Измерение потенциала проводника — справочник студента

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.
Потенциал электростатического поля — скалярная величина, равная отношению потен­циальной энергии заряда в поле к этому заряду: 
 — энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле.
Т.к. потенциальная энергия зависит от выбора системы координат, то и потенциал определяется с точностью до постоянной.
За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: а) потенциал Земли, б) потенциал бесконечно удаленной точки поля, в) потенциал отрицательной пластины конденсатора.
Измерение потенциала проводника - Справочник студента
— следствие принци­па суперпозиции полей (потенциалы складываютсяалгебраически).
Измерение потенциала проводника - Справочник студента
Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность.
В СИ потенциал измеряется в вольтах: 
Разность потенциалов
Измерение потенциала проводника - Справочник студента
Измерение потенциала проводника - Справочник студента
  • Напряжение — разность значений потенциала в начальной и конечнойточках траектории.
  • Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля.         
  • Разность потенциалов (напряжение) не зависит от выбора
  • системы координат!
  1. Единица разности потенциалов
  2. Измерение потенциала проводника - Справочник студента  
  3. Напряжение равно 1 В, если при перемещении положительного заряда в 1 Кл вдоль силовых линий поле совершает работу в 1 Дж.
Связь между напряженностью и напряжением.
Из доказанного выше:  Измерение потенциала проводника - Справочник студента →     
напряженность равна градиенту потенциала (скорости изменения потенциала вдоль направления d).
Из этого соотношения видно:

  1. Вектор напряженности направлен в сторону уменьшения потенциала.
  2. Электрическое поле существует, если существует разность потенциалов.
  3. Единица напряженности:     —   Напряженность поля равна 1 В/м, если между двумя точками поля, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга существует разность потенциалов 1 В.
Измерение потенциала проводника - Справочник студента

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!
  • Эквипотенциальные поверхности.
  • ЭПП — поверхности равного потенциала.
  • Свойства ЭПП:
  • — работа при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не совершается;
  • — вектор напряженности перпендикулярен к ЭПП в каждой ее точке.
Измерение потенциала проводника - Справочник студента
Измерение потенциала проводника - Справочник студента
Измерение электрического напряжения (разности потенциалов)
Между стержнем и корпусом — электрическое поле. Измерение потенциала кондуктора Измерение напряжения на гальваническом элементе Электрометр дает большую точность, чем вольтметр.
Потенциальная энергия взаимодействия зарядов.
Потенциал поля точечного заряда
Потенциал заряженного шара
а) Внутри шара Е=0, следовательно, потенциалы во всех точках внутри заряженного металлического шара одинаковы (!!!) и равны потенциалу на поверхности шара.
б) Снаружи поле шара убывает обратно пропорционально расстоянию от центра шара, как и в случае точечного заряда.
Перераспределение зарядов при контакте заряженных проводников.
Переход зарядов происходит до тех пор, пока потенциалы контактирующих тел не станут равными.

Источник: https://www.eduspb.com/node/1761

Справочник студента-инженера

Измерение потенциала проводника - Справочник студента Измерение потенциала проводника - Справочник студента
Измерение потенциала проводника - Справочник студента

ИИзмерение потенциала проводника - Справочник студента нтегрирование.

  • Площади
  • l – длинна
  • b — высота, ширина.
  • Площадь круга:
  • Кинематика.
  • Равномерное движение:
  • a = 0
  • V = S/t
  • Ускоренное движение:
  • a > 0
  • a = (V – V0 )/ t
  • S = S0 + V0t  (at2 )/2
  • a = (V2 – V02 )/ 2S
  • Последовательный ряд нечетных
  • чисел:
  • — ую:
  • просто:
  • Движение под углом к горизонту.
  • Измерение потенциала проводника - Справочник студента
  • Скорость по оси ОХ:
  • Скорость по оси ОУ:
  • Максимальное время подъема:
  • tполн = 2t
  • Расстояние :
  • S = Vx tполн.
  • Максимальная высота:
  • Движение тела, брошенного
  • горизонтально:
  • ; Измерение потенциала проводника - Справочник студента
  • Измерение потенциала проводника - Справочник студента
  • Динамика.
  • F = ma
  • P = mg
  • Fтр. = -N
  • F = -F
  • Момент сил.
  • M=Fl
  • M1+M2+…+Mn = 0
  • Пружина.
  • x – удлинение.

k – кооф. растяжения.

l = l – l0

l – абсолют. удлинение пружины.

ε -относит. удлинение.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

l0 – начальная длинна

Сила всемирного тяготения

Сила тяжести

  1. Работа и энергия.
  2. ;
  3. ;
  4. Измерение потенциала проводника - Справочник студента

Криволинейное движение

  • Движение по окр-ти.
  • ;
  • w — угловая скорость.[рад/с]
  • v -линейная скорость.

n — частота обращения. [об./мин.]

T – период обращения. [время]

Угловая скорость. Период обращения.

  1. ; ;
  2. ; ;
  3. Для случаев, когда n = [обороты]
  4. ;
  5. — частота [1/с = 1 Гц]
  6. — угол.
  7. l – длинна дуги.
  8. Импульс.
  9. ;
  10. Не упругое вз-вие.
  11. до: после:
  12. в проекции на ось х:
  13. Упругое соударение.
  14. до вз-я: после:
  15. в проекции на ось х:
  16. Реактивное движение:
  17. в проекции на ось х: (вверх)
  18. 0 изначально.
  19. — импульс газов
  20. Импульс силы.
  21. Механика жидкостей и газов.

