В чем отличается напряжение от напряженности

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение – величина, характеризующая напряжённость электрического поля внутри проводника. Термин кажется противоречащим общепринятому, но ниже последует объяснение.

Электрическое поле в эфире

Физики пока не в состоянии сказать, что такое электрическое поле. Собрали массу знаний, даже составили описательные формулы, выражения, но сути не представляют. Одновременно высмеивают понятие эфира, а значит, Алессандро Вольту, давшего имя, используемое теперь для обозначения единицы электрического напряжения. Итак, по нынешним меркам:

Электрическое поле – вид материи, посредством которой взаимодействуют электрические заряды.

Читатели уже догадались, что правило выписано из советского учебника (времён СССР), логично поинтересоваться мнением «идеалистов» на Западе (в противовес материалистам). Википедия на русском даёт уже более осторожное определение, трактуя электрическое поле как часть электромагнитного. Не углубляясь в суть.

Как следовало ожидать, на Западе говорят, что электрическое поле – нечто, неподвластное органам чувств, что определяется через единичный тестовый заряд путём опыта. Определение векторного поля тоже мало сообщает об истинной природе вещей. Приходится признать, что человечество пока не понимает поля и причину их взаимодействия указанным образом.

Решили один вид статических зарядов обозначить положительным, второй отрицательным. Существование двух видов признавал ещё Бенджамин Франклин в XVIII веке. Линии электрического поля начинаются и заканчиваются исключительно на зарядах. Это ключевой постулат, объясняющий работу конденсаторов, экранов и прочих приспособлений. Поле принято обозначать силовыми линиями, исходящими из положительных зарядов и входящими в отрицательные. Не все задумываются над причинами происходящего.

Линии направлены по указанному, пробный (тестовый) заряд (см. определение выше) тоже положительный. Вектор направлен по ходу движения. Общеизвестно, что заряды одинакового знака отталкиваются, если пробный положительной полярности, он стремится удалиться. В ту сторону изображают и линии напряжённости электрического поля. Соответственно, пробный заряд притягивается отрицательным.

Сегодня направление тока перепутано с истинным движением электронов по той причине, что физики избрали пробным зарядом положительный. Бытует мнение, что Бенджамин Франклин ввёл в заблуждение целый Земной шар. Он считал, что стекло обладает избытком электрической жидкости (флюида), назвав заряд стеклянным. Соответственно, смоляное электричество – отрицательное (избыток электронов). Читатели уже догадались, что в момент выбора требовалось сделать наоборот.

Разница потенциалов электрического поля

Вследствие путаницы магнитные полюса Земли (истинные) перепутаны. Впрочем, об этом упоминается в теме, касающейся магнитного поля. Итак, линии напряжённости начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. В каждой точке характеризуются напряжённостью – силой, действующей на пробный заряд. Эта величина, разумеется, векторная, направленная согласно с силовыми линиями.

Как следует из определения, единицей измерения напряжённости считается Н/Кл, но на практике применяется производная величина – В/м, которая уже ближе стоит к напряжению и привычным обозначениям тока и разницы потенциалов.

Опытным путём, построением картины поля определено, что линии поля не пересекаются. Это траектории движения пробного (тестового) положительного (стеклянного) заряда.

Линии напряжённости поля не замыкаются на себя по очевидной причине: направление оказалось бы противоположным на концах, что невозможно.

Из этого вытекает малоизвестный публике факт: при любой удалённости электрических зарядов, силовые линии поля все равно найдут путь. Указанный закон проявляется на всех планах Вселенной. Отсюда происходят принципы действия многих устройств.

К примеру, поле внутри металла не существует, свободные электроны занимают такое положение близ поверхности, что их собственные линии напряжённости блокируют проникновение внутрь чужеродной материи (термин взят согласно вышеуказанному определению).

  Договорились, что условно изображая поле на чертеже силовыми линиями, физики через их плотность нанесения охарактеризуют размер напряжённости. Из рисунка станет понятен характер распределения силы.

Указанные утверждения приводят к потенциалу. Если силовые линии не пересекаются, начинаются и заканчиваются на зарядах, косвенно следует, что работа совершаемая вдоль каждой не зависит от формы траектории. Подобные поля в физике принято называть потенциальными:

Работа электрического поля по перемещению заряда зависит исключительно от разницы между потенциалами двух точек – начальной и конечной.

