Однородные и неоднородные электрические поля
Поле, в каждой точке которого вектор напряженности остается постоянным по величине и направлению, называется однородным.
В противном случае поле называется неоднородным.
Поля точечных зарядов — неоднородные поля.
Поле бесконечной равномерно заряженной плоскости
Поле бесконечной равномерно заряженной плоскости является однородным.
где σ = q / S — поверхностная плотность заряда.
Поле двух бесконечных, равномерно и разноименно заряженных плоскостей, расположенных параллельно друг другу
Поле двух бесконечных, равномерно и разноименно заряженных плоскостей, расположенных параллельно друг другу, однородно и целиком сосредоточено между этими плоскостями.
Работа перемещения заряда в однородном электростатическом поле
Работа перемещения заряда, совершаемая силами Кулона в однородном электростатическом поле, равна произведению этого заряда, напряженности поля и проекции вектора перемещения на силовую линию.
Работа перемещения заряда в однородном электростатическом поле не зависит от формы траектории заряда, а зависит от положения в этом поле начальной и конечной точек перемещения.
Работа перемещения заряда по замкнутой траектории, совершаемая силами электростатического поля, равна нулю.
Влияние формы электрического поля и полярности электродов на разрядное напряжение
Явление пробоя газа зависят от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой. Электрические поля принято делить на однородные и неоднородные.
Однородным электрическим полем называется поле, в различных точках которого напряженность имеет одинаковые значения. Например, однородным является поле в средней части плоского конденсатора (Рис. 5.4, а).
Рис. 5.4. Распределение напряжённости поля в средней части воздушных промежутков с электродами различной формы
В таком поле пробой наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Однородным полям соответствует самая большая электрическая прочность газов.
В неоднородном поле напряженность в различных точках имеет неодинаковые значения. В электрических установках большинство полей является резконеоднородными. В таких полях напряженность между электродами в различных точках отличается более чем в три раза. Примером резконеоднородных полей могут служить поля между электродами острие-острие и острие-плоскость (Рис. 5.4, б, в), являющиеся аналогами реальных систем электродов провод-провод и провод-земля на воздушных линиях электропередачи.
В неоднородных полях электрическая прочность газов всегда ниже, чем в однородных. Это объясняется тем, что в неоднородных полях имеются места с повышенной напряженностью, где и начинается ударная ионизация при сравнительно небольших напряжениях на электродах. Чем меньше размеры электрода, тем больше около него напряженность электрического поля (рис. 5.4, в).
При несимметричных электродах и постоянном напряжении пробивное напряжение зависит и от полярности электродов. Поскольку вблизи острия напряженность поля наибольшая, там начинается процесс ударной ионизации, в результате которого образуются заряженные частицы — электроны и ионы. Электроны являются более подвижными частицами, поэтому быстро уходят из зоны ионизации и отдают свой заряд положительному аноду. В результате в зоне ионизации, которая ограничена небольшой областью у острия, образуется избыток положительных ионов (положительный объемный заряд). В случае положительного острия положительный объемный заряд является как бы продолжением острия и увеличивает напряженность на участке " х " (Рис. 5.5, а), что способствует развитию ионизации на этом участке. При отрицательном острие положительный объемный заряд экранирует острие и тем самым уменьшает напряженность на участке " х " (Рис. 5.5, б), что затрудняет процессы ионизации справа от объемного заряда.
Рис. 5.5. Пояснение к отличию пробивных напряжений при положительной поляризации острия (а) и при отрицательной поляризации острия (б)
Итак, положительный объемный заряд способствует развитию разряда при положительном острие и затрудняет его при отрицательном. В результате разрядное напряжение при отрицательном острие примерно в 2 раза выше, чем при положительном. Это отличие разрядных напряжений получило название "эффект полярности".
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
11. Однородное и неоднородные электрические поля
Электромагнитное поле – это итог взаимодействия электрического и магнитного полей, фундаментальное физическое поле, которое возникает вокруг заряженных тел. Таким образом, электрическое поле – это часть поля электромагнитного, которое в свою очередь порождает электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Это не что иное, как возмущения электромагнитного поля.
Электрическое поле создается как неподвижными, так и движущимися зарядами. О наличии электрического поля можно судить, прежде всего, по его способности оказывать силовое действие на электрические заряды, движущиеся и неподвижные, а также по способности индуцировать электрические заряды на поверхности проводящих нейтральных тел.
Напряженность электрического поля. Количественной характеристикой силового действия электрического поля на заряженные тела служит векторная величина E, называемая напряжённостью электрического поля.
Она определяется отношением силы F, действующей со стороны поля на точечный пробный заряд qпр, помещенный в рассматриваемую точку поля, к величине этого заряда.
Однородное поле — это электрическое поле, в котором напряжённость одинакова по модулю и направлению во всех точках пространства. Приблизительно однородным является поле между двумя разноимённо заряженными плоскими металлическими пластинами. В однородном электрическом поле линии напряжённости направлены параллельно друг другу.
Электрическое поле, в котором напряженность одинакова по модулю и направлению в любой точке пространства, называется однородным электрическим полем.
Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными плоскими металлическими пластинами. Линии напряженности в однородном электрическом поле параллельны друг другу (рис. 109)
При равномерном распределении электрического заряда q по поверхности площади S поверхностная плотность заряда постоянна и равна
Можно доказать, что напряженность электрического поля бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда одинакова в любой точке пространства и равна
Формула (17.6) применяется для расчетов напряженности электрического поля около заряженных тел в том случае, когда форма равномерно заряженной поверхности близка к плоскости и расстояние от точки, в которой определяется напряженность поля, до поверхности тела значительно меньше размеров тела и расстояния до края заряженной поверхности.
Неоднородное поле — поле, значение (вектор) которого принимает различные значения и/или направления в разных точках.
12. Емкость плоского конденсатора
Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.
Конденсатор — электрический прибор, состоящий из двух проводящих пластин, разделенных слоем диэлектрика. Конденсаторы служат для накопления зарядов с целью их отдачи в нужный момент времени, а также в цепях переменного тока для деления зарядов (параллельное соединение) и для деления напряжения (последовательное соединение).
— емкость конденсатора (С).
— емкость плоского конденсатора.
Плоский конденсатор. Две плоские параллельные пластины одинаковой площади S, расположенные на расстоянии d друг от друга, образуют плоский конденсатор. Если пространство между пластинами заполнено средой с относительной диэлектрической проницаемостью 
, то при сообщении им заряда q напряженность электрического поля между пластинами равна 
, разность потенциалов равна 
. Таким образом, емкость плоского конденсатора. 
Тема 1.1. Электрическое поле.
Идея электрического поля была введена М. Фарадеем и теоретически обоснована Дж. Максвеллом.
Электрическое поле это вид материи посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов.
Электрическое поле неподвижных зарядов не меняется со временем и называется электростатическим полем .
Свойства электрического поля :
Порождается электрическим зарядом.
Обнаруживается по действию на заряд.
Действует на заряд с некоторой силой.
Распространяется в пространстве с конечной скоростью с=3·10 8 м/с.
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность .
Напряженность электрического поля – векторная физическая величина, равная отношению силы , действующей на пробный точечный заряд q , к этому заряду:
Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора кулоновской силы.
Напряженность поля не зависит от значения пробного заряда q ; определяется зарядами – источниками поля, является силовой характеристикой этого поля.
Единица в СИ – Н/Кл или В/м.
Поле, напряженность которого в любой точке одинакова ( E = const ), называют однородным .
Напряженность точечного электрического заряда в данной точке зависит от модуля заряда Q и от расстояния до этого заряда R .
Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов. В этом заключается принцип суперпозиции электрических полей .
Электрические поля изображаются графически с помощью линий напряженности .
Неоднородное электрическое поле :
Силовая линия (линия напряженности) электрического поля – линия, в каждой точке которой напряженность поля направлена по касательной. Силовые линии поля в электростатике начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Густота силовых линий пропорциональна модулю вектора напряженности.
Однородное электрическое поле:
На электрический заряд помещенный в однородное электрическое поле действует кулоновская сила способная совершать работу по перемещению электрического заряда.
Работа электрического поля не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории равна нулю. Такие поля называются потенциальными . Для этих поле характерна незамкнутость линий напряженности.
Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал (разность потенциалов), скалярная физическая величина, выражаемая в вольтах (В); 1В = 1 Дж / 1 Кл.
Потенциал поля в данной точке, находящейся на расстоянии R от заряда Q :
Потенциал поля может быть как положительным, так и отрицательным. Следуя принципу суперпозиции полей, можно утверждать, что если в данной точке пространства известен потенциал поля, созданного отдельно каждым из N зарядов (тел), то потенциал суммарного поля равен алгебраической сумме потенциалов каждого из полей
На практике используют разность потенциалов :
В электрическом поле разность потенциалов между двумя любыми точками равна напряжению между этими точками.
Эквипотенциальная поверхность – поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одно и то же значение.
На рисунке показаны эквипотенциальные поверхности точечных положительного и отрицательного зарядов и системы двух положительных зарядов.
Связь между напряженностью электрического поля и напряжением:
Электри́ческий ток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда.
Такими носителями могут являться: в металлах — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах — ионы и электроны, в вакууме при определённых условиях — электроны, в полупроводниках — электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля.
Электрический ток имеет следующие проявления:
изменение химического состава проводников (наблюдается преимущественно в электролитах);
создание магнитного поля (проявляется у всех без исключения проводников)
Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости . Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционным .
Различают постоянный и переменный электрические токи, а также всевозможные разновидности переменного тока. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.
Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени.
Переменный ток — электрический ток, изменяющийся во времени [5] . Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.
Период переменного тока — наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.
Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.
Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:
термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги);
механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови).
Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:
безопасным считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
минимально ощутимый человеком переменный ток составляет около 0,6—1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5—7 мА постоянного тока;
пороговым неотпускающим называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10—15 мА, для постоянного — 50—80 мА;
фибрилляционным порогом называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц. Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.
В России, в соответствии с Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок [19] , установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.