной в подкисленной воде. Таким образом, одним из способов получения электродвижущей силы является химическое взаимодействие некоторых веществ, в результате чего химическая энергия превращается в энергию электрическую. Источники тока, в которых таким путем создается электродвижущая сила, называются химическими источниками тока .

В настоящее время химические источники тока - гальванические элементы и аккумуляторы - широко применяются в электротехнике и электроэнергетике.

Другим основным источником тока, получившим широкое распространение во всех областях электротехники и электроэнергетики, являются генераторы .

Генераторы устанавливаются на электрических станциях и служат единственным источником тока для питания электроэнергией промышленных предприятий, электрического освещения городов, электрических железных дорог, трамвая, метро, троллейбусов и т. д.

Как у химических источников электрического тока (элементов и аккумуляторов), так и у генераторов действие электродвижущей силы совершенно одинаково. Оно заключается в том, что ЭДС создает на зажимах источника тока разность потенциалов и поддерживает ее длительное время.

Эти зажимы называются полюсами источника тока. Один полюс источника тока испытывает всегда недостаток электронов и, следовательно, обладает положительным зарядом, другой полюс испытывает избыток электронов и, следовательно, обладает отрицательным зарядом.

Соответственно этому один полюс источника тока называется положительным (+), другой - отрицательным (-).

Источники тока служат для питания электрическим током различных приборов - . Потребители тока при помощи проводников соединяются с полюсами источника тока, образуя замкнутую электрическую цепь. Разность потенциалов, которая устанавливается между полюсами источника тока при замкнутой электрической цепи, называется напряжением и обозначается буквой U.

Единицей измерения напряжения, так же как и ЭДС, служит вольт.

Если, например, надо записать, что напряжение источника тока равно 12 вольтам, то пишут: U - 12 В.

Для измерения или напряжения применяется прибор, называемый вольтметром.

Чтобы измерить ЭДС или напряжение источника тока, надо вольтметр подключить непосредственно к его полюсам. При этом, если разомкнута, то вольтметр покажет ЭДС источника тока. Если же замкнуть цепь, то вольтметр уже покажет не ЭДС, а напряжение на зажимах источника тока.

ЭДС, развиваемая источником тока, всегда больше напряжения на его зажимах.

Разностью потенциалов между точками 1 и 2 называется работа, совершаемая силами поля при перемещении единичного положительного заряда по произвольному пути из точки 1 в точку 2. для потенциальных полей эта работа не зависит от формы пути, а определяется только положениями начальной и конечной точек

потенциал определен с точностью до аддитивной постоянной. Работа сил электростатического поля при перемещении заряда q по произвольному пути из начальной точки 1 в конечную точку 2 определяется выражением

Практической единицей потенциала является вольт. Вольт есть разность потенциалов между такими точками, когда при перемещении одного кулона электричества из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в один джоуль.

1 и 2 - бесконечно близкие точки, расположенные на оси х, так что Х2 - х1 = dx.

Работа при перемещении единицы заряда из точки 1 в точку 2 будет Ех dx. Та же работа равна . Приравнивая оба выражения, получим

- градиент скаляра

Градиент функцииесть вектор, направленный в сторону максимального возрастания этой функции, а его длина равна производной функциив том же направлении. Геометрический смысл градиента– эквипотенциальные поверхности (поверхности равного потенциала) поверхность, на которой потенциал остается постоянным.

13 Потенциал зарядов

Потенциал поля точечного заряда q в однородном диэлектрике .

- электрическое смещение точечного заряда в однородном диэлектрикеD –вектор электрической индукции или электрического смещения

В качестве постоянной интегрирования следует взять нуль, чтобы при потенциал обратился в ноль, тогда

Потенциал поля системы точечных зарядов в однородном диэлектрике.

Используя принцип суперпозии получаем:

Потенциал непрерывно распределенных электрических зарядов.