Давление. Закон Паскаля.

  • -//- жидкости на дно сосуда.
  • ; F – сила давления
  • S – поверхность[1Па = 1Н/1 ]
  • h – высота уровня жидкости.
  • Сообщающиеся сосуды.
  • ;

Архимедова сила. Атм. давление

  1. ;
  2. ;
  3. /
  4. вытесненной жидкости цилиндром.

Закон Гука. Растягив. сила.

  • l –первоначальная длинна стержня
  • Δl –абсолютное удлинение
  • S –площадь поперечного сеч.

E –кооф. пропорцион., модуль Юнга, модуль упругости.

  1. — напряженность
  2. -закон Гука
  3. КПД машин.
  4. ; [1дж/1с = 1 Вт]

Колебания и волны. Звук.

  • F – возвращающая сила
  • k – постоянная возвращающ.
  • x – смещение
  • Маятник.
  • ;l – длинна маятника
  • Математический маятник – точка, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити.
  • Пружинный маятник:
  • ;
  • — циклическая частота колебаний
  • Фаза колебаний.
  • — угловая скорость
  • — угол поворота
  • Скорость распространения волн
  • ;
  • Электромагнитные колебания.
  • ;
  • — собственна частота колебаний в контуре
  • ;
  • ;
  • — фаза колебаний
  • — амплитуда тока
  • С – скорость в ваакуме
  • n – абс. показатель преломления среды
  • Молекулярно-кинетическая
  • теория
  • ;
  • — масса молекулы
  • — молярная масса
  • ; N – число молекул.
  • Теплоемкость тела.
  • с – теплоемкость тела
  • U – внутренняя энергия
  • А – работа
  • q – теплота сгорания

!!! Бывает наоборот!

Линейное расширение твердых тел.

— кооф. линейного расширен.

  1. — интервал температур.
  2. Объемное расширение твердых тел.

— кооф. объемного расш. тел.

  • Свойства газов.
  • T = const – изотермический
  • P = const – изобарический
  • V = const – изохорический
  • Главный газовый закон:
  • Закон Менделеева – Клаперона
  • — концентрация молекул
  • = 8.31 Дж/моль*К
  • — кол-во в-ва.
  • ;
  • ;
  • k = 1.38*10^-23 Дж/К
  • — среднеквадратичная ск-ть

— средняя кинетич. энергия движ.

  1. мол-лы.
  2. КПД тепловой машины.

— кол-во теплоты, получ. рабочим телом от нагрев.

  • — t холод.
  • — нагреват.
  • Электричество и магнетизм.
  • [В/м] ;
  • Эквипотенциальные пов-ти.
  • ;
  • l – расстояние
  • — поверхностная плотность заряда
  • Закон Кулона
  • ; [Н]
  • Ф/м
  • эл. постоянная

Электроемкость. Конденсаторы.

  1. [Дж]
  2. W – Энергия
  3. Электроемкость плоского:
  4. Шара:
  5. Параллельное подключение конденсаторов:
  6. Последовательное подключение:
  7. Постоянный электрический ток.
  8. ;
  9. ; i – плотность тока
  10. — Электродвиж. сила
  11. [В]
  12. — работа, совершенная сторонними силами
  13. — сила эл. поля
  14. Закон Ома для участка цепи.
  15. ;
  16. G — кооф. пропрциональности проводника(его проводимость)
  17. ;
  18. — удельная проводимость.

— температурный кооф. сопр.

  • — удельное сопротивление
  • [1 град. ^ -1]
  • постоянная:
  • Последовательное и парал-ное соединение проводников.
  • Последовательное:
  • Параллельное:
  • Закон Ома для полной цепи:

Последоват. соед. батарей:

  1. ;
  2. n – кол-во батарей
  3. Параллельное соед. батарей:
  4. ;

Работа при перемещении эл. заряда в эл. поле. Потенциал.

  • ;
  • — потенциал эл. поля
  • — потенциальная энергия заряда в поле.
  • Работа и мощность эл. тока:
  • Напряжение.
  • Магнитное поле
  • ;
  • При расположении проводника с током под углом альфа к вектору В.
  • B – магнитная индукция
  • I — сила тока
  • l – длинна проводника
  • M – макс. момент сил
  • S – площадь рамки
  • Сила Лоуренца
  • ;
  • n – концентр. свободных частиц

v –скорость упор. движ.

  1. S –площадь поперечного сечения проводника
  2. Магнитная прониуаемость.
  3. ;
  4. — магнитная прониц. среды
  5. H- напряженность магнитного поля.
  6. Электромагнитная индукция
  7. [Вб]
  8. ;
  9. Ф – магнитный поток
  10. ;
  11. Самоиндукция.
  12. ; [Гн]
  13. ;
  14. ; W — энергия
  15. Магнитная рамка.
  16. b,a – стороны рамки
  17. S — площадь рамки
  18. Электроны.
  19. ;
  20. Электролиты

Оптика

  • Закон преломления
  • ; — ваакум
  • ; ; ;

— относит. показатель преломления.

