Напряжение электрического поля
В горящей лампе карманного фонарика и в лампе настольного светильника сила тока примерно одной величины, но настольный светильник дает значительно более сильный свет, чем карманный фонарик. Почему? Чтобы ответить на этот вопрос, надо ознакомиться с понятием напряжения.
Если проводник соединить с источником тока, то в проводнике возникнет электрическое поле, и свободные носители заряда под действием электрической силы начнут двигаться направленно. При перемещении заряженных частиц электрическое поле совершает работу. Способность электрического поля совершать работу по перемещению заряженных частиц в электрическом поле характеризуется напряжением электрического поля или, если коротко, просто напряжением.
1. Что характеризуется понятием напряжения электрического поля?
Допустим, что проводник соединен с полюсами источника тока. В проводнике электрическое поле, и под действием электрических сил некоторое число заряженных частиц с суммарным зарядом q перемещается из точки В в точку D. Обозначим работу, которую электрическое поле должно совершить при перемещении заряженных частиц в проводнике, буквой А.
Если бы заряженных частиц было в два раза больше, их суммарный заряд был бы тоже в два раза больше, т. е. 2 q. При перемещении частиц из точки В в точку D электрическое поле должно было бы совершить в два раза бóльшую работу, т. е. 2 А, так как электрическое поле действовало бы на эти частицы с в два раза большей силой. Вспомним, что работа равна произведению действующей на тело силы и пути, пройденного телом: A = Fs.
Если бы заряженных частиц было в десять раз больше, то их суммарный заряд равнялся бы 10 q, а работа электрического поля по их перемещению из точки В в точку D была бы 10 А.
Чем больше суммарный заряд перемещаемых заряженных частиц, тем больше работа, совершаемая электрическим полем при их перемещении. Отношение же величины работы к величине заряда во всех рассмотренных случаях одинаково и не зависит ни от величины заряда, ни от величины работы по его перемещению:
2. Как работа электрического поля по перемещению заряженных частиц в проводнике зависит от величины суммарного заряда частиц?
Это отношение характеризует электрическое поле и называется напряжением электрического поля. Напряжением электрического поля называется отношение работы, проделанной электрическим полем по перемещению заряженных частиц, к величине суммарного заряда частиц:
Напряжение – физическая величина, обозначается буквой U. Зависимость между напряжением электрического поля, работой электрического поля и величиной перемещаемого в проводнике заряда можно выразить так:
3. Что называется напряжением?
Напряжение электрического поля между двумя точками проводника численно равно работе электрического поля по перемещению единичного заряда из одной точки проводника в другую.
Напряжение между двумя точками проводника зависит от расстояния между ними.
Предположим, что точка Е находится от точки В дальше, чем точка D. Чтобы переместить заряженные частицы из точки В в точку Е, электрическое поле должно совершить бóльшую работу, чем при перемещении частиц из точки В в точку D. Следовательно, UBE > UBD.
Дальше всего друг от друга расположены точки, находящиеся на концах проводника. Таким образом, наибольшее значение напряжение имеет на концах проводника, соединенного с источником тока, т. е. между полюсами источника тока. Напряжение на полюсах источника тока имеется и тогда, когда источник тока не соединен с проводником. Если подсоединять один и тот же проводник то к одному, то к другому источнику тока, то напряжение на концах проводника может быть разным.
Единицу напряжения получим, если в формуле напряжения заменим физические величины единицами их измерения:
4. Чему равно напряжение между двумя точками проводника?
Единица напряжения равна частному от деления единицы работы на единицу заряда. Единицей напряжения служит 1 вольт, обозначение единицы 1 В (международное обозначение V). Названа единица в честь итальянского физика Алессандро Вольта.
Напряжение между двумя точками проводника равно 1 вольту, если при перемещении заряда величиной 1 кулон из одной точки в другую электрическое поле совершает работу величиной 1 джоуль:
Электрический ток часто сравнивают с потоком воды. Текущая вода может совершать работу, вращать лопасти турбины на гидроэлектростанции или жернова на водяной мельнице. На реке, где строится гидроэлектростанция, плотина обычно возводится так, чтобы уровень воды в ней был как можно выше. Падающая с высокой плотины вода может совершить намного больше работы, чем вода в реке, текущей по равнине.
Напряжение можно сравнить с разностью уровней воды в реке до плотины и после нее. Чем выше плотина, тем больше разность уровней воды, и тем бóльшую работу может совершить падающая вода. Чем больше напряжение на концах проводника, тем бóльшую работу может совершить электрическое поле по перемещению в проводнике частиц с одинаковым суммарным зарядом.
Так как напряжение можно сравнить с высотой водопада или плотины, часто вместо выражения большое напряжение употребляется выражение высокое напряжение, а вместо выражения маленькое напряжение употребляется выражение низкое напряжение.
5. Что является единицей напряжения и чему она равна?
Электрическое поле, напряжение которого большое, может создать очень сильный ток. Напряжение электрического поля между линией высокого напряжения и землей может превышать 100 000 В. Если человек одновременно коснется линии высокого напряжения и поверхности земли или заземленного проводника, то через его тело может пройти ток силой более 100 А. При токе такой силы через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит заряд величиной 100 Кл, и работа электрического поля по перемещению такого большого заряда составляет 10 000 000 Дж. Работу такой же величины совершает сила тяжести, если тело массой 1000 кг (легковой автомобиль среднего размера) упадет на землю с высоты 1000 м. Падение такого тела приведет к огромным разрушениям. Похожие последствия может вызвать и электрический ток, возникающий между линией высокого напряжения и заземленным проводником.