- элементы объема и заряженных поверхностей с центрами в точке

В случае если диэлектрик неоднороден, то интегрирование надо распространить и на поляризационные заряды. Включение таких

зарядов автоматически учитывает влияние среды, и величину вводить не надо

14 Электрическое поле в веществе

Электрическое поле в веществе. Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля, создаваемого заряженными частицами вещества. Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики. Проводник - это тело или материал, в котором электрические заряды начинают перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Поэтому эти заряды называют свободными. В металлах свободными зарядами являются электроны, в растворах и расплавах солей (кислот и щелочей) - ионы. Диэлектрик - это тело или материал, в котором под действием сколь угодно больших сил заряды смещаются лишь на малое, не превышающее размеров атома расстояние относительно своего положения равновесия. Такие заряды называются связанными. Свободные и связанные заряды. СВОБОДНЫЕ ЗАРЯДЫ 1) избыточные электрич. заряды, сообщённые проводящему или непроводящему телу и вызывающие нарушение его электронейтральности. 2) Электрич. заряды носителей тока. 3) положит. электрич. заряды атомных остатков в металлах. СВЯЗАННЫЕ ЗАРЯДЫ Электрич. заряды частиц, входящих в состав атомов и молекул диэлектрика, а также заряды ионов в кристаллич. диэлектриках с ионной решёткой.

Пусть мы имеем бесконечное равномерное электрическое поле. В точке М помещен заряд + Q- Предоставленный самому себе заряд +Q под действием электрических сил поля будет перемещаться в направлении поля на бесконечно большое расстояние. На это перемещение заряда будет затрачена энергия электрического поля. Потенциалом данной точки поля называется работа, которую затрачивает электрическое поле, когда оно перемещает положительную единицу заряда из данной точки поля в бесконечно удаленную точку. Чтобы переместить заряд +Q из бесконечно удаленной точки снова в точку М, внешние силы должны произвести работу А, идущую на преодоление электрических сил поля. Тогда для потенциала точки М получим:

Таким образом, абсолютная электростатическая единица потенциала больше практической единицы - вольта в триста раз.

Если заряд, равный 1 кулону, из бесконечно удаленной точки перемещается в точку поля, потенциал которой равен 1 вольту, то при этом совершается работа в 1 джоуль. Если же в точку поля с потенциалом 10 в из бесконечно удаленной точки перемещается 15 кулонов электричества, то совершается работа 10 -15 = 150 джоулей.

Математически эта зависимость выражается формулой:

Чтобы переместить из точки А с потенциалом 20 в в точку В с потенциалом 15 в 10 кулонов электричества, поле должно совершить работу:

Изучая электрическое поле, отметим, что в этом поле разность потенциалов двух точек поля называется также напряжением между ними, измеряется в вольтах и обозначается буквой U.

Работу сил электрического поля можно записать и так:

Для того чтобы заряд q переместить вдоль линий поля из одной точки однородного поля в другую, находящуюся на расстоянии l, нужно проделать работу:

Такова простейшая зависимость между напряженностью электрического поля и электрическим напряжением для однородного поля.

Расположение точек с равным потенциалом вокруг поверхности заряженного проводника зависит от формы этой поверхности. Если взять, например, заряженный металлический шар, то точки с равным потенциалом в электрическом поле, созданном шаром, будут лежать на сферической поверхности, окружающей заряженный шар. Поверхность равного потенциала, или, как.ее еще называют, эквипотенциальная поверхность, служит удобным графическим способом для изображения поля. На фиг. 13 представлена картина эквипотенциальных поверхностей положительно заряженного шара.

Для наглядного представления о том, как изменяется разность потенциалов в данном поле, эквипотенциальные поверхности следует чертить так, чтобы разность потенциалов между точками, лежащими на двух со-