  1. — скорости света во 2-й и первой средах.
  2. Линзы
  3. d –расстояние предмета от линзы
  4. f –расстояние от изображения до предмета
  5. F – фокус
  6. D –Оптическая сила линзы [диоптрии]
  7. k — увеличение линзы

Квантовая физика

  • ; ;
  • ;
  • — длинна волны излучения
  • — импульс фотона
  • — частота излучения
  • В магнитно-преломляющих средах:
  • В однородно прозрачной среде:

— относит. диэликтрич. проницаемость среды

— относит. магнитная проницаемость среды.

  1. n – постоянная
  2. Уравнение Эйнштейна.
  3. ;
  4. А – работа выхода электрона из в-ва
  5. Фотоэффект.

Для того, чтобы фотоэффект имел место, необходимо что бы энергия кванта света была больше работы выхода. Предльное значение частоты, при которой еще наблюдается фотоэффект, наз. красной границей фотоэффекта.

  • Механика сплошных сред.
  • σ2
  • σ1
  • σ3
  • Определение гидростатического давления.
  • Определение девиатора напряжения.
  • Определение величины полных напряжений, действующих на гранях элементарной точки.
  • Определение величины главных нормальных напряжений
  • Определение величины нормального полного и касательного напряжения действующего в равно наклонной площадке к осям главных нормальных напряжений
  • P = σср = -18,3
  • Определение знаков и величин главных линейных пластических деформаций, если известна абсолютная величина одной из деформаций
  • ε1 + ε2 + ε3= 0
  • Определение интенсивности деформации сдвига
  • Определение интенсивности напряжений сдвига
  • Определение значения компонент тензора пластических деформаций по известным значениям компонент девиатора напряжений (П – 1) по теории упруго – пластического течения среды
  • Определение величины касательных напряжений, действующих в площадках под углом 45º к осям главных нормальных напряжений.
  • λ1 = σ1; λ2 = σ2; λ3 = σ3
  • Определение значения коэффициента Лоде и сопротивление пластической деформации среды
  • Обработка металлов давлением.
  • Определение сужения площади ψ, отвечающее удлинению 0,95

Определение истинного сопротивления в момент образования шейки

Определение приблизительного значения истинного сопротивления при данной деформации по касательной и кривой

  1. Определение σт по приближенному уравнению кривой второго вида
  2. Определение напряжения трения по закону Кулона τmax
  3. τmax = f ·σт
  4. Определение по Головину коэффициента деформации по длине
  5. Определяем полное усилие P при определенном коэффициенте трения
  6. ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
  7. 1. Диаграмма растяжения и основные характеристики прочности и пластичности

Для определения основных характеристик прочности и пластичности материала изготовляют специальные (нормальные) образцы (рис. 6.1) диаметром do = 20 мм и длиной / = 10-do = 200 мм. Кроме нормальных применя­ют укороченные образцы длиной./ = 5-do . Эти образцы растягивают на специальных испытательных машинах. Со­временные испытательные машины снабжены диаграммным аппаратом, который в процессе испытания регистрирует ве­личину приложенной к образцу растягивающей силы и ве­личину деформации и автоматически вычерчивает диаграм­му — кривую зависимости абсолютного удлинения образца от растягивающей силы.

Эту диаграмму называют диаграммой растяжения (сжатия) образца (рис.6.2).

  • Для определения механических характеристик материа­ла необходимо исключить влияние абсолютных размеров образца. Поэтому диаграмму растяжения, перестраивают в относительных координатах
  • тия нагрузки появляется остаточная деформация равная 0,2% от первоначальной длины образца).
  • Истинное сопротивление разрыву определяют по формуле:
  • где Fp нагрузка в момент разрыва; Ар — площадь попереч­ного сечения в момент разрыва.
  • Остаточное относительное удлинение при разрыве опре­деляется по формуле:
  • где iq и — lp — соответственно длина испытываемой части образца: первоначальная и после разрыва.
  • Относительное поперечное сужение определяют по формуле:

Источник: https://studizba.com/files/show/doc/216363-2-spravochnik-studenta-inzhenera.html

Измерение потенциала проводника

Как мы уже отмечали ранее, поле внутри проводника имеет нулевую напряженность. Следовательно, он является эквипотенциальным по всему объему. Иными словами, значения потенциалов будут одинаковы во всех его точках.

Разность потенциалов двух любых точек проводника будет равна:

Определение 1

Потенциал проводника – это значение его потенциала, одинаковое для всех точек.

Рассмотрим ситуацию с изолированным заряженным проводником. Вокруг него имеется электрическое поле, создаваемое зарядом и распространяемое в веществе вокруг него. Нормировка потенциала будет равна нулю в бесконечности. Тогда его потенциал может быть выражен так:

Интегрирование может начинаться в любой точке проводника и заканчиваться в бесконечности.

Измерение с помощью электрометра

Определение 2

Электроскоп — прибор для измерения разности потенциалов между двумя проводниками.

Если его стрелка или листочки заключены в металлическую оболочку, то его называют электрометром. Для измерения нам надо соединить один проводник с его оболочкой, а второй – с шариком, после чего стрелка прибора примет потенциал измеряемого тела.