Налицо разница потенциалов. К полям рассматриваемого типа относится и гравитационное. Физики Жданов и Маранджян вполне однозначно трактуют понятие потенциала:

Потенциальной энергией точки в поле становится работа, затраченная полем, чтобы переместить пробный заряд на бесконечно далёкое расстояние.

Это не значит, что работа совершена, если заряд прочно удерживается на месте. При освобождении заряд понемногу отдалился бы в бесконечность. Понятна тесная связь магнитного, электрического и гравитационного полей. Из сказанного проистекает определение для потенциала:

Потенциалом называют потенциальную энергию в поле единичного пробного заряда.

Как правило, потенциал считается скалярной величиной, чтобы удобнее производить вычисления. Для определённости пробный заряд берётся положительным, хотя это неверно. Если работа совершается против сил поля при перемещении в бесконечную точку, потенциал окажется отрицательным. Единицей измерения потенциала применяется вольт.

Определение электрического напряжения

Электрическим напряжением называется разница потенциалов между двумя точками поля. Для разграничения среды и эфира принято использовать термин лишь в реально существующих цепях. К примеру, между облаками и грунтом присутствует напряжение в сотни кВ, о чём прямо не говорится. Вместо этого употребляют термин «разница потенциалов» либо «напряжённость». Становится понятным определение, данное выше.

Когда речь заходит об электрическом напряжении, подразумевают некое тело. Если говорят про эфир, оперируют с напряжённостью поля. Это выгодно с точки зрения расчётов. К примеру, амплитуда сигнала на выходе антенны выражается через напряжённость, через указанный параметр определяется чувствительность приёмника – насколько слабую напряжённость поля устройство способно преобразовать в детализированный и понятный человеку сигнал.

Сравнивая единицы измерения, замечаем, что численно напряжённость равна напряжению, делённому на расстояние между двумя рассматриваемыми точками. Это общепринятая физическая формула. Через выражение оценивается напряжённость поля плоского конденсатора. Термины говорят также о людских представлениях:

1. Напряжение обычно возникает в материальном: предмете, человеке.
2. Напряжённость наблюдается в отношениях, не представляемые непосредственно в виде материи.

Аналогично напряжённость характеризует поле в эфире, а напряжение описывает проводники и диэлектрики. Эти термины столь разрознены по причине, что теория не отличается стройностью.

К примеру, в магнитном поле введены индукция и напряжённость, всем понятно, что первое характеризует поведение материалов и зависит от них, а второе присутствует на абсолютном плане, в эфире.

Электрическое поле плохо описано, редкий физик в состоянии сказать, что означает ток смещения в формулах Джеймса Клерка Максвелла.

Итак, показано, что напряжённость считается исходной величиной поля, магнитного и электрического. Электрическое напряжение – производная характеристика, через которую удобно действовать.

Влияние напряжения

Под действием электрического напряжения в проводниках возникает ток, как и при прикосновении внешнего поля. Для поддержания процесса выполняются два условия:

1. Замкнуть контур из проводников.
2. Создать движущую силу для восполнения энергии поля.

Диэлектрики ведут себя иначе. До определённых пор энергия поля ориентирует по-новому мелкие диполи материала. Удерживающие силы обладают упругостью, разрешая «запасать» энергию в виде механической. Когда внешнее поле ослабевает, система возвращается в прежнее состояние, отдавая накопленное.

Если электрическое напряжение слишком высокое, наступает отрыв диполей либо расформирование. Что внешне выражается в разрушении материала диэлектрика. Тогда говорят о некотором предельном напряжении электрической изоляции, выше которого вещество неспособно выполнить функции. Для обычных, рядовых бытовых цепей проверка диэлектрика осуществляется электрическим напряжением 500 В.

Из истории

Сложно сказать, кто ввёл понятие напряжения, но в исходном виде термина voltage не отмечалось. Англоязычное слово указывает на Алессандро Вольту. Физики эпохи становления отрасли электромагнетизма чаще применяли термин electrical tension. Это нечто, связанное с напряжённостью из механики. Из категории, что и тензометрические датчики напольных весов.