Седних поверхностях, была одна и та же, например равная 1 в. Первоначальную, нулевую, эквипотенциальную поверхность очертим произвольным радиусом. Остальные поверхности 1, 2, 3, 4 чертим так, чтобы разность потенциалов между точками, лежащими на данной поверхности и на соседних поверхностях, составляла 1 в. Согласно определению эквипотенциальной поверхности разность потенциалов между отдельными точками, лежащими на одной и той же поверхности, равна нулю; поэтому заряд перемещается по эквипотенциальной поверхности без затраты работы. Из этой фигуры видно, что по мере приближения к заряженному телу эквипотенциальные поверхности располагаются теснее друг к другу, так как потенциал точек поля увеличивается, а разность потенциалов между соседними поверхностями, согласно принятому условию, остается одной и той же. И, наоборот, по мере удаления от заряженного тела эквипотенциальные поверхности располагаются реже. Электрические силовые линии перпендикулярны к эквипотенциальной поверхности в любой точке, так как только при условии перпендикулярности силы и перемещения работа электрических сил при движении заряда по эквипотенциальной поверхности может быть равной нулю. Сама поверхность заряженного проводника представляет собой эквипотенциальную поверхность, т. е. все точки поверхности проводника имеют одинаковый потенциал. Тот же потенциал имеют все точки внутри проводника.

Если взять два проводника с различными потенциалами и соединить их металлической проволокой, то, так как между концами проволоки имеется разность потенциалов или напряжение, вдоль проволоки будет действовать электрическое поле. Свободные электроны проволоки под действием поля придут в движение в направлении возрастания потенциала, т. е. по проволоке начнет проходить электрический ток. Движение электронов будет продолжаться до тех пор, пока потенциалы проводников не станут равными, а разность потенциалов между ними не станет равной нулю.

Если два сосуда с различными уровнями воды соединить снизу трубкой, то по трубке потечет вода. Движение воды будет продолжаться до тех пор, пока уровни воды в сосудах не установятся на одной высоте, а разность уровней не станет равной нулю.

Так как всякий заряженный проводник, соединенный с землей, теряет практически весь свой заряд, то потенциал земли условно принимается равным нулю.

Для того чтобы дать более глубокое определение уже знакомой нам по восьмому классу физической величине, вспомним определение потенциала точки поля и как просчитать работу электрического поля.

Потенциал, как мы помним, это отношение потенциальной энергии заряда, помещенного в некую точку поля, к величине этого заряда, или же это работа, которую выполнит поле, если поместить в эту точку единичный положительный заряд.

Здесь - потенциальная энергия заряда; - величина заряда. Как мы помним из механики для подсчета выполненной работы поля над зарядом: .

Распишем теперь потенциальную энергию, используя определение потенциала: . И выполним некоторые алгебраические преобразования:

Таким образом, получаем, что .

Для удобства введем особую величину обозначающую разность под скобками: .

Определение: напряжение (разность потенциалов) - отношение работы, выполняемой полем при переносе заряда из начальной точки в конечную, к величине этого заряда.

Единица измерения - В - вольт:
.

Особое внимание стоит обратить на то, что, в отличие от стандартного понятия в физике разности (алгебраическая разность некоторой величины в конечный момент и той же величины в начальный момент), для нахождения разности потенциалов (напряжения) следует от начального потенциала отнять конечный.

Для получения формулы этой связи мы, как и на прошлом уроке, для простоты воспользуемся случаем однородного поля, создаваемого двумя заряженными разноименно пластинками (см. рис. 1).

Рис.1. Пример однородного поля

Векторы напряженности в этом случае всех точек поля между пластинами имеет одно направление и один модуль. Теперь же если вблизи положительной пластины поместить положительный заряд, то под действием кулоновской силы он, естественно, переместится в сторону отрицательной пластины. Таким образом, поле совершит некоторую работу над этим зарядом. Запишем определение механической работы: . Здесь - модуль силы; - модуль перемещения; - угол между векторами силы и перемещения.

В нашем случае векторы силы и перемещения сонаправлены (положительный заряд отталкивается от положительного и притягивается к отрицательному), поэтому угол равен нулю, а косинус - единице: .

Распишем силу через напряженность, а модуль перемещения обозначим как d - расстояние между двумя точками - началом и концом движения: .

В то же время . Приравняв правые части равенств, мы получим искомую связь:

Отсюда следует, что напряженность также может измеряться в .

Отойдя от нашей модели однородного поля, особое внимание следует уделить неоднородному полю, которое создается заряженным металлическим шаром. Из экспериментов доступен тот факт, что потенциал любой точки внутри или на поверхности шара (полого или сплошного) не меняет своего значения, а именно:
.

Здесь - электростатический коэффициент; - полный заряд шара; - радиус шара.