При этом образуется электрическое поле с силовыми линиями, направленными от стрелки к оболочке или наоборот. От напряженности и конфигурации этого поля будет зависеть величина отклонения стрелки.

Важно отметить, что поле внутри металлической оболочки не будет зависеть от внешнего поля, а будет определяться только разностью потенциалов между стрелкой и оболочкой.

Определение 3

Мерой разности потенциалов двух измеряемых тел является угол отклонения стрелки электрометра.

Градуировка на таком приборе может быть и в вольтах. Зачастую при измерении вторым телом выступает земля, то есть выполняется заземление оболочки электрометра. В таком случае его показания будут означать потенциал тела относительно Земли.

Измерение потенциала проводника - Справочник студента

Рисунок 1

Можно заземлять как оболочку, так и шарик, это не имеет значения. Это определит только направление, в котором будут идти силовые линии, а угол отклонения стрелки окажется одинаковым.

Очевидно, что стрелка должна иметь слабую связь с внешними полями, чтобы точность измерения электрометром была высокой. Однако слишком сильная связь искажает показания.

Чтобы создать нужный уровень защиты, в оболочке экрана или шарика, а также в наружной части стержня, соединяющего стрелку с шариком, оставляют небольшое отверстие.

Если контакт с внешними полями будет слишком интенсивным, то на этих частях прибора возникнут посторонние заряды, индуцированные внешними полями, которые будут вносить искажения при переходе на стрелку. По той же самой причине провода, соединяющие измеряемые тела, не должны быть толстыми.

С помощью электрометра мы можем убедиться в эквипотенциальности поверхности проводника. Соединив прибор с разными точками заряженного проводника, мы увидим, что отклонение стрелки останется прежним.

Измерение с помощью метода электрического зонда

Определение 4

Если нам нужно измерить разность потенциалов в жидких или газообразных диэлектриках, то применяется метод электрического зонда. Это небольшой металлический прибор, состоящий из шарика или диска, соединенного проволокой с шариком электрометра. При этом прибор должен иметь заземленную оболочку.

Зонд необходимо поместить в нужную точку диэлектрика, после чего он покажет разность потенциалов между оболочкой и стрелкой (или между зондом и Землей).

Нужно учитывать, что помещение зонда в диэлектрик сильно изменяет потенциал измеряемой точки. Это происходит из-за индукционных зарядов на шарике прибора и самом зонде.

Чтобы получить достоверные данные, нужно, чтобы при внесении зонда прибор и шарик электроскопа приняли исходный потенциал измеряемой точки.

Убрать индукционные заряды можно разными способами.

Пример 1

Например, если зонд капельный, то нам потребуется небольшой сосуд с проводящей жидкостью, на дне которого есть маленькое отверстие. Через него капли проводника унесут индукционный заряд, и все заряды с противоположным знаком перейдут на стрелку электрометра. Это должно изменить угол отклонения стрелки.

Если зонд не заряжен, то его потенциал такой же, как у окружающего его пространства. Поскольку он соединяется с шариком электрометра, то его потенциал будет равен ему. В итоге мы получим нужное значение потенциала без искажений.

Определение 5

Также индукционные заряды удаляют при помощи так называемого пламенного зонда. В таком случае в качестве зонда выступает конец металлической проволоки, соединенный с диэлектрической трубкой, используемой в качестве газовой горелки.

Высокая температура слегка ионизирует воздух вокруг и делает его проводящим. В итоге индукционные заряды уносятся ионами вместе с потоком газа. Примерно та же идея лежит в основе радиоактивного зонда.

Примеры решения задач

Пример 2

Условие: экспериментально подтверждена отрицательная заряженность Земли. Около земной поверхности имеется напряженность, среднее значение которой составляет примерно 130 В на кв.м. У человека имеется разность потенциалов между головой и ногами, равная примерно 200 В. Поясните, почему при этом не происходит поражения электрическим током.

Решение

Тело человека – очень хороший проводник, значит, оно вносит сильные искажения в электрическое поле вокруг себя. На поверхности человеческого тела заряды перераспределяются, но это продолжается весьма недолгое время, и интенсивность процесса невысока.

Положение силовых линий поля по отношению к телу является перпендикулярным, а эквипотенциальные поверхности огибают его точно так же, как металлический предмет. Все тело человека является эквипотенциальным, т.е. в разных его точках потенциалы одинаковы.

Напряженность поля зависит от разности потенциалов поля, если разность потенциалов равна нулю, значит и напряженность поля будет нулевой.

Ответ: Именно поэтому человек не чувствует разности потенциалов электрического поля Земли.

Пример 3

Условие: прикосновение к электроскопу пальцем вызывает его разрядку. Будет ли прибор разряжаться в том случае, если рядом с ним будет находиться заряженное тело, изолированное от Земли?

Решение

При поднесении заряженного тела к электроскопу мы увидим, что на стержне прибора появятся индуцированные заряды. Со стороны внешнего конца они будут иметь знак, противоположный зарядам на внутреннем конце.

Ответ: электроскоп не разрядится.

Пример 4

Условие: измерение с помощью электрического зонда показало, что потенциал электрического поля Земли меняется по мере подъема вверх примерно на 100 В/м. Подсчитайте, чему будет равен заряд Земли, если считать, что поле создается именно им. Радиус Земли считать равным 6400 км.