К слову сказать, напряжённость на Западе называют интенсивностью (intensity). Предполагаемый основоположник Вольта потому, что в трудах всех без исключения учёных начала XIX века проскальзывает словцо – tension. В современном английском слова нет.

Ответ прост: это – сложившаяся дань традиции. К примеру, Алессандро Вольта делал доклады зарубежным академиям наук, но не вооружившись устоявшейся терминологией, на ходу придумывал подходящие обозначения.

Ввёл в обиход понятие конденсатора (condensor), которое прижилось гораздо лучше, нежели tension. Мы полагаем, что у слова латинские корни, а в Италии и Испании им до сего дня обозначают электрическое напряжение.

Следовательно, если ток берет исходное название от Луиджи Гальвани – так говорили все авторы начала XIX века – tension происходило из уст Вольты.

К сожалению, авторы не проводили углублённое изучение вопроса и не могут привести название работы, где впервые прозвучала речь об электрическом напряжении. Но совершенно точно, что Ампер, Араго, Ом оперировали термином tension.

В английском языке слово voltage едва ли появилось ранее 80-х годов XIX века, IEC ввели единицу вольт лишь в 1881 году. Он составлял 100 млн. единиц напряжения системы СГС. В дальнейшем, как эпредполагается, появилось слово voltage, заменив присутствующее раньше tension.

Источник: https://vashtehnik.ru/enciklopediya/elektricheskoe-napryazhenie.html

5.3. Электродвижущая сила (эдс), напряжение и разность потенциалов. Их физический смысл. Связь между эдс, напряжением и разностью потенциалов

Физическая величина, равная работе сторонних сил по перемещению положительного единичного заряда вдоль всей цепи, включая источник тока, называется электродвижущей силой источника тока (ЭДС) :

. (5.15)

Работа сторонних сил вдоль замкнутой цепи

, (5.16)

где E* – напряженность поля сторонних сил.

Тогда

. (5.17)

При движении зарядов в проводнике кроме сторонних сил на них действуют силы электростатического поля (). Следовательно, в любой точке цепи на заряд q действует результирующая сила:

. (5.18)

Работа, совершаемая этой силой на участке 1 – 2,

(5.19)

Физическая величина, численно равная работе сторонних и электрических сил по перемещению положительного единичного заряда на данном участке цепи, называется падением напряжения или напряжением на данном участке цепи:

. (5.20)

Если на участке цепи отсутствует ЭДС (), то

. (5.21)

При 1 — 2 = 0,

. (5.22)

Измеряются , U, (1 — 2) в системе СИ в вольтах (1 В).

Лекция 6. Классическая электронная теория проводимости металлов. Законы постоянного тока

Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах. Электрическое сопротивление проводников. Изменение сопротивления проводников от температуры и давления. Сверхпроводимость. Соединения сопротивлений: последовательное, параллельное, смешанное.

Шунтирование электроизмерительных приборов. Добавочные сопротивления к электроизмерительным приборам. Правила (законы) Кирхгофа и их применение к расчету простейших электрических цепей. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной и интегральной формах. Энергия, выделяющаяся в цепи постоянного тока.

Коэффициент полезного действия (КПД) источника постоянного тока.

6.1. Классическая электронная теория электропроводности металлов и ее опытные обоснования. Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах

Классическая электронная теория проводимости металлов объясняет различные электрические свойства веществ существованием и движением в них так называемых квазисвободных электронов проводимости. Электроны проводимости при этом рассматриваются как электронный газ, подобный идеальному газу молекулярной физики.

До открытия электронов было экспериментально показано, что прохождение тока в металлах не связано, в отличие от тока в жидких электролитах, с переносом вещества металла. Опыт состоял в том, что через контакт двух различных металлов, например золота и серебра, в течение времени, исчисляемого многими месяцами, пропускали электрический ток.

После чего исследовался материал вблизи контактов. Было показано, что никакого переноса вещества через границу различных металлов не наблюдается и вещество по различные стороны границы раздела имеет тот же состав, что и до пропускания тока.

Опыты доказали, что атомы и молекулы металлов не принимают участия в переносе электрического тока, но они не ответили на вопрос о природе носителей заряда в металлах.

Прямым доказательством, что электрический ток в металлах обусловливается движением электронов, были опыты Толмена и Стюарда, проведенные в 1916 г. Идея этих опытов была высказана Мандельштамом и Папалекси в 1913 г.

