Электричество - наиболее используемый человеком вид энергии. Без преувеличения можно сказать, что определение электрического тока как упорядоченного движения электронов хорошо известно еще из школьного учебника физики. Но вот тока и каким образом обеспечивается это «упорядоченное движение», ответит далеко не каждый. Вспомним, что электрон, элементарный сам по себе по проводнику не движется. С другой стороны, только движение зарядов по цепи сопровождается выполнением полезной работы в виде превращения энергии из одного вида в другой. Именно благодаря этим превращениям электрический ток в одних случаях накаляет нить лампочки, а в других - вращает ротор электродвигателя. В первом случае имеем превращение в тепловую, а во втором - в магнитную. Энергия движущихся зарядов расходуется за счет источника, который поддерживает электрический ток в цепи. Протекая по проводнику, ток переносит энергию источника ЭДС до потребителя - нити накала, обмоток электродвигателя и т.д.

Если определить ток как количество зарядов, протекающих по проводнику, то можно сказать, что работа тока зависит от количества этих зарядов в единицу времени. А от чего зависит электрический ток в цепи? Рассмотрим модель протекания тока на примере водяной струи, вытекающей из отверстия в нижней части цилиндра, заполненного доверху. Представим, что в нашей модели цилиндр - это проводник, а вода - это большое число капелек-электронов. Тогда совершенно ясно, что вытекающее за единицу времени количество воды зависит от двух параметров - давления столба воды, которое в электрических цепях именуется как напряжение тока, и диаметра отверстия - аналога Высота водяного столба в данной модели определяет верхний потенциал источника энергии, капельки-заряды похожи на поток электронов, которые перемещаются от верхнего слоя к нижнему. водяной массы, т.е. способность выполнить некоторую полезную работу, на верхнем и нижнем уровнях разная. Благодаря наличию разницы потенциалов вода может вытекать из отверстия и с преобразованием потенциальной энергии столба воды в кинетическую энергию струи воды. Если высоту водяного столба увеличивать, то разность потенциалов, или напряжение тока, увеличивается, и сила тока, точнее, масса вытекающей в единицу времени воды, также растет. Таким образом, предложенная модель показывает прямо пропорциональную зависимость силы тока от напряжения.

В теории электричества этот вывод записывается следующим образом: I = f(U)* K, где I - ток, U - напряжение, а K - индивидуальная характеристика реакции электрической цепи на проходящий ток - проводимость. В технике обычно применяют величину, обратную проводимости R = 1/K , и называется она «сопротивление». Сопротивление обычно трактуется как полезная нагрузка цепи. В нашей модели таким «сопротивлением» выступает площадь отверстия для слива воды: чем она больше, тем больше ее проходимость, или, говоря языком электротехники, проводимость, а значит, сопротивление потоку воды уменьшается.

На модели наглядно видно, как потенциальная энергия потока капелек-зарядов преобразуется в кинетическую энергию вытекающей струи. Чем меньше сопротивление (или больше проводимость), тем большая механическая работа выполняется над массой воды. Иначе говоря, полезные нагрузки разных видов - это преобразователи тока, например, нить накаливания преобразует электрическую энергию в тепловую и световую, катушка реле преобразует электрическую энергию в магнитную и т.д.

Возвращаясь к электрическим цепям, можно сделать вывод, что сила тока I и напряжение тока U являются электрическими параметрами, определяющими работу тока А (А= U*I).

При этом сила тока определяется количеством перенесенного заряда, а напряжение и есть та причина, которая заставляет электроны «упорядоченно» перемещаться от большего потенциала к меньшему. Если напряжение тока отсутствует, то никакое количество свободных электронов в веществе не приведет к движению зарядов. Это значит, что отсутствие напряжения тока не приводит к передаче энергии.

Хорошей демонстрацией полученных выводов являются гидроэлектростанции: их строят с использованием большого перепада уровней (потенциалов) воды. Здесь масса падающей воды подобна току, а разница уровней верхнего и нижнего бьефов играет роль перепада потенциалов.

То есть электрическое поле должно было «протащить» электроны через нагрузку, и энергия, которая при этом израсходовалась, характеризуется величиной, называемой электрическим напряжением. Эта же энергия потратилась на какое-то изменение состояния вещества нагрузки. Энергия, как мы знаем, не пропадает в никуда и не появляется из ниоткуда. Об этом гласит Закон сохранения энергии . То есть, если ток потратил энергию на прохождение через нагрузку, эту энергию приобрела нагрузка и, например, нагрелась.