  • Решение
  • То, что модуль напряженности меняется, может быть связано с изменением потенциала Земли. Нам потребуется формула:
  • E=∆φ∆x.
  • Учитывая размерность, сделаем вывод, что в задаче нужно использовать именно E.
  • Зная теорему Остроградского-Гаусса, можем записать:
  • ES=qεε0.

Здесь S=4πR2, где поверхность, через которую рассмотрен поток вектора напряженности. Она совпадает со сферой радиуса Земли.

  1. Искомый заряд выражается так:
  2. q=ESεε0.
  3. Примем ε=1. Подставим это в формулу, учтем, что S=4πR2, и получим:
  4. q=∆φ∆x4πR2εε0.
  5. Переведем радиус Земли в СИ, получим: R=6,4·106 м. Вычислим заряд Земли:
  6. q=100·4·3,14·8,85·10-12·6,4·10621≈4,55·105 Кл
  7. Ответ: Земля имеет заряд, равный 4,55·105 Кл.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektricheskoe-pole/izmerenie-potentsiala-provodnika/

Разность потенциалов

Поскольку электрический ток является упорядоченным движением заряженных частиц, то для определения величины тока необходимо знать, как величину энергии частиц, так и силу стороннего воздействия на них.

Сущность понятия потенциальной разницы

Для изучения свойств заряженных частиц, помещенных в электростатическое поле, введено понятие потенциала. Оно означает отношение энергии заряда, помещенного в электростатическое поле, к его величине.

При переносе заряженной частицы в другую точку поля меняется его потенциальная энергия, а величина заряда остается неизменной. Для переноса требуется затратить некоторое количество энергии. Данная энергия по переносу единицы заряда получила название электрического напряжения. Соответственно, больший запас энергии будет ускорять перенос, то есть, чем больше напряжение, тем больше ток в цепи.

В данном случае разность потенциалов – это численное равенство напряжению между точками нахождения единичного заряда. Для общего случая здесь должна добавляться работа сторонних сил, которая называется электродвижущей силой (ЭДС). По своей сути, электричество – это работа стороннего источника (генератора) по поддержанию в электросхеме заданных уровней напряжения и тока.

Единица разности потенциалов

Что такое потенциал в электричестве

В честь ученого (Алессандро Вольта), впервые доказавшего существование разницы потенциалов, единица измерения названа Вольт. В международной системе единиц напряжение обозначается символами:

  • В – в русскоязычной литературе;
  • V – в англоязычной литературе.

Кроме этого, существуют кратные обозначения:

  • мВ – милливольт (0.001 В);
  • кВ – киловольт (1000 В);
  • МВ – мегавольт (1000 кВ).

Поток вектора магнитной индукции

  • Электростатическое поле характеризуется напряженностью, которая вместе с вектором электромагнитной индукции составляет электромагнитное поле.
  • Если заряженная частица движется в электромагнитном поле, то полную силу, которая воздействует на частицу, определяют по закону Лоренца:
  • F=q∙E+q∙vхB,
  • где:
  • q – величина заряда;
  • v – скорость движения;
  • E – величина электрического поля;
  • В – вектор магнитной индукции.

Обратите внимание! В указанной формуле приведены векторные величины. Крестом обозначено векторное произведение.

Силу F воздействия на частицу принято называть силой Лоренца.

Поток вектора магнитной индукции

Данная формула является наиболее общей и может использоваться для вычисления при условии точечного заряда (в том числе единичного).

Теорема Гаусса для магнитного поля

Электрическое поле — что это такое, понятие в физике

Теорема Гаусса является одной из самых основных в электродинамике законов. Существуют теоремы Гаусса для электрического и магнитного полей, которые входят в состав уравнений Максвелла.

При помощи данного закона устанавливается связь между напряженностью электрического поля и заряда в случае произвольной поверхности. Теорема (закон) Гаусса гласит, что в произвольной замкнутой поверхности поток вектора электрического поля пропорционален заряду, заключенному внутри поверхности.

Для магнитного поля теорема Гаусса говорит о том, что поток вектора магнитной индукции через произвольную замкнутую поверхность равен нулю.

Выражение для потенциала поля точечного заряда

  1. Поскольку потенциал равен интегралу от напряженности поля, то можно подставить под знак интеграла выражение для напряженности поля единичного заряда.

    После интегрирования и преобразования выражение для поля точечного заряда принимает вид:

  2. ϕ=q/(4∙π∙ε0∙ε∙r),
  3. где:
  • ε0 – электрическая постоянная;
  • r – расстояние.

Приведенное выражение свидетельствует, что величина энергии растет пропорционально степени заряженности и падает пропорционально расстоянию.

Проводники в электростатическом поле

Размещение проводника в электростатическом поле приводит к тому, что поле начнет действовать на носители заряда внутри проводящего предмета. Носители начинают перемещаться до тех пор, пока электростатическое поле вне поверхности ни обратится в нуль.

Поскольку поле внутри вещества отсутствует, то во всех точках проводящего материала энергия будет постоянной, а поверхность эквипотенциальной. Векторы напряженности поля направлены под прямым углом в любой точке поверхности проводника.