Эта же формула справедлива и для расчета потенциала поля точечного заряда на расстоянии от этого заряда.

Энергия взаимодействия двух зарядов

Как определить энергию взаимодействия двух заряженных тел, находящихся на некотором расстоянии друг от друга (см. рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие двух тел, расположенных на некотором расстоянии r

Для этого представим всю ситуацию: как будто тело 2 находится во внешнем поле тела 1. Соответственно, теперь энергию взаимодействия можно назвать потенциальной энергией заряда 2 во внешнем поле, формулу для которой мы знаем: .

Теперь, зная характер внешнего поля (поле точечного заряда), нам известна формула для подсчета потенциала в точке на определенном расстоянии от источника поля:
.

Подставим второе выражение в первое и получим окончательный результат:
.

Если бы мы изначально представили, что это заряд 1 находится во внешнем поле заряда 2, то, конечно же, результат не поменялся бы.

В электростатике интересно выделить все точки пространства, имеющие одинаковый потенциал. Такие точки образуют собой определенные поверхности, которые названы эквипотенциальными.

Определение: эквипотенциальные поверхности - поверхности, у каждой точки которых одинаковый потенциал. Если нарисовать такие поверхности и нарисовать силовые линии напряженности этого же электрического поля, то можно заметить, что эквипотенциальные поверхности всегда перпендикулярны силовым линиям, и, кроме того, силовые линии всегда направлены в сторону уменьшения потенциала (см. рис. 3).

Рис. 3. Примеры эквипотенциальных поверхностей

Еще один важный факт об эквипотенциальных поверхностях: исходя из определения, разность потенциалов между любыми точками на такой поверхности равна нулю (потенциалы равны), а значит, работа поля по перемещению заряда из одной точки эквипотенциальной поверхности в другую также равна нулю.

На следующем уроке мы более подробно рассмотрим поле двух заряженных пластин, а именно: прибор конденсатор и его свойства.

1) Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) М.: Мнемозина. 2012 г.

2) Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. М.: Илекса. 2005 г.

3) Касьянов В.А. Физика 10 класс. М.: Дрофа. 2010 г.

1) Интернет-сайт «Физикон» ()

Домашнее задание

1) Стр. 95: № 732 - 736. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. М.: Дрофа 2013 г. ()

2) В точке с потенциалом 300 В заряженное тело имеет потенциальную энергию -0,6 мкДж. Какой заряд тела?

3) Какую кинетическую энергию получил электрон, пройдя ускоряющую разность потенциалов 2 кВ?

4) По какой траектории следует перемещать заряд в электрическом поле, чтобы работа его была минимальной?

5) *Нарисуйте эквипотенциальные поверхности поля, создаваемого двумя разноимёнными зарядами.

Электрическое напряжение.
Разность потенциалов. Напряжение тока.

Тема: что такое электрическое напряжение тока и разность потенциалов.

Пожалуй, одним из самых часто употребляемых выражений у электриков, является понятие электрическое напряжение. Его так же называют разность потенциалов и не совсем верное словосочетание, такое как напряжение тока, ну смысл у названий по сути общий. А что на самом деле обозначает это понятие? Пожалуй, для начала приведу книжную формулировку: электрическое напряжение - это отношение работы электрического поля зарядов при передачи пробного заряда из точки 1 в точку 2 . Ну а простыми словами говоря, это объясняется так.

Напомню Вам, что заряды бывают двух видов, это положительные со знаком «+» и отрицательные со знаком «-». Большинство из нас в детстве игрались с магнитиками, которые были честно добыты из очередной сломаной машинки с электромоторчиком, где они и стояли. Так вот когда мы пытались приблизить эти самые магниты друг к другу, то в одном случае они притягивались, а если развернуть один из них наоборот, то соответственно отталкивались.

Это происходило, потому что у любого магнита существует два полюса, это южный и северный. В том случае, когда полюса одинаковые, то магнитики будут отталкиваться, ну а когда разноименные, притягиваться. То же самое происходит и с электрическими зарядами, причем сила взаимодействия зависит от количества и разноимённости этих заряженных частиц. Проще говоря, чем на одном предмете больше «плюса», а на другом соответственно «минуса», тем сильнее они будут притягиваться друг к другу. Либо наоборот, отталкиваться при одинаковом заряде (+ и + или - и -).

