Тема 1.1. Электрическое поле

Энергия – это количественная мера движения и взаимодействия всех форм материи. Механическую энергию несет вода в гидроэлектростанции, а тепловую – горячая вода, пар и т.п.

Из всех видов энергии наиболее широко в настоящее время применяется электромагнитная энергия, которую в практике обычно называют электрической. Носителем электрической энергии является особая форма материи – электромагнитное поле, главная особенность которого состоит в том, что оно оказывает силовое воздействие на электрически заряженные частицы, зависящее от их скорости и величины заряда.

Электротехника – наука, занимающаяся изучением электромагнитного поля, способов получения и преобразования электрической энергии, т.е. изучением практического применения электромагнитных явлений.

1. Электронная теория строения вещества

Атом любого элемента состоит из ядра и электронной оболочки, окружающей ядро. Ядро состоит из протонов и нейтронов и имеет положительный заряд (протоны), а электронная оболочка - отрицательный заряд (электроны). Электрон и протон имеют равный по величине (1,610^-19 Кл), но противоположный по знаку электрический заряд, который считается элементарным.

Рис. 1.1. Модели атомов

Электроны, образующие электронную оболочку ядра атома, вращаются вокруг ядра на различных уровнях. Элементы, у атомов которых на наружном уровне меньше четырёх электронов, сравнительно легко отдают эти электроны атомам других элементов. Элементы, у которых на наружной орбите больше четырёх электронов, стремятся пополнить этот наружный слой до восьми за счёт атомов других элементов.

Число электронов в нейтральном атоме численно равно числу протонов. Атомы с избытком или недостатком электронов по отношению к числу протонов обладают уже иными свойствами и называются ионами.

2. Взаимодействие зарядов. Закон Кулона

В электрически нейтральном теле число положительных зарядов в точности равно числу отрицательных зарядов. Тело может получить электрический заряд в результате процесса, который приведет к неравенству в объеме тела или части его положительного и отрицательного зарядов. Заряженные частицы не пропадают, а передаются от одного тела другому или перемещаются в данном теле, т.е. происходит пространственное разделение положительно и отрицательно заряженных частиц (электризация трением, электростатической индукцией и т.п.). Возникшее при электризации электрическое поле называется электростатическим, так как оно связано с наэлектризованными неподвижными телами (т.е. оно не изменяется с течением времени).

Заряженные тела взаимодействуют друг с другом через электрические поля, связанные с этими телами. На каждое из двух заряженных тел с зарядами Q₁ и Q₂ действуют одинаковые силы Fэ, направленные так, что тела с зарядами одного знака отталкиваются, а тела с зарядами разных знаков притягиваются (рис. 1.2). Сила действует по прямой, соединяющей центры заряженных тел. Заряженное тело называется точечным, если его линейные размеры очень малы в сравнении с расстоянием от него до точек, в которых рассматривается его электрическое поле.

Величина силы, с которой на каждое из двух точечных сил, расположенных в среде, действует их общее электрическое поле, пропорциональна произведению зарядов этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Рис. 1.2. Взаимодействие зарядов	Закон Кулона: Fэ =	Q1 · Q2
		4πεаR2

где: F – сила взаимодействия в ньютонах (Н);

Q₁ и Q₂ – величины зарядов (Кл, кулон);

R - расстояние между центрами тел в метрах (м);

ε_а - (эпсилон) абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.

ε_а = ε₀ε_r ,

где ε₀ – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, которая называется электрической постоянной и равная 8,85·10^-12 Ф/м (фарад/метр);

ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость среды. Она показывает, во сколько раз уменьшится сила взаимодействия электрических зарядов по сравнению с взаимодействием в вакууме. Например, для воздуха она равна 1, для резины 3 - 6, бумаги кабельной сухой – 2,3 – 3,5 и т.п. С другой стороны, ε_r характеризует степень поляризации диэлектрика под действием электрического поля.

Пример: Точечные тела с Q₁ = 0,8·10^-6 Кл и Q₂= 1,6·10^-6 Кл взаимодействуют в воздухе на расстоянии 0,2 м. Тогда Fэ = 0,228 Н.