Проводник в электростатическом поле

Под действием поля заряды внутри проводника отсутствуют, поскольку они сосредоточены исключительно на поверхности. Этот факт используется при экранировке – защите тел от влияния внешних электромагнитных и электростатических полей. Для экранирования может использоваться не только сплошной проводящий материал, но и сетка, так называемая «клетка Фарадея».

Также свойство перемещения заряженных частиц (электронов) используется в электростатических генераторах для получения напряжения в несколько миллионов вольт.

Электроемкость уединенного проводника

Для связи величин заряда и напряжения введено понятие электрической емкости.

Для уединенного проводника (такого, на который отсутствует влияние других заряженных тел) значение емкости – величина постоянная и равная отношению количества заряда к потенциалу.

Другими словами, емкость показывает, какой заряд нужно сообщить проводнику, чтобы его потенциальная энергия увеличилась на единицу.

Электроемкость не зависит от степени заряженности. Роль играют только:

  • форма;
  • геометрические размеры;
  • диэлектрические свойства среды.

Так же, как и емкость электрического конденсатора, электроемкость проводника будет обозначаться в фарадах.

Обратите внимание! На практике электроемкость проводника составляет очень малую величину. Для увеличения значения, особенно при производстве конденсаторов, как элементов с нормированным значением емкости, разработаны особые технологии.

Падение потенциала вдоль проводника

На концах проводника, помещенного в электрическое поле, начинает наблюдаться разность потенциалов. Вследствие этого электроны начинают перемещаться в сторону увеличения разности. В проводнике возникает электрический ток.

Свободные электроны продвигаются вдоль проводника до тех пор, пока разница ни будет равна нулю. На практике для поддержания заданной величины тока цепи запитываются от источников напряжения или тока.

Разница заключается в следующем:

  • Источник тока поддерживает в цепи постоянный ток вне зависимости от сопротивления нагрузки;
  • Источник напряжения поддерживает на своих зажимах строго постоянную ЭДС, независимо от величины потребляемого тока.

Разница потенциалов (падение напряжения) пропорциональна расстоянию от концов проводника, то есть обладает линейной зависимостью.

Опыт Вольта

Первым доказал существование разности потенциалов Алессандро Вольта. Для опытов были взяты два диска, выполненных из меди и цинка и насаженных на стержень электроскопа. При соприкосновении меди и цинка листочки электроскопа расходятся, свидетельствуя о наличии электрического заряда.

На основании своих опытов ученый изготовил первый источник электрического напряжения – вольтов столб.

Измерение контактной разности потенциалов

Основная проблема заключатся в том, что контактная разность потенциалов не может быть измерена напрямую, вольтметром, хотя значение ЭДС в цепи с соединением двух различных проводников может составлять от долей до единиц вольт.

Контактная потенциальная разница существенно влияет на вольтамперную характеристику измеряемой цепи. Наглядным примером может служить полупроводниковый диод, где подобное явление возникает на границе соприкосновения полупроводников с разным типом проводимости.

Разность потенциалов на практике

С общепринятой точки зрения, разность потенциалов – это напряжение между двумя выбранными точками цепи. В то же время напряжение между каждой из этих точек и третьей точкой будет отличаться в полном соответствии с определением.

Наглядный пример:

  • Точка А в электрической схеме – напряжение 10 В относительно провода заземления;
  • В точке В напряжение составляет 25 В относительно того же провода.
  • Необходимо найти напряжение между точками А и В.
  • В данном случае искомая разность составляет:
  • UAB= ϕА-ϕВ=10-25=15 В.

Рассматриваемые понятия важны для минимального объема знаний в области электротехники и электроники, поскольку на них основываются все расчеты и практические решения. Без этих азов невозможно более углубленное изучение электрических дисциплин.

Видео

Источник: https://amperof.ru/teoriya/raznost-potencialov.html

Система уравнивания потенциалов

Современные многоквартирные дома оборудованы различными инженерными системами и многочисленными бытовыми приборами, металлические элементы которых служат проводниками электрического тока и обладают своим потенциалом.

При нормальной эксплуатации потенциал близок к нулю и не отличается от потенциала поверхности и других окружающих предметов. При аварии, например повреждении изоляции или заносе потенциала по трубам, потенциал проводящих частей может повышаться до нескольких сотен вольт.

При одновременном прикосновении человека к двум предметам с разными потенциалами, возникает опасность поражения его электрическим током. Причиной возникновения напряжения на металлических токопроводящих частях может быть не только поврежденная изоляция, но и статическое электричество, а так же блуждающие токи систем заземления.

В случае протекания через заземляющее устройство электрического тока, оно так же оказывается под напряжением и не гарантирует достаточный уровень безопасности.

Надежную защиту обеспечивает система уравнивания потенциалов (СУП), организованная по принципу электрического соединения всех доступных для прикосновения токопроводящих частей здания с нулевым защитным проводником РЕ. В данном случае, потенциально опасные металлические элементы будут иметь одинаковый потенциал, что снижает вероятность удара током, при одновременном прикосновении к ним.

Нормирование системы уравнивания потенциалов

Согласно п. 1.7.32 ПУЭ, под защитным уравниванием потенциалов понимают электрическое соединение проводящих частей для достижения равенства их потенциалов, выполняемое в целях электробезопасности.