То есть, приходим к определению: напряжение электрического тока – это величина, показывающая, какую работу совершило поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение в разных участках цепи будет различным. Напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо большим, и зависеть величина напряжения будет от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула:

где U - напряжение, A – работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Напряжение на полюсах источника тока

Что касается напряжения на участке цепи – все понятно. А что же тогда означает напряжение на полюсах источника тока ? В данном случае это напряжение означает потенциальную величину энергии, которую может источник придать току. Это как давление воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.

2) Диэлектрики в электрическом поле

В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются

связанными: электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются

вблизи узлов кристаллической решётки.

Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направлен-ного движения зарядов

Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств

проводников - ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока. И дей-ствительно, ни одно из четырёх свойств проводников, сформулированных в предыдущей статье,

не распростаняется на диэлектрики.

2. Объёмная плотность заряда в диэлектрике может быть отличной от нуля.

3. Линии напряжённости могут быть не перпендикулярны поверхности диэлектрика.

4. Различные точки диэлектрика могут иметь разный потенциал. Стало быть, говорить о

«потенциале диэлектрика» не приходится.

Поляризация диэлектриков - явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации . Физический смысл вектора электрической поляризации - это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация - состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле c напряжённостью , направленное против внешнего поля с напряжённостью . В результате напряжённость поля внутри диэлектрика будет выражаться равенством:

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

Электронная - смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10 −15 с). Не связана с потерями.

Ионная - смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10 −13 с, без потерь.

Дипольная (Ориентационная) - протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.

Электронно-релаксационная - ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.

Ионно-релаксационная - смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.

Структурная - ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.

Самопроизвольная (спонтанная) - благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10 −2)

Резонансная - ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты.

Одна из наиболее часто употребляемых характеристик в электротехнике - это электрическое напряжение , или просто говорят - напряжение . Очень часто даже у опытных в электротехнике специалистов вызывает затруднение объяснить, что есть это самое напряжение. Такое явление вполне объяснимо тем, что для практических нужд обслуживания электрооборудования не требуется глубокого понимания сути напряжения, достаточно знаний напряжения в пределах понимания .

Тогда возникает вопрос. В каком случае и при каких обстоятельствах необходимо глубокое понимание того, в чем суть электрического напряжения? В первую очередь это необходимо для понимания природы (физики) электричества, а также для разработки новых электротехнических устройств и создания новых электротехнических материалов. С другой стороны, углубленное понимание напряжения способствует самопознанию.

Мысленный эксперимент с плоским конденсатором

Для того, чтобы перейти к объяснению сути электрического напряжения требуется понимать, что такое , и .

Кроме силовых линий в описании поля присутствуют еще и эквипотенциальные линии, а значит есть еще одна характеристика такая как . Представьте картину равномерно распределенных силовых линий электрического поля, которые пересекают эквипотенциальные линии, причем каждая такая линия будет иметь свое значение потенциала поля. Для такого представления удобно использовать картину электрического поля плоского конденсатора, который имеет две обкладки и полностью заряжен до некоторого максимального значения. На таком конденсаторе будет индуцирован электрический заряд, а пространство между обкладками пусть будет наполнено газообразным диэлектриком, например, воздухом. Каждая обкладка конденсатора имеет некоторое количество заряда Q . Так как обкладки конденсатора выполнены из металла в котором носителем зарядов являются отрицательного типа заряды - электроны, то на одной обкладке будет избыток электронов, а на другой недостаток. Таким образом можно обозначить одну обкладку как +Q , а другую как -Q , и силовые линии электрического поля будут направлены согласно правилам от +Q к -Q . В итоге мы получим картину приведенную на рисунке ниже.

Давайте примем, что размер такого конденсатора больше человеческого роста в несколько раз, пусть обкладки будут представлять собой стены двух больших высоких зданий, которые обклеили металлическими листами сваренными вместе в единый лист. Вы можете свободно перемещаться внутри такого конденсатора от одной обкладки к другой в любом направлении. Мысленно можно представить, что там где изображены силовые линии, кто-то закрепил балки из сухого дерева, а на местах эквипотенциальных линий установлены лестницы из того же материала. В итоге вы сможете свободно перемещаться в таком пространстве внутри конденсатора. Если у вас хватит силы воображения, вы сможете представить такую конструкцию без проблем. Размер может быть любой, но при условии, что протяженность и высота обкладок во много раз больше чем расстояние между обкладками.

Электрическое поле полностью заряженного конденсатора в нашем случае будет статическим, то есть неизменным во времени, его характеристики не меняются с течением времени. Что мы имеем? У нас есть две обкладки обладающие некоторым количеством заряда равной величины, но противоположного знака. Эти обкладки будут притягиваться к друг другу в соответствии с , но эта электрическая сила скомпенсирована тем, что обкладки прочно закреплены на стенах воображаемых зданий. Картина электрического поля такого конденсатора представлена силовыми и эквипотенциальными линиями, которые обозначены материальными предметами такими как деревянные балки и лестницы. Вы можете свободно путешествовать внутри такого конденсатора и выполнять необходимые измерения. Ни о каком , а тем более о силе тока речи здесь не идет, потому как нет свободных носителей заряда.

