При перемещении электрического заряда в электростатическом поле работа сил поля равна произведению заряда на разность потенциалов начальной и конечной точек траектории движения заряда.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 23Следующая ⇒

Так как работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки пространства в другую не зависит от траектории движения заряда между этими точками, то разность потенциалов двух точек электрического поля является величиной, не зависящей от траектории движения заряда. Разность потенциалов, следовательно, может служить энергетической характеристикой электростатического поля.

Если потенциал поля на бесконечно большом расстоянии от точечного электрического заряда в вакууме принимается равным нулю, то на расстоянии r от заряда он определяется по формуле

. (40.6)

Эквипотенциальные поверхности. Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью.

Между двумя любыми точками на эквипотенциальной поверхности разность потенциалов равна нулю, поэтому работа сил электрического поля при любом перемещении заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю. Это означает, что вектор силы в любой точке траектории движения заряда по эквипотенциальной поверхности перпендикулярен вектору скорости. Следовательно, линии напряженности электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальной поверхности.

Эквипотенциальными поверхностями поля точечного электрического заряда являются сферы, в центре которых расположен заряд (рис. 136).

Эквипотенциальные поверхности однородного электрического поля представляют собой плоскости, перпендикулярные линиям напряженности (рис. 137).

Напряжение. Отношение работы, совершаемой любым электрическим полем при перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, к значению заряда называется напряжением между этими точками:

. (40.7)

Отсюда работа сил электрического поля при перемещении заряда равна произведению напряжения U между точками на заряд q:

A = qU. (40.8)

В электростатическом поле напряжение между двумя любыми точками равно разности потенциалов этих точек:

. (40.9)

Как будет показано далее, равенство (40.9) может не выполняться, если электрическое поле непотенциальное. В непотенциальных электрических полях работа сил поля при перемещении электрического заряда зависит от траектории движения заряда из одной точки в другую.

Единица напряжения и разности потенциалов. Единица напряжения и разности потенциалов в СИ называется вольтом (В):

, .

Связь напряжения с напряженностью поля. При перемещении положительного заряда q по линии напряженности однородного поля на расстояние d кулоновская сила совершает работу, равную

С другой стороны, работа электрического поля может быть найдена по известному напряжению U между начальной и конечной точками пути:

A = qU

Следовательно, напряжение U между двумя точками в однородном электрическом поле, расположенными по одной линии напряженности, равно произведению модуля вектора напряженности поля на расстояние d между этими точками:

U = Ed. (40.10)

Отсюда для напряженности однородного электрического поля получаем выражение

. (40.11)

Из соотношения (40.11) следует, что единицей напряженности электрического поля в СИ является вольт на метр (В/м):

ПРОВОДНИКИ, ПОЛУПРОВОДНИКИ, ДИЭЛЕКТРИКИ. ВИДЫ ДИЭЛЕКТРИКОВ.

По способности проводить электрический ток вещества можно разделить на

Проводники

Полупроводники

Диэлектрики

Эта способность обусловлена особенностью строения веществ.

В проводниках присутствуют свободные носители заряда - это часть электронов сравнительно слабо связанных с ядром, которые могут перемещаться с орбиты одного ядра на орбиту другого под воздействием внешнего электрического поля. Такие электроны называются свободными. К проводникам относятся такие вещества, как медь, алюминий.

Диэлектриками называются вещества, основным электрическим свойством которых является их способность поляризоваться в электрическом поле. Строение диэлектриков характеризуется наличием незначительного количества свободных электронов и молекул, вытянутых по форме (полярные диполи). Суть явления поляризации заключается в том, что под воздействием внешнего электрического поля связанные заряды диэлектрика смещаются в направлении действующих на них сил и тем больше, чем выше напряженность поля.

В дипольных диэлектриках воздействие электрического поля вызывает соответствующую ориентацию дипольных молекул в направлении поля. При отсутствии поля диполи расположены беспорядочно вследствие теплового движения. В результате поляризации на поверхности диэлектрика образуются заряды разных знаков. Проводимость диэлектриков обусловлена наличием незначительного числа свободных зарядов. Диэлектрические материалы обладают очень большим электрическим сопротивлением, которое находится в пределах 106... 1011 Ом*м.

Д иэлектрические материалы классифицируют по:

-агрегатному состоянию:

жидкие;

газообразные;

твердые.

- по способу получения:

естественные;

синтетические.

-по химическому составу:

органические;

неорганические.

-по строению молекул:

нейтральные;

полярные.

К диэлектрикам относятся воздух, азот, элегаз, лаки, слюда, керамика, полэтилен.

Промежуточное положение между проводниками и диэлектриками занимают полупроводники. К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементов Д. И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники - германий Ge и кремний Si.

Чистые полупроводники обладают удельным сопротивлением в пределах 10-5 — 108 Ом * м. Для снижения высокого удельного сопротивления в чистые полупроводники вводят примеси - проводят легирование, такие полупроводники называются легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III (бор В) и V (мышьяк As) групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Чистые полупроводники кристаллизируются в виде решетки. Каждая валентная связь содержит два электрона, оболочка атома имеет восемь электронов и находится в состоянии равновесия.

Элементы III группы (бор В) имеют на внешней оболочке три электрона. Поэтому хотя атом бора и «встанет» в кристалл, одного электрона не будет хватать. Отсутствие электрона проводит к образованию «дырки» в кристалле, что равносильно появлению положительного заряда. Если к такому полупроводнику приложить напряжение, электроны начнут двигаться к положительному контакту, а «дырки» - в обратном направлении. Двигающиеся «дырки» рассматриваются как положительно заряженные носители и полупроводники называются полупроводниками р-типа, а примеси - акцепторными.

Элементы V группы (мышьяк As) имеют на внешней оболочке пять электронов. Поэтому в кристалле один электрон окажется лишним. Примеси, при добавлении которых к полупроводнику образуются свободные электроны, называются донорными. Проводимость в полупроводнике с донорной примесью осуществляется за счет свободных электронов. Такой проводник называется полупроводником n-типа.

Область на границе двух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой - электронную проводимость, называют р-n - переходом. Её свойства проводить ток при приложении напряжения в определенном направлении используют в работе полупроводниковых приборов (полупроводниковых диодов, биполярных транзисторов).