Систему уравнивания потенциалов (СУП) используют для устранения разности напряжений всех проводящих элементов и конструкций здания, а так же относящихся к нему инженерных сетей и коммуникаций между собой и заземляющим устройством, путем их объединения в единый контур с использованием защитных проводников.

Защитные проводники могут находиться в составе линий электроснабжения здания или прокладываться отдельно.

Подключение каждого токопроводящего элемента необходимо выполнять отдельным проводом, с помощью болтовых соединений, зажимов или сварки, с обязательным соблюдением условий доступности для осмотра и проведения испытаний, а так же защиты от механических повреждений и коррозии. Соединения не должны выполняться пайкой.

В составе СУП отдельного здания различают основную и дополнительную системы уравнивания потенциалов. Правила по их выполнению определены в следующих нормативных документах:

  1. Стандарт МЭК 364-4-41; ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения;
  2. ГОСТ Р. 50571.1-93 Электроустановки зданий. Основные положения;
  3. ГОСТ Р. 50571.2-94 Электроустановки зданий. Основные характеристики;
  4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ 7-го издания).

Основная система уравнивания потенциалов

Основная система уравнивания потенциалов (ОСУП) объединяет все крупные токопроводящие части здания, в обычном состоянии не имеющие электрического потенциала, в единый контур с главной заземляющей шиной. Рассмотрим графический пример выполнения СУП в электроустановке жилого дома.

Система уравнивания потенциалов в жилом доме

Согласно приведенной схеме ОСУП состоит из следующих элементов:

  • контура заземления (заземляющего устройства);
  • лавной заземляющей шины (ГЗШ);
  • нулевых защитных проводников;
  • проводников уравнивания потенциалов.

Перечень проводящих частей в электроустановках до 1 кВ, подлежащих соединению в ОСУП, определен в п. 1.7.82 ПУЭ.

Главную заземляющую шину можно установить внутри вводно-распределительного устройства или обособленно, при соблюдении следующих условий: расположение неподалеку от защищаемого объекта, обеспечение доступа для ее обслуживания и обязательной защиты от возможного прикосновения.

Внутри вводно-распределительного устройства в качестве ГЗШ используют шину нулевого защитного проводника РЕ, что обеспечивает не только подключение защитного нуля питающей входящей линии с нулевыми проводниками распределительной сети здания, но и выполняет функцию присоединения отдельных проводящих частей и заземляющих устройств.

Отдельно расположенная шина соединяет только входящие в ОСУП токопроводящие конструкции и заземлители. Площадь сечения такой ГЗШ должна быть не менее площади сечения нулевого защитного проводника питающей входящей линии. Главную заземляющую шину изготавливают из меди, возможно применение стали.

К ней подключают контур заземления и нулевые защитные проводники (PEN или PE в зависимости от выбранной системы заземления).

Металлические части и конструкции здания, а так же относящиеся к нему коммуникации и систему вентиляции монтируют к ГЗШ по радиальной схеме, выполняя соединения каждого токопроводящего элемента отдельным проводником уравнивания потенциалов, с возможностью отключения любого из них.

Токопроводящие части коммуникаций, входящие в здание извне, необходимо присоединять к ГЗШ как можно ближе к точке их ввода. К соединительным проводникам ОСУП предъявляют повышенные требования, главным из которых является их непрерывность. Поэтому установка в цепях различных коммутационные аппаратов строго запрещена. Проводники имеют жёлто-зеленую окраску с обязательным наличием бирки с наименованием присоединяемого элемента. Закрепляют их на шине болтовыми соединениями, к проводящим конструкциям крепят так же при помощи сварки, для труб коммуникаций используют хомуты.

Сечение проводников уравнивания потенциалов должно быть не менее: 6 мм2 — для медных, 16 мм2 – для алюминиевых и 50 мм2 – для стальных. см. п. 1.7.137 ПУЭ.

Дополнительная система уравнивания потенциалов

Источник: https://zandz.com/ru/biblioteka/sistema_uravnivaniya_potencialov.html

1.2. Потенциал заряженного проводника

можно
сделать
вывод,
что
при
Е
= О

Следовательно,
весь
объем
проводника
является
эквипотенциальным:
потенциал
во
всех
точках
проводника,
включая
и
точки
его
поверхности,
постоянен.

Если
удалить
проводник
из
электрического
поля,
наведенные
заряды
исчезают,
части
проводника
снова
становятся
незаряженными.

    1. Электроемкостьпроводника

При
сообщении
уединенному
проводнику
(т.
е.
проводнику,
не
находя­щемуся
в
электрическом
поле
и
вблизи
которого
нет
других
проводников),
заряда
q
его
потенциал
изменяется
на
величину
.

Опыт
показывает,
что
между
q
и
всегда
существует
прямо
пропорциональная
зависи­мость

png» width=»14″>q
~ отношение
q
/для
данного
проводника
есть
величина
постоянная.

Эта
величина
обозначается
буквой
С
и
носит
название
электроемкости
(емкости)
проводника

Электроемкость
проводника
численно
равна
тому
заряду,
который
изме­няет
потенциал
проводника
на
единицу.
Действительно,
при
= 1,С
= q.