Опытный электрик может поинтересоваться, а какое напряжение будет на таком конденсаторе? Это закономерный и справедливый вопрос, но нам следует разобраться что такое это самое напряжение . Тут нам следует вспомнить о пробном заряде , который использовался для объяснения напряженности электрического поля. Предположим, что такой заряд появился и он может свободно перемещаться в пространстве между обкладками конденсатора. Что же это может быть? Представьте, что вы являетесь тем самым пробным зарядом и испытываете на себе дальнодействие электрических сил. Разумеется, в реальной жизни такое маловероятно, но в нашем мысленном эксперименте такое вполне допустимо.

Физическая работа пробного заряда в электрическом поле

Итак, вы превратились в пробный электрический заряд q во много раз меньший чем заряд Q на обкладках конденсатора и начали свое путешествие между обкладок конденсатора. При этом вы будете испытывать действие . Допустим, что вы являетесь отрицательно заряженной частицей подобно электрону, тогда вас будет притягивать в сторону обкладки +Q , и вас будет отталкивать от обкладки с зарядом -Q . Чем ближе вы будете к одной из обкладок, тем сильнее вы будете испытывать ее силовое действие.

Предположим, что вы вошли в конденсатор со стороны обкладки -Q и вас тут же начало отталкивать от нее в сторону обкладки +Q . Вы не стали сопротивляться такому воздействию и решили не противится природе и двигаться в полном согласии с влечением. Для этих целей как раз удобно расположены балки и лестницы, по которым вы можете свободно добраться до обкладки +Q любым маршрутом. Так как на вас действуют электрическая кулоновская сила, то вы начинаете свободно набирать скорость, словно вас несет ветром. В итоге вы преодолели расстояние по балке от одной лестницы до другой в направлении от точки A к точке B (смотрите рисунок выше ). Лестницы - это эквипотенциальные линии, и соответственно, вы преодолели расстояние от одного значения потенциала к другому. В нашем случае вы двигались от того потенциала, который для вас больший по величине, к тому, что меньше. Если же вы были бы зарядом другого знака, то есть +q , тогда потенциалы поменяли бы свои знаки и больший стал бы меньшим, а меньший большим. Математически это означает умножение потенциалов на -1 .

На вас действовала сила и вы переместились из точки A в точку B , другими словами вы двигались от потенциала φ a (большего) к потенциалу φ b (меньшему). Это подобно тому, как если бы вы плыли по течению реки на плоту, когда вам не нужно грести веслами и не требуется мотора для движения. Можно сказать, что вами совершена механическая работа, которая является вычисляется как произведение силы на расстояние. Совершив такое перемещение, вы потеряли часть потенциальной энергии, которая перешла в кинетическую (скорость вашего движения), а затем выделилась вероятно в виде тепла при торможении. Проделав обратный путь из точки B в точку A , вы будете двигаться как бы против течения, вам придется затратить энергию, грести веслами, использовать мотор и т. п. Переместившись обратно вы увеличите свою потенциальную энергию, потому как переместитесь в точку с большим потенциалом и ваше энергетическое состояние увеличится.

Разность этих двух потенциалов φ a и φ b и будет являться электрическим напряжением . Это равнозначные понятия, но в практической электротехнике чаще всего употребляют выражение не , а напряжение . При рассмотрении электрических цепей употребляют такое выражение как падение напряжения на участке цепи, а для источников электричество та же самая разность потенциалов определяется как электродвижущая сила (ЭДС).

Разность потенциалов Δφ=φ 1 -φ 2 всегда показывает какую работу A может совершить носитель заряда q при перемещении этого заряда из точки с одним потенциалом φ 1 в точку с другим потенциалом φ 2 . При вычислении надо иметь в виду, что потенциалы могут быть как со знаком плюс , так и со знаком минус .

Если заряду для такого перемещения требуется затратить энергию, а значит увеличить свой потенциал, то тогда работа А будет со знаком (-), а если носитель заряда перемещается из области высокого потенциала в область с низким потенциалом, тогда происходит выделение энергии и работа А будет со знаком (+). Таким образом электрическое напряжение - это энергетическая характеристика электрического поля и представляет собой Δφ . Это значит, что принципиально неверно утверждать, что напряжение - это потенциал. Электрическое напряжение - это всегда разность потенциалов и она возможна только между двумя точками электрического поля. Если имеется одна точка в пространстве электрического поля, тогда уместно говорить только о потенциале этой точки, но никак ни о ее напряжении.