Представим себе проводящую катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные электроны в проволоке продолжают движение по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

Обозначим линейное ускорение катушки при торможении – a. Оно направлено по касательной к поверхности катушки. При достаточно плотной намотке и тонких проводах можно считать, что ускорение направлено вдоль проводов.

При торможении катушки к каждому свободному электрону приложена сила инерции Fин = mea, направленная противоположно ускорению.

Под ее действием электрон ведет себя в металле так, как если бы на него действовало эффективное электрическое поле с напряженностью

. 6.1)

Поэтому эффективная электродвижущая сила в катушке, обусловленная инерцией свободных электронов,

, (6.2)

где L – длина провода на катушке.

Все точки провода тормозятся с одинаковым ускорением, и поэтому ускорение вынесено за знак интеграла.

С учетом формулы (6.2) запишем закон Ома для замкнутой цепи в виде

, (6.3)

где I – сила тока в замкнутой цепи;

R – сопротивление всей цепи, включая сопротивление проводов катушки, проводов внешней цепи и гальванометра.

Количество электричества, протекшее через поперечное сечение проводника в течение времени dt при силе тока I,

. (6.4)

Поэтому в течение времени торможения катушки от начальной линейной скорости vo до полной остановки через гальванометр пройдет количество электричества

. (6.5)

Значение q определяется по гальванометру, а значения L, R, vo известны. Поэтому можно найти как знак, так и абсолютное значение e/me. Эксперименты показали, что e/me соответствует отношению заряда электрона к его массе. Таким образом, было доказано, что наблюдаемый с помощью гальванометра ток обусловлен движением электронов.

В отсутствие электрического поля в проводниках электроны проводимости движутся хаотично, в произвольных направлениях со скоростями, обусловленными температурой, т.е. с так называемой тепловой скоростью u.

Через определенный промежуток времени t = , двигаясь по прямой, электрон проводимости может провзаимодействовать с ионом кристаллической решетки или с другим электроном проводимости.

В результате такого взаимодействия, а оно считается в классической теории проводимости абсолютно упругим, сохраняются полные импульс и энергия, а величина и направление скорости движения могут измениться.

Предельным является случай, когда через время, равное  (время свободного пробега), направление скорости теплового движения электрона проводимости изменяется на противоположное. Время свободного пробега зависит от природы вещества и тем меньше, чем чаще происходят взаимодействия. Между соударениями (взаимодействиями) со скоростью u ничего не происходит.

При наложении электричес-кого поля с напряженностьюE под действием силы F = eE эле-ктроны проводимости приобре-тают некоторое ускорение a и направленное движение с изме-няющейся скоростью от vo = 0 до v = vmax за время t = .

Изменение скорости направленного движения электрона проводимости происходит до его взаимодействия (рис. 6.1). В результате взаимодействия эта скорость так же может измениться как по величине, так и по направлению.

Если в единице объема проводника n электронов проводимости, которые в некоторый момент времени t обладают скоростью v, то можно определить заряд, прошедший через некоторую площадку S, расположенную перпендикулярно направлению скорости движения электронов проводимости:

, (6.6)

где — средняя скорость упорядоченного движения электронов проводимости.

Сила (величина) тока в проводнике в этом случае

. (6.7)

Плотность тока проводимости

. (6.8)

В векторной форме

. (6.9)

Согласно (6.8) для определения плотности электрического тока в проводнике необходимо определить среднюю скорость упорядоченного движения электронов проводимости.

Средняя скорость упорядоченного движения в данном случае может быть определена по формуле

, (6.10)

т.к. в начальный момент времени t=0, когда отсутствует электрическое поле, vo=0.

Максимальная скорость упорядоченного движения, которую приобретает электрон под действием электрического поля за время свободного пробега,

,

где a – ускорение, приобретаемое электроном проводимости под действием электрического поля;

 – время пробега электрона проводимости от взаимодействия до взаимодействия.

На основании второго закона Ньютона F = ma, где F — кулоновская сила,

F = eE.

