4.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Нетрудно увидеть сходство во взаимодействии зарядов и магнитов (ср. гл. 2). Электрические заряды взаимодействуют на расстоянии — значит, электрические свойства заключены не только в заряженных телах, но и в окружающем их пространстве. Из этого мы делаем заключение, что в пространстве, окружающем заряды, существует электрическое поле.

Электрическое поле, как и поле магнитное, — это один из видов материи, одна из форм ее проявления. Между электрическим и магнитным полями много общего — это как бы разные стороны одного и того же электромагнитного поля.

В электрическом поле заключена энергия, за счет которой и производится работа, связанная с перемещением электрических зарядов.

Напряженность электрического поля. В одной и той же 1 точке электрического поля разные заряды будут испытывать разные силы. Если вдвое увеличить заряд, то вдвое увеличится и сила, испытываемая зарядом: на заряд действует сила поместив в ту же область поля заряд (Два заряда ), мы получим силу (сила ).

Сила, действующая на положительный заряд прямо противоположна силе, действующей на такой же отрицательный заряд .

Но один и тот же заряд в разных точках электрического поля может испытывать разные силы. Силы могут отличаться как по направлению, так и по величине. Это значит, что электрическое поле может быть сильнее или слабее и электрическое поле может иметь различные направления. Сила электрического поля определяется его напряженностью.

Направление напряженности поля совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, помещенный в поле.

Количественное значение напряженности ноля определяется отношением силы f к заряду

Единицы заряда и электрического поля. Силу f будем измерять в ньютонах. Заряд q будем выражать в кулонах. Заряд в один кулон проходит за одну секунду через поперечное сечение проводника при постоянном токе в один ампер.

В таком случае напряженность поля окажется выраженной в вольтах на метр. Напряженность поля можно, конечно, выражать и в вольтах на сантиметр, в киловольтах на метр и т. п.

Заряд в один кулон — это очень большая величина.

Чтобы получить заряд в 1 Кл, нужно взять приблизительно 6 миллиардов миллиардов электронов

Такое количество электронов легко привести в движение внутри проводника, содержащего огромное количество атомов (например, в каждом грамме меди содержится атомов!). Но получить такой заряд, собрав отдельно положительные ионы или электроны, практически невозможно.

На рис. 4.6 показана часть лабораторной установки высокого напряжения; числовые данные, приведенные в подписи под рисунком, характеризуют некоторые количественные соотношения между зарядом, напряжением и напряженностью поля.

Электрическая прочность. Наибольшая напряженность поля, допускаемая в электротехнических установках, определяется электрической прочностью изоляции.

Рис. 4.6. Шар, имеющий металлическую поверхность, поставлен на изолирующий столб, и ему сообщено напряжение 500 кВ (тыс. вольт) по отношению к поверхности земли. Диаметр шара 400 мм. Напряженность поля на поверхности шара 25 кВ/см. Заряд шара Кл или электронов, т. е. 69 млрд. электронов (приблизительно одна стомиллионная доля кулона). Заряд распределен на поверхности шара. Если увеличить напряжение до 600 кВ, произойдет электрический разряд: напряженность поля достигнет 3000 кВ/м и воздух потеряет свойства изолятора

Как только напряженность поля достигнет определенной величины, произойдет пробой изоляции - материал, из которого выполнена изоляция, начнёт проводить ток, протекание большого тока при этом приведет к полному нарушению изолирующих свойств; через воздух начнут проскакивать искры и может возникнуть электрическая дуга, фарфор оплавится и растрескается, бумага и резина обуглятся и могут, конечно, воспламениться. Электрический пробой воздуха происходит при напряженности поля 30 кВ/см.

На рис. 4.7 показана картина электрического пробоя; электрический разряд произошел на поверхности изоляторов и перешел в дугу, горячую в воздухе.

