Разность потенциалов

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

При этом тело, заряженное положительно, обладает положительным потенциалом, а тело, заряженное отрицательно, – отрицательным потенциалом.

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

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

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

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

Разность потенциалов может возникнуть не только между двумя заряженными телами, но и между различными частями (точками) одного и того же тела.

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

Стоит нам прекратить действие внешней силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к противоположному концу проволоки, заряженному положительно Возникает электрический ток, который будет присутствовать до наступления электрического равновесия.

Электродвижущая сила и напряжение

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

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

Электродвижущая сила (сокращенно эдс) обозначается буквой Е. Единицей измерения эдс служит вольт. У нас в стране вольт сокращенно обозначается буквой «В», а в международном обозначении – буквой «V».

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

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

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

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

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

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

Эти зажимы называются полюсами источника тока. Один полюс источника тока испытывает всегда недостаток электронов и, следовательно, обладает положительным зарядом, другой полюс испытывает избыток электронов и, следовательно, обладает отрицательным зарядом. Соответственно этому один полюс источника тока называется положительным (+), другой принято называть отрицательным (-).

Источники тока служат для питания электрическим током различных приборов – потребителей тока. Потребители тока при помощи проводников соединяются с полюсами источника тока, образуя замкнутую электрическую цепь. Разность потенциалов, которая устанавливается между полюсами источника тока при замкнутой электрической цепи, называется напряжением. Таким образом, если в цепи нет напряжения, нет и тока.

Напряжение обозначается буквой U, а его единицей измерения, так же как и эдс, служит вольт. Для того чтобы измерить напряжение, применяют электроизмерительный прибор, называемый вольтметром. Своим внешним видом он напоминает ранее упоминавшийся амперметр, с той лишь разницей, что на шкале вольтметра стоит буква V (вместо А на амперметре). Вольтметр имеет две клеммы, с помощью которых он параллельно включается в электрическую цепь.

Количество электричества и сила тока

Действия электрического тока могут быть сильными или слабыми. Сила действия электрического тока зависит от величины заряда, который протекает по цепи за определенную единицу времени. Чем больше электронов переместилось от одного полюса источника к другому, тем больше общий заряд, перенесенный электронами. Такой общий заряд называется количеством электричества, проходящего сквозь проводник.

Силой тока называется величина, которая равна отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к времени его протекания. Единицей измерения заряда является кулон (Кл), время измеряется в секундах (с). В этом случае единица силы тока выражается в Кл/с. Такую единицу называют ампером (А). Для того чтобы измерить силу тока в цепи, применяют электроизмерительный прибор, называемый амперметром. Для включения в цепь амперметр снабжен двумя клеммами. В цепь его включают последовательно.

Электрическое сопротивление

После подключения в электрическую цепь всевозможных проводников и амперметра можно заметить, что при использовании разных проводников амперметр выдает разные показания, т. е. в этом случае сила тока, имеющаяся в электрической цепи, разная. Это явление можно объяснить тем, что разные проводники имеют разное электрическое сопротивление, которое представляет собой физическую величину.

Немецкий физик Георг Ом (1787–1854) экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорционально напряжению U на концах проводника:

I = U/R,

где R – электрическое сопротивление проводника.

Это уравнение выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника тока): сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Участок цепи, в котором не действуют эдс (сторонние силы), называют однородным участком цепи, поэтому эта формулировка закона Ома справедлива для однородного участка цепи

Единицу измерения электрического сопротивления назвали Омом. Как правило, в физике применяются более крупные единицы: килоом, мегаом и пр. Сопротивление проводника зависит от его длины – L, площади поперечного сечения – 5 и материала проводника. В этом случае можно сопротивление записать в виде формулы

R = р × L/S,

где коэффициент р называется удельным сопротивлением матерала проводника. Данный коэффициент выражает сопротивление проводника длиною в 1 м при площади поперечного сечения, равной 1 м². Удельное сопротивление выражается в Ом × м. Поскольку провода, как правило, имеют довольно малое сечение, то обычно их площади выражают в квадратных миллиметрах. В этом случае единицей удельного сопротивления станет Ом × мм²/м.

Удельные сопротивления некоторых материалов

Из этой таблицы следует, что среди проводников самое малое удельное электрическое сопротивление имеет медь, самое большое – сплавы металлов. Материалы, обладающие таким большим удельным сопротивлением, которое препятствует протеканию тока, называются диэлектриками или изоляторами.

Электрическая емкость

Мы уже знаем, что два изолированных друг от друга проводника могут накапливать электрические заряды. Это явление характеризуется физической величиной, которую назвали электрической емкостью. Электрическая емкость двух проводников – не что иное, как отношение заряда одного из них к разности потенциалов между этим проводником и соседним. Чем меньше будет напряжение при получении заряда проводниками, тем больше их емкость. За единицу электрической емкости принимают фарад (Ф). На практике используются доли данной единицы: микрофарад (мкФ) и пикофарад (пФ).

Если взять два изолированных друг от друга проводника, разместить их на небольшом расстоянии один от другого, то получится конденсатор. Емкость конденсатора зависит от толщины его пластин и толщины диэлектрика и его проницаемости. Уменьшая толщину диэлектрика между пластинами конденсатора, можно намного увеличить емкость последнего. На всех конденсаторах, помимо их емкости, обязательно указывается напряжение, на которое рассчитаны эти устройства.

Электромагнитная индукция

В первой половине XIX в. английский физик М. Фарадей открыл явление магнитной индукции. Он установил, что если поместить в магнитное поле проводник и перемещать его так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в проводнике возникнет электродвижущая сила, называемая эдс индукции.

Эдс индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая проводник своими силовыми линиями.

Если проводник, в котором наводится эдс индукции, замкнуть на какую-либо внешнюю цепь, то под действием этой эдс по цепи потечет ток, называемый индукционным током.

Явление индуктирования эдс в проводнике при пересечении его силовыми линиями магнитного поля называется электромагнитной индукцией.

Электромагнитная индукция – это обратный процесс, т. е. превращение механической энергии в электрическую.

Явление электромагнитной индукции нашло широчайшее применение в электротехнике. На его использовании основано устройство различных электрических машин.

Электромагнитная индукция появляется также в незамкнутых проводниках. В том случае когда проводник пересекает магнитные силовые линии, на его концах возникает напряжение. Причиной появления такого напряжения становится эдс индукции. Если магнитный поток, проходящий сквозь замкнутый контур, не меняется, индукционный ток не появляется.

Величина и направление индуктированной в проводнике эдс зависят от нескольких факторов:

• количества силовых линий поля, пересекающих проводник в единицу времени;

• скорости движения проводника в магнитном поле;

• длины той части проводника, которая пересекается силовыми линиями поля;

• силы самого магнитного поля.

Следует помнить, что в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, эдс индукции возникает только в том случае, если этот проводник пересекается магнитными силовыми линиями поля. Если же проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. не пересекает, а как бы скользит по ним, то никакой эдс в нем не индуктируется.

Индукционный ток, так же как и любой другой, имеет энергию. Значит, в случае возникновения индукционного тока появляется электрическая энергия. Согласно закону сохранения и превращения энергии, вышеназванная энергия может возникнуть только за счет количества энергии какого-либо другого вида энергии.

Помимо индукции, в проводнике, по которому течет ток, возникает явление так называемой самоиндукции. Дело в том, что проводник с текущим по нему током обладает собственным магнитным полем, которое меняется при изменении силы тока. А если изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, то в ней возникает электродвижущая сила, которая называется эдс самоиндукции.