Электроемкость
проводника
зависит
от
его
размеров
и
формы,
но
со­вершенно
не
зависит
от
вещества
самого
проводника,
В
частности,
сплошной
и
полый
проводники
одинаковой
формы
и
одинаковых
размеров
имеют
одинаковые
электроемкости.
Однако,
если
проводник
находится
в
диэлектрике,
то
его
электроемкость
зависит
от
свойств
этой
среды.

В
системе
СИ
за
единицу
электроемкости
принимается
такая
емкость
проводника,
при
которой
изменение
заряда
на
1 Кулон
сопровождается
изменением
потенциала
на
1 Вольт,
т.е.

Фарада
очень
крупная
единица
электроемкости,
поэтому
на
практике
пользуются
микро-
и
пикофарадами.

1.4. Взаимная емкость. Конденсаторы

Если
вблизи
данного
проводника
поместить
другой
заряженный
проводник,
емкость
первого
увеличивается
по
сравнению
с
емкостью
уединенного
проводника.
Это
объясняется
тем,
что
под
действием
поля,
созданного
заряженным
проводником,
на
поднесенном
к
нему
проводнике
происходит
перераспределение
зарядов
(рис.
1.1).

Рис.1.1.
Влияние
близости
проводников
на
емкость
данного
проводника

Причем
на
ближнем
к
заряженному
проводнику
конце
располагается
заряды,
по
знаку
противоположные
заряду
проводника
q.
Они
несколько
ослабят
поле,
создаваемое
зарядом
q.
Поэтому
потенциал
заряженного
проводника
уменьшается
по
абсолютной
величине.
А
это
означает
увеличение
емкости
проводника.

Практический
интерес
представляет
система
из
двух
близко
располо­женных
проводников
с
равными
по
величине,
но
противоположными
по
знаку
зарядами.
Тогда
величина
емкости
С,
называемая
взаимной
емко­стью
двух
проводников,
равна

  • где
    q
    — заряд
    на
    одном
    из
    проводников
    системы,
    —разность
    потен­циалов
    между
    проводниками.
  • Особенно
    важным
    для
    практики
    является
    система
    двух
    проводников,
    называемая
    конденсатором.
  • Конденсатор
    два
    разноименно
    заряженных
    проводника,
    разделенных
    диэлектриком,
    расположенных
    так,
    что
    создаваемое
    ими
    электрическое
    по­ле
    практически
    полностью
    сосредоточено
    между
    этими
    проводниками.
  • Электроемкостьконденсаторапредставляет
    собой
    взаимную
    ем­кость
    его
    обкладок.

Для
вывода
формулы
емкости
введем
следующие
обозначения:
S
— площадь
пластаны;
d
— расстояние
между
пластинами
(d2
«
S,
при
та­ких
условиях
поле
между
обкладками
конденсатора
можно
считать
одно­родным);
q
— заряд
одной
из
пластин
(q
= S);
—разность
потен­циалов
между
пластинами
(рис.
1.2).

Рис. 1.2. Схема включения конденсатора

  1. Емкость
    конденсатора
    С
    равна
  2. Так как ,
    где-напряженность
    поля
    между
    обкладками
    конденсатора,
    то
  • Где-относительная
    диэлектрическая проницаемость среды
    между обкладками
    конденсатора; — электрическая
    постоянная, в системе СИ =
    8,85 10-12Ф/м
  • Емкость
    конденсатора
    зависит
    от
    формы
    и
    размеров
    его
    обкладок,
    от
    расстояния
    между
    ними
    и
    от
    диэлектрика,
    разделяющего
    обкладки.
  • Емкость
    цилиндрического
    конденсатора

где
R1
и
R2
— радиусы
внутреннего
и
внешнего
цилиндров;

длина
ци­линдров.

Емкость
сферического
конденсатора

где
R1
и R2
— радиусы сфер, образующих конденсатор.

Сопоставляя
формулы
(1.7), (1.8) и
(1.9), видно,
что
электроемкость
любого
конденсатора
прямо
пропорциональна
диэлектрической
про­ницаемости
среды
и
определяется
формой
и
геометрическими
размерами
обкладок.

Каждый
конденсатор,
кроме
электроемкости,
характеризуется
еще
и
пробивным
напряжением,
т.е.
разностью
потенциалов
между
обкладками,
при
которой
происходит
электрический
разряд
через
слой
диэлектрика
в
конденсаторе
(пробой
диэлектрика).

Для
предотвращения
этого
явления
расстояние
d
между
обкладками
конденсатора
не
следует
делать
меньше
dmin
определяемого
равенством

где
Епроб

максимальное
допустимое
значение
напряженности
поля
для
данного
диэлектрика.

При
Е
> Епроб
ток
в
диэлектрике
достигает
очень
больших
значений
и
приводит
к
разрушению
диэлектрика.
При
постоянном
расстоянии
между
обкладками
к
конденсатору
нельзя
прикладывать
разность
потенциалов,
большую
некоторого
значения

называемого
пробивным напряжением данного
конденсатора. Пробивное напряжение
зависим от толщины диэлектрика, его
свойств и формы об­кладок
конденсатора.

Источник: https://studfile.net/preview/3015380/page:2/

Ссылка на основную публикацию