Рис. 4.7. Электрический разряд на поверхности изолятора

В технике высоких напряжений применяют ряд специальных изолирующих материалов, обладающих большой электрической прочностью. Большой прочностью обладают слюда, фарфор, минеральное маслб и др.

Атмосферное электричество. Даже в обычных условиях в воздухе над поверхностью Земли существует небольшое электрическое поле, резко увеличивающееся во время грозы. Грозовые разряды — молнии — вызваны электрическим полем грозовых туч. В них происходит под действием потоков воздуха (ветра) разделение положительно и отрицательно заряженных капелек воды и скопление зарядов разного знака в разных областях тучи.

Электрическое поле в проводящей среде. Электрическое поле может существовать не только в изолирующей, но и в проводящей среде. Но, как уже говорилось, в проводниках заряды могут перемещаться под действием приложенных к ним сил. Значит, существование поля в проводниках обязательно связано с движением зарядов или, другими словами, с протеканием электрического тока.

Плотность тока в одной и той же проводящей среде тем больше, чем больше напряженность поля. При одной и той же напряженности поля в разных средах установятся и разные плотности тока — тем большие, чем больше проводимость среды.

Очень важно заметить следующее. Под действием электрического поля электроны в вакууме движутся с ускорением. Вспомните, что сила пропорциональна именно ускорению; так, под действием постоянной силы тяжести все свободно падающие тела движутся все быстрее и быстрее.

Напротив, в проводящей среде при постоянной напряженности поля электроны (или другие заряженные частицы) движутся с постоянной скоростью (и сравнительно небольшой). Это похоже на движение под действием механической силы при наличии встречных сил трения. Так, при падении с раскрытым парашютом скорость, достигнув определенной величины, больше не увеличивается — в этом случае сила сопротивления воздуха уравновешивает силу тяжести. Точно так же камень, опускаясь на дно в глубокой воде, движется примерно с постоянной скоростью. С постоянной скоростью будет идти и груженый поезд несмотря на постоянную и большую силу тяги паровоза: это объясняется тоже тем, что сила тяги уравновешивается силой трения в колесах движущегося железнодорожного состава.

Работа силы во всех рассмотренных примерах переходит в тепло, выделяющееся в трущихся телах. То же самое происходит и в обычных проводниках. Движение зарядов тормозится из-за взаимодействия с другими частицами вещества.

В проводящих телах работа сил поля идет не на ускорение движения заряженных частиц, а на преодоление сил трения. Эта работа и превращается в тепло в соответствии с законом Джоуля — Ленца.

Заметим в заключение, что при движении зарядов в вакууме работа, затраченная полем, превращается в энергию движения зарядов. Эта энергия отдается электродам при ударе о них. Под действием этих ударов электроды нагреваются. При ударе о металл очень быстро летящих электронов испускаются лучи, похожие на свет, но не видимые глазом и отличающиеся способностью просвечивать многие тела, не прозрачные для обычного света. Эти лучи получили название рентгеновских — по имени открывшего их ученого.

Пример 1. Определить, чему равна напряженность поля между двумя равноименно заряженными пластинами, если маленький заряд

Рис. 4.8. вычисление напряженности поля по силе, испытываемой зарядом

испытывает силу

Решение. Зная силу и заряд, находим напряженность поля Е по формуле

Пример 2. Какую силу испытывает электрон, находящийся в поле тех же пластин?

Мы уже знаем, что напряженность поля составляет . Мы знаем также, что один электрон имеет заряд

Значит, сила, испытываемая электроном,

Эта сила, конечно, чрезвычайно мала, но электрон обладает и чрезвычайно малой массой. Масса электрона , или . Поэтому ускорение, испытываемое электроном под действием вычисленной силы, в свою очередь чрезвычайно велико:

Подставляя в эту формулу значение силы и массы, получим

Значение ускорения действительно огромно. Это значит, что электрон, даже очень быстро пролетающий между пластинами, сильно отклонится под действием электрического поля.