Имеем:

;

;

. (6.11)

Для средней скорости упорядоченного движения электронов проводимости получим

. (6.12)

Зная среднюю скорость теплового движения электронов проводимости и среднее расстояние, проходимое ими от взаимодействия до взаимодействия, можно определить время между двумя последующими взаимодействиями:

. (6.13)

Сделав подстановку и необходимые преобразования, для плотности тока проводимости будем иметь

, (6.14)

где — удельная электропроводность металла проводника.

В векторной форме

. (6.15)

Выражения (6.14) и (6.15) являются математической формой записи закона Ома в дифференциальной форме.

Закон Ома в дифференциальной форме справедлив для любых проводников, любых токов, характеризует плотность тока проводимости в любой точке проводника.

Из закона Ома в дифференциальной форме можно получить закон Ома в интегральной форме для замкнутой (или полной) цепи. Для чего выражение (6.15) умножим на величину элементарного участка цепи dl:

,

где ;;.

Таким образом, имеем

или

; . (6.16)

Проинтегрировав выражение (6.16) по замкнутому контуру L, получим

, (6.17)

где – сопротивление внешнего и внутреннего участков цепи;

–ЭДС, действующая в замкнутой цепи, численно равная циркуляции вектора напряженности поля сторонних сил;

–разность потенциалов между двумя рассматриваемыми точками замкнутой цепи.

Для замкнутой цепи

(1 — 2) = 0; .

Таким образом, имеем

или , (6.18)

где R1 – сопротивление внешнего участка цепи;

r – внутреннее сопротивление источника тока.

Из формулы (6.18)

. (6.19)

Следовательно, ЭДС уравновешивает падение напряжения во внешней и внутренней цепи и тем самым обеспечивает непрерывное движение электронов проводимости.

Если цепь не замкнута и в ней отсутствует ЭДС, то

, а . (6.20)

Выражения (6.18) и (6.20) являются математической формой записи закона Ома, соответственно, для полной (замкнутой) цепи и участка цепи, который был открыт им экспериментально. Сила тока в цепи прямопропорциональна ЭДС (напряжению на участке цепи) и обратно пропорциональна сопротивлению цепи.

Источник: https://studfile.net/preview/2969513/page:25/

Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля

Рассмотрим две точки имеющие координаты (x, y, z) и (x + Δx, y ,z) и между которыми перемещается единичный заряд. Работа, которую необходимо совершить против сил электростатического поля, для переноса заряда из одной точки в другую, численно будет равна разности потенциалов в этих точках:

Согласно формуле (4 приведенной по ссылке) на том же отрезке работа по перемещению единичного заряда (q/ = 1) можно выразить формулой:

Где Ех – проекция вектора напряженности на координатную ось Х.

Приравняв правые части уравнений получим:

По аналогии и для других координат:

К эквипотенциальным поверхностям вектор напряженности Е электростатического поля нормален. В случае если вместо направляющих координат x, y, z взять нормаль n к эквипотенциальным поверхностям, то составляющие вектора Ех, Ey, Ez можно будет заменить на Е, тогда:

Величина dφ/dn называется градиентом потенциала, имеет обозначение grad φ и характеризует быстроту изменения потенциала в направлении силовой линии. Исходя из этого, предыдущее выражение можно записать как:

Вектор напряженности Е численно равен градиенту потенциала, но направлен в сторону падения потенциала – в противоположную сторону.

Давайте определим напряженность электростатического поля между двумя бесконечными заряженными пластинами, расстояние между которыми равно d, а их потенциалы постоянны и равны φ1 и φ2.

Поскольку заряды на пластинах распределены равномерно, электростатическое поле между пластинами одновременно (напряженность поля Е одинакова во всех точках между пластинами).

Силовые линии перпендикулярны пластинам, а эквипотенциальные поверхности параллельны им. Применив к данному случаю уравнение (2) получим:

Где φ1 — φ2 = U – разность потенциалов между пластинами, которую часто называют напряжением.

Напряжение (разность потенциалов) – важная характеристика электростатического поля, так как при любых расчетах важно знать не абсолютные значения потенциалов в каких – либо двух точках поля, а разность потенциалов между ними. Когда говорят о потенциале в определенной точке поля, подразумевают разность потенциалов между данной точкой и другой, потенциал которой условно могут считать равным нулю (например, потенциал Земли принимают равным нулю).