Теперь представим, что у нас есть два небольших железных шарика. Если мысленно заглянуть в них, можно увидеть огромное множество маленьких частичек, которые расположены друг от друга на не большом расстоянии и неспособны к свободному передвижению, это ядра нашего вещества. Вокруг этих частичек с невероятно большой скоростью вращаются более мелкие частички, под названием электроны . Они могут оторваться от одних ядер и присоединятся к другим, тем самым путешествуя по всему железному шарику. В случае, когда количество электронов соответствует количеству протонов в ядре, шарики электрически нейтральны.

А вот если каким-то образом забрать некоторое количество, такой шарик будет стремиться притянуть к себе это самое, недостающее количество электронов, тем самым образуя вокруг себя положительное поле со знаком «+». Чем больше не хватает электронов, тем сильней будет это положительное поле . В соседнем шарике сделаем на оборот и добавим лишних электронов. В итоге получим избыток и соответственно такое же электрическое поле , но со знаком «-».

В результате получим два потенциала, один из которых жаждет получить электроны, ну а второй от них избавится. В шаре с избытком возникает теснота и эти частицы, вокруг которых существует поле, толкаются и выталкивают друг друга из шара. А там где их недостаток, соответственно происходит что-то наподобие вакуума, который пытается втянуть в себя эти электроны . Это наглядный пример разности потенциалов и не что иное как напряжение между ними. Но, стоит только эти железные шары соединить между собой, как произойдёт обмен и напряжение пропадёт, поскольку образуется нейтральность.

Грубо говоря, эта сила стремления заряженных частиц, перейти от более заряженных частей к менее заряженным между двумя точками и будет разностью потенциалов. Давайте мысленно представим провода, которые подключены к батарейке от обычного карманного фонарика. В самой батарейке происходит химическая реакция, в результате которой возникает избыток электронов («-»), внутри батареи они выталкиваются на отрицательную клемму. Эти электроны стремятся, вернутся на своё место, откуда их до этого и вытолкали.

Внутри батареи у них не получается, значит остаётся ждать момента, когда им сделают мостик в виде электрического проводника и по которому они быстро перебегут на плюсовую клемму батареи, куда их притягивает. А пока мостика нет, то и будет желание перейти в виде этого самого электрического напряжения или разности потенциалов (напряжение тока).

Приведу некоторый аналогичный пример на ином представлении. Имеется обычный водопроводный кран с водой. Кран закрыт и, следовательно, вода не пойдёт из него, но внутри вода всё равно есть и более того, она там находится под некоторым давлением, она из-за этого давления стремится вырваться наружу, но ей мешает закрытый кран. И как только Вы повернёте ручку краника, вода тут же побежит. Так вот это давление и можно приблизительно сравнить с напряжением, а воду с заряженными частицами. Сам поток воды будет в данном примере выступать как электрический ток в самих проводах, а закрытый краник в роли электрического выключателя. Этот пример я привел только лишь для наглядности, и он не является полной аналогией!

Как ни странно, но люди не тесно связанные с профессией электрика, довольно часто называют электрическое напряжение , выражениемнапряжение тока и это является неправильной формулировкой, поскольку напряжение, как мы выяснили это разность потенциалов электрических зарядов, а ток, это сам поток этих заряженных частиц. И получается что, произнося напряжение тока в итоге небольшое несоответствие самого понятия.

Напряжение , так же как и все иные величины, имеет свою единицу измерения. Она измеряется в Вольтах. Это те самые вольты, которые пишутся на устройствах и источниках питания. Например, в обычной домашней розетки 220 В, или купленная вами батарейка с напряжением 1.5 В. В общем, думаю, вы поняли в общих чертах, что же такое это самое электрическое напряжение. В этой статье я основывался лишь на простом понимании этого термина и не вдавался в глубины формулировок и формул, чтобы не усложнять понимание. На самом деле эту тему можно гораздо шире изучить, но это уже зависит от Вас и Вашего желания.