Электрический ток опасной для человека силы может возникнуть и при гораздо меньшем напряжении. Напряжение электросети 230 В тоже опасно для человека.
Значения напряжения:
Напряжение в приемной антенне телевизора | 10 мкВ |
Напряжение в сердечных мышцах (электрокардиограмма) | 1 мВ |
Напряжение в нервных клетках | 50–60 мВ |
Напряжение на полюсах сухого элемента | 1,5 В |
Напряжение на полюсах автомобильного аккумулятора | 12 В |
Напряжение в электрической сети | 230 В |
Напряжение электрического угря | 600–900 В |
Напряжение между концами электрической искры длиной 1 см в воздухе | 30 000 В |
Напряжение в высоковольтных линиях электропередачи | 30 000–1 500 000 В |
Напряжение между грозовыми облаками | 1 000 000 000 В |
Преобразуй в милливольты:
0,005 В = мВ | 2500 мкВ = мВ |
Преобразуй в киловольты:
3 000 000 В = кВ |
мВ | В | кВ |
12 | ||
115 | ||
350 | ||
0,8 | ||
0,5 |
Полезно знать!
Молния
Молния – это кратковременный электрический ток, который возникает в грозовых облаках, между облаками или между облаком и землей. Обычно вспышка молнии длится менее 0,2 секунды. За это время искра успевает проскочить между облаком и землей вверх-вниз несколько десятков раз. Канал молнии имеет длину примерно два-три километра и часто бывает разветвленным.
Молния возникает в кучево-дождевых облаках, образуемых потоками поднимающегося теплого влажного воздуха, нижняя часть которых находится в нескольких метрах от земной поверхности, а верхняя часть на высоте 8–15 километров. Поскольку в нижней части тучи температура выше нуля, вода там содержится в виде капелек. В верхней части тучи температура может быть до 50–60 градусов ниже нуля, и вода там представляет собой кристаллы льда.
Под действием восходящих и нисходящих потоков воздуха облако электризуется. При трении о воздух капельки воды в нижней части облака приобретают отрицательный электрический заряд, а поднимающиеся в верхнюю часть облака кристаллы льда – положительный заряд. Между разноименными электрическими зарядами частей облака возникает электрическое поле, напряжение которого увеличивается с ростом облака. В какой-то момент напряжение между разными частями облака достигает такого значения, что образуется искровой разряд, т. е. молния. Первая молния обычно ударяет между верхней и нижней частями облака. Поскольку отрицательно заряженная нижняя часть грозового облака вызвала большой положительный заряд на поверхности земли, после первой молнии внутри облака молнии начинают сверкать между нижней частью облака и поверхностью земли. Обычно молнии внутри облака составляют 75–80% искровых разрядов, а между облаком и поверхностью земли – 20–25%.
В момент возникновения молнии напряжение между ее концами достигает от сотен миллионов до миллиарда вольт. Сила тока в канале молнии может составлять 10–200 кА. Температура может доходить до 30 000 °С, что в пять раз выше, чем температура поверхности Солнца.
На земном шаре гроза происходит одновременно примерно в 1500–1800 точках. Каждую секунду в разных местах сверкает около 100 молний. Грозы чаще бывают в зонах, близких к экватору, реже вблизи полюсов. Причиной этого является более высокая температура в зоне экватора. Например, на острове Ява в течение года бывает более 300 грозовых дней, а в Эстонии в среднем 10–20.
Электрические рыбы
У многих рыб есть особые электрические органы, в которых химическая энергия превращается в электрическую. Такие рыбы ориентируются и общаются между собой при помощи слабых периодических электрических импульсов. Электрический скат, электрический сом и электрический угорь могут даже создавать электрические импульсы, которыми они отпугивают своих врагов, а также оглушают или убивают свою жертву. Электрические органы электрического сома, живущего в пресных водоемах Африки, вырабатывают напряжение до 400 В, а электрический угорь, который водится в пресных водоемах Южной Америки, способен посредством электрического органа, расположенного у него в хвосте, создавать напряжение между головой и хвостом свыше 600 В, что может вызвать электрический удар силой тока до 1 А. Такой электрический удар может оказаться смертельным и для человека.
Пример задачи
Напряжение на концах нити накаливания лампы карманного фонарика 3,5 В. Какую работу совершает электрическое поле при перемещении электрического заряда величиной 0,26 Кл по нити накаливания лампы?
Дано | Решение |
U = 3,5 В q = 0,26 Кл A = ? | Работу электрического поля выразим из формулы . A = U q. A = 3,5 В · 0,26 Кл = 0,91 Дж. |
Ответ. Работа электрического поля по перемещению по нити накаливания лампы заряда величиной 0,26 Кл равна 0,91 Дж. | |
Проблемы
- Тепловое действие тока зависит от силы тока в проводнике. Чем сильнее ток, тем больше нагревается проводник. Чем объяснить, что включенная в электрическую цепь настольная лампа освещает комнату намного лучше, чем соединенная с батареей лампа карманного фонарика, хотя сила тока в обеих лампах примерно одинаковая (0,26 А)? Подсказка: вспомни, при каком напряжении работают эти лампы.
- В прихожей имеются потолочный светильник, электрический звонок с лампой и штепсельная розетка. От источника тока в прихожую подведены провода под напряжением. Выбери нужное число выключателей и нарисуй электрическую схему, согласно которой штепсельная розетка была бы постоянно под напряжением, потолочный светильник можно было бы включать и выключать, а электрический звонок работал бы вместе со своей лампой.
- Лампа карманного фонарика, соединенная с плоской батареей, горит ярко. Почему две лампы карманного фонарика, последовательно соединенные с плоской батареей, светят тускло?