Разность потенциалов и потенциал (электрическое напряжение U) в системе СИ принято измерять в вольтах:

Разность потенциалов между двумя точками будет равна 1 В, если для перемещения заряда 1 Кл между ними совершается работа 1 Дж.

В системе СГС аналогичная единица обозначается как 1 СГСU. Соотношение между этими единицами: 1 СГСU  = 300 В.

Из формулы 3 следует, что напряженность электрического поля в системе СГС измеряется в единицах СГСЕ, а в системе СИ в вольтах на метр (В/м), что соответствует Н/Кл.

Пример

К пластинам плоского конденсатора приложено напряжение 600 В. Поверхностная плоскость зарядов на пластинах σ = 3,20·10-4 Кл/м2. Необходимо определить расстояние между пластинами.

Решение

Напряженность поля конденсатора равна:

Где d – расстояние между пластинами, U – напряжение на них.

Выразим напряженность поля через поверхностную плоскость σ заряда на пластинах конденсатора:

Где ε = 1 (так как диэлектрик воздух), ε0 – электрическая постоянная.

Приравняв правые части приведенных уравнений получим:

Вычисляя находим:

Источник: https://elenergi.ru/svyaz-mezhdu-napryazhennostyu-i-potencialom-elektrostaticheskogo-polya.html

Электрическое напряжение. Определение, виды, единицы измерения

Единицей напряжения называют вольт (В). Один Вольт выражается в разности потенциалов двух точек электрического поля, силы которого совершают работу в 1 Дж для перемещения заряда в 1 Кл из первой точки во вторую. Измеряют напряжение специальным прибором — вольтметром.

Таким образом, значение 220 В подразумевает, что электрическое поле данной сети способно совершить работу (потратить энергию) в 220 Дж для «протаскивания» зарядов через цепь и нагрузку.

От чего зависит напряжение?

Напряжение участка цепи зависит от:

• Материала проводника;

• Подключенной нагрузки (сопротивления);

• Температуры;

Постоянное напряжение

Напряжение в электрической сети постоянно, когда с одной ее стороны всегда положительный потенциал, а с другой – отрицательный. Электрический ток в этом случае имеет одно направление и является постоянным.

Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на его концах.

При подключении нагрузки в цепь постоянного тока важно не перепутать контакты, иначе устройство может выйти из строя. Классическим примером источника постоянного напряжения являются батарейки.

Применяют сети постоянного тока, когда не требуется передавать энергию на большие расстояния: во всех видах транспорта – от мотоциклов до космических аппаратов, в военной технике, электроэнергетике и телекоммуникациях, при аварийном электрообеспечении, в промышленности (электролиз, выплавка в дуговых электропечах и т.д.).

Переменное напряжение

Если периодически менять полярность потенциалов, либо перемещать их в пространстве, то и электрический ток устремится в обратном направлении. Количество таких изменений направления за определенное время показывает характеристика, называемая частотой. Например, стандартные 50 герц означают, что полярность напряжения в сети меняется за секунду 50 раз.

Напряжение в электрических сетях переменного тока является временной функцией.

Чаще всего используется закон синусоидальных колебаний.

Так получается за счет того, что переменный ток возникает в катушке асинхронных двигателей за счет вращения вокруг нее электромагнита. Если развернуть вращение по времени, то получается синусоида.

Переменный ток применяют при необходимости передавать энергию на значительные расстояния. В этих случаях эффективно использование трехфазных сетей: потери электроэнергии в проводах минимальны, простая электрогенерация (благодаря трехфазным электродвигателям без коллектора), выгодно экономически.

Трехфазный ток получают в трехфазных электродвигателях

. В них имеются сразу три катушки проводов, расположенных равномерно по кругу – через 120 градусов. Поэтому и синусоиды трехфазного тока отстают друг от друга на этот угол. Геомертическое представление трехфазного напряжения и тока выглядит в виде векторной диаграммы.

Трехфазная электросеть состоит из четырех проводов – трех фазных и одного нулевого. напряжение между проводами нулевым и фазным равно 220 В и называется фазным. Между фазными напряжение также существует, называется линейным и равно 380 В (разность потенциалов между двумя фазными проводами). В зависимости от вида подключения в трехфазной сети можно получить или фазное напряжение, или линейное.

Источник: https://pue8.ru/elektrotekhnik/816-elektricheskoe-napryazhenie-opredelenie-vidy-edinitsy-izmereniya.html

Электрическое поле: определение, классификация, характеристики

Нас окружает материальный мир. Материю мы воспринимаем с помощью зрения и других органов чувств. Отдельным видом материи является электрическое поле, которое можно выявить только через его влияние на заряженные тела или с помощью приборов. Оно порождает магнитные поля и взаимодействует с ними. Эти взаимодействия нашли широкое практическое применение.

Определение

Электрическое поле неразрывно связано с магнитным полем, и возникает в результате его изменения. Эти два вида материи являются компонентами электромагнитных полей, заполняющих пространство вокруг заряженных частиц или заряженных тел.

Таким образом, данный термин означает особый вид материи, обладающий собственной энергией, являющийся составным компонентом векторного электромагнитного поля. У электрического поля нет границ, однако его силовое воздействие стремится к нулю, при удалении от источника – заряженного тела или точечных зарядов [1].

Важным свойством полевой формы материи является способность электрического поля поддерживать упорядоченное перемещение носителей зарядов.

Рис. 1. Определение понятия «электрическое поле»

Энергия электрического поля подчиняется действию закона сохранения. Её можно преобразовать в другие виды или направить на выполнение работы.

Силовой характеристикой полей выступает их напряжённость – векторная величина, численное значение которой определяется как отношение силы, действующей на пробный положительный заряд, к величине этого заряда.

Характерные физические свойства:

• реагирует на присутствие заряженных частиц;
• взаимодействует с магнитными полями;
• является движущей силой по перемещению зарядов – как положительных ионов, таки отрицательных зарядов в металлических проводниках;
• поддаётся определению только по результатам наблюдения за проявлением действия.

Оно всегда окружает неподвижные статичные (не меняющиеся со временем) заряды, поэтому получило название – электростатическое. Опыты подтверждают, что в  электростатическом поле действуют такие же силы, как и в электрическом.

Электростатическое взаимодействие поля на заряженные тела можно наблюдать при поднесении наэлектризованной эбонитовой палочки к мелким предметам. В зависимости от полярности наэлектризованных частиц, они будут либо притягиваться, либо отталкиваться от палочки.

Сильные электростатические поля образуются вблизи мощных электрических разрядов. На поверхности проводника, оказавшегося в зоне действия разряда, происходит перераспределение зарядов.

Вследствие распределения зарядов проводник становится заряженным, что является признаком влияния электрического поля.

Классификация

Электрические поля бывают двух видов: однородные и неоднородные.

Однородноеэлектрическое поле

Состояние поля определяется пространственным расположением линий напряжённости. Если векторы напряжённости идентичны по модулю и они при этом сонаправлены во всех точках пространства, то электрическое поле – однородно. В нём линии напряжённости расположены параллельно.

В качестве примера является электрическое поле, образованное разноимёнными зарядами на участке плоских металлических пластин (см. рис. 2).

Рис. 2. Пример однородности

Неоднородное электрическое поле

Чаще встречаются поля, напряжённости которых в разных точках отличаются. Линии напряжённости у них имеют сложную конфигурацию.

Простейшим примером неоднородности является электрический диполь, то есть система из двух разноимённых зарядов, влияющих друг на друга (см. рис. 3).

Несмотря на то, что векторы напряжённости электрического диполя образуют красивые линии, но поскольку они не равны, то такое поле неоднородно. Более сложную конфигурацию имеют вихревые поля (рис 4).  Их неоднородность очевидна.

Рис. 3. Электрический диполь Рис. 4. Вихревые поля

Характеристики

Основными характеристиками являются:

• потенциал;
• напряжённость;
• напряжение.

Потенциал

Термин означает отношение потенциальной энергии W, которой обладает пробный заряд q′ в данной точке к его величине. Выражение φ=W/q′. называется потенциалом электрического поля в этой точке.

Другими словами: количество накопленной энергии, которая потенциально может быть потрачена на выполнение работы, направленной на перемещение единичного заряда в бесконечность, или в другую точку с условно нулевой энергией,  называется потенциалом рассматриваемого электрического поля в данной точке.

Энергия поля учитывается по отношению к данной точке. Её ещё называют потенциалом в данной точке. Общий потенциал системы равен сумме потенциалов отдельных зарядов. Это одна из важнейших характеристик поля. Потенциал можно сравнить с энергией сжатой пружины, которая при высвобождении способна выполнить определённую работу.

Единица измерения потенциала – 1 вольт. При бесконечном удалении точки от наэлектризованного тела, потенциал в этой точке уменьшается до 0: φ∞=0.

Напряжённость поля

Достоверно известно, что электрическое поле отдельно взятого заряда q действует с определённой силой F на точечный пробный заряд, независимо от того, на каком расстоянии он находится. Сила, действующая на изолированный положительный пробный заряд, называется напряжённостью и обозначается символом E.

Напряжённость – векторная величина. Значение модуля вектора напряжённости: E=F/q′.

Линиями напряжённости электрического поля (известные как силовые линии), называются касательные, которые в точках касания совпадают с ориентацией векторов напряжённости. Плотность силовых линий определяет величину напряжённости.

Рис. 5. Электрическое поле положительного и отрицательного вектора напряжённости

Напряженность вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него, определяется по закону Кулона: E = 14πε0⋅Qr2. Такие поля называют кулоновскими.

Векторы напряженности положительного точечного заряда направлены от него, а отрицательного – до центра (к заряду). Направления векторов кулоновского поля видно на рис. 6.

Рис. 6. Направление линий напряжённости положительных и отрицательных зарядов

Для кулоновских полей справедлив принцип суперпозиции. Суть принципа в следующем:вектор напряжённости нескольких зарядов может быть представлен в виде геометрической суммы напряжённостей, создаваемых каждым отдельно взятым зарядом, входящих в эту систему.

Для общего случая распределения зарядов имеем:

Линии напряжённости схематически изображены на рисунке 7. На картинке видно линии, характерные для полей:

• электростатического;
• дипольного;
• системы и одноимённых зарядов;
• однородного поля.

Рис. 7. Линии напряжённости различных полей

Напряжение

Поскольку силы электрического поля способны выполнять работу по перемещению носителей элементарных зарядов, то наличие поля является условием для существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда двигаются от точки, обладающей более высоким потенциалом, к точке с низшим потенциалом. При этом часть энергии расходуется на выполнение работы по перемещению.

Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения носителей элементарных зарядов) необходимо на концах проводника поддерживать разницу потенциалов, которую ещё называют напряжением. Чем больше эта разница, тем активнее выполняется работа, тем мощнее ток на этом участке. Функции по поддержанию разницы потенциалов возложены на источники тока.

Методы обнаружения

Органы чувств человека не воспринимают электрических полей. Поэтому мы не можем их увидеть, попробовать на вкус или определить по запаху. Единственное, что может ощутить человек – это выпрямление волос вдоль линий напряжённости. Наличие слабых воздействий мы просто не замечаем.

Обнаружить их можно через воздействие на мелкие кусочки бумаги, бузиновые шарики и т.п. Электрическое поле воздействует на электроскоп – его лепестки реагируют на такие воздействия.

Очень простой и эффективный метод обнаружения с помощью стрелки компаса. Она всегда располагается вдоль линий напряжённости.

Существуют очень чувствительные электронные приборы, с лёгкостью определяющие наличие электростатических полей.

Методы расчета электрического поля

Для расчётов параметров используются различные аналитические или численные методы:

• метод сеток или конечных разностей;
• метод эквивалентных зарядов;
• вариационные методы;
• расчёты с использованием интегральных уравнений и другие.

Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в основном используются численные методы, приведённые в списке.

Использование

Изучение свойств электрического поля открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создавать источники тока.

На свойствах электрических полей создано различное оборудование, применяемое в медицине, химической промышленности, в электротехнике. Разрабатываются приборы, применяемые в сфере беспроводной передачи энергии к потребителю. Примером могут послужить устройства беспроводной зарядки гаджетов. Это пока только первые шаги на пути к передачи электричества на большие расстояния.

Сегодня, благодаря знаниям о свойствах полевой формы материи, разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот способ оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.

К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы полей. Обладая способностью электризации предметов, оказавшихся в зоне действия, электрические поля создают серьёзные препятствия для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры. Накопленное статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных микросхем и полевых транзисторов.

Источник: https://www.asutpp.ru/elektricheskoe-pole.html