Работа силы электростатического поля при перемещении заряда
Потенциальный характер сил поля.
Циркуляция вектора напряженности
Рассмотрим электростатическое поле, создаваемое зарядом q. Пусть в нем перемещается пробный заряд q0. В любой точке поля на заряд q0 действует сила
где - модуль силы, - орт радиус-вектора, определяющего положение заряда q0 относительно заряда q. Так как сила меняется от точки к точке, то работу силы электростатического поля запишем как работу переменной силы:
Ввиду того, что рассматривали перемещение заряда из точки 1 в точку 2 по произвольной траектории, можно сделать вывод, что работа по перемещению точечного заряда в электростатическом поле не зависит от формы пути, а определяется лишь начальным и конечным положением заряда. Это свидетельствует о том, что электростатическое поле является потенциальным, а сила Кулона - консервативной силой. Работа по перемещению заряда в таком поле по замкнутому пути всегда рвана нулю.
Проекция на направление контура?.
Учтем, что работа по замкнутому пути равно нулю
ЦИРКУЛЯЦИЯ вектора напряженности.
Циркуляция вектора напряженности электростатического поля, взятая по произвольному замкнутому контуру всегда равна нулю.
Потенциал.
Связь между напряженностью и потенциалом.
Градиент потенциала.
Эквипотенциальные поверхности
Поскольку электростатическое поле является потенциальным работа по перемещению заряда в таком поле может быть представлена, как разность потенциальных энергий заряда в начальной и конечной точках пути. (Работа равна уменьшению потенциальной энергии, или изменению потенциальной энергии, взятому со знаком минус.)
Постоянную определяют из условия, что при удалении заряда q0 на бесконечность его потенциальная энергия должна быть равна нулю.
Различные пробные заряды q0i , помещенные в данную точку поля будут обладать в этой точке различными потенциальными энергиями:
Отношение Wпот i к величине пробного заряда q0i, помещенного в данную точку поля является величиной постоянной для данной точки поля для всех пробных зарядов. Это отношение называется ПОТЕНЦИАЛОМ.
ПОТЕНЦИАЛ - энергетическая характеристика электрического поля. ПОТЕНЦИАЛ численно равен потенциальной энергии, которой обладает в данной точке поля единичный положительный заряд.
Работу по перемещению заряда можно представить в виде
Потенциал измеряется в Вольтах
ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ называются поверхности равного потенциала (ц = const). Работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.
Связь между напряженностью и потенциалом ц можно найти, исходя из того, что работу по перемещению заряда q на элементарном отрезке d? можно представить как
Градиент потенциала.
Напряженность поля равна градиенту потенциала, взятому со знаком минус.
Градиент потенциала показывает, как меняется потенциал на единицу длины. Градиент перпендикулярен функции и направлен в сторону возрастания функции. Следовательно, вектор напряженности перпендикулярен эквипотенциальной поверхности и направлен в сторону убывания потенциала.
Рассмотрим поле, создаваемое системой N точечных зарядов q1, q2, … qN. Расстояния от зарядов до данной точки поля равны r1, r2, … rN. Работа, совершаемая силами этого поля над зарядом q0, будет равна алгебраической сумме работ сил, каждого заряда в отдельности.
Потенциал поля, создаваемого системой зарядов, определяется как алгебраическая сумма потенциалов, создаваемых в этой же точке каждым зарядом в отдельности.
Вычисление разности потенциалов плоскости, двух плоскостей, сферы, шара, цилиндра
Используя связь между ц и определим разность потенциалов между двумя произвольными точками
Разность потенциалов поля равномерно заряженной бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда у.
§ 12.3 Работа сил электростатического поля. Потенциал. Эквипотенциальные поверхности
На заряд q пр помещённый в произвольную точку электростатического поля с напряжённостью Е, действует сила F= q пр E. Если заряд не закреплён, то сила заставит его перемещаться и, значит, будет совершаться работа. Элементарная работа, совершаемая силой F при перемещении точечного электрического заряда q пр из точки а электрического поля в точку b на отрезке пути dℓ, по определению, равна
(α - угол между F и направлением движения) (рис.12.13).
Если работа совершается внешними силами, то dA< 0 , если силами поля, то dA > 0. Интегрируя последнее выражение, получим, что работа против сил поля при перемещении q пр из точки a в точку b
(12.20)
Рисунок -12.13
(
- кулоновская сила, действующая на
пробный зарядq пр
в каждой точке поля с напряжённостью
E).
Тогда работа
(12.21)
Перемещение
совершается перпендикулярно вектору
,
следовательноcosα
=1, работа переноса пробного заряда q пр
от a
к b
равна
(12.22)
Работа сил электрического поля при перемещении заряда не зависит от формы пути, а зависит лишь от взаимного расположения начальной и конечной точек траектории.
Следовательно, электростатического поля точечного заряда является потенциальным , а электростатические силы – консервативными .
Это свойство потенциальных полей. Из него следует, что работа совершаемая в электрическом поле по замкнутому контуру, равна нулю:
(12.23)
Интеграл
называется циркуляцией
вектора напряженности
.
Из обращения в нуль циркуляции вектора
Е следует, что линии напряжённости
электростатического поля не могут быть
замкнутыми, они начинаются на положительных
и кончаются на отрицательных зарядах.
Как известно, работа консервативных сил совершается за счёт убыли потенциальной энергии. Поэтому, работу сил электростатического поля можно представить как разность потенциальных энергий, которыми обладает точечный заряд q пр в начальной и конечной точках поля заряда q:
(12.24)
откуда следует, что потенциальная энергия заряда q пр в поле заряда q равна
(12.25)
Для одноименных зарядов q пр q >0 и потенциальная энергия их взаимодействия (отталкивания) положительна, для разноимённых зарядов q пр q < 0 и потенциальная энергия их взаимодействия (притяжения) отрицательна.
Если поле создаётся системой n точечных зарядов q 1, q 2, …. q n , то потенциальная энергия U заряда q пр, находящегося в этом поле, равна сумме его потенциальных энергий U i , создаваемых каждым из зарядов в отдельности:
(12.26)
Отношение
не зависят от зарядаq
и является энергетической характеристикой
электростатического поля.
Скалярная физическая величина, измеряемая отношением потенциальной энергии пробного заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называется потенциалом электростатического поля.
(12.27)
Потенциал поля, создаваемый точечным зарядом q, равен
(12.28)
Единица потенциала – вольт .
Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда q пр из точки 1 в точку 2 может быть представлена как
т.е. равна произведению перемещаемого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках.
Разность потенциалов двух точек электростатического поля φ 1 -φ 2 равна напряжению. Тогда
Отношение работы, совершаемой электростатическим полем при перемещении пробного заряда из одной точки поля в другую, к величине этого заряда называется напряжением между этими точками.
(12.30)
Графически электрическое поле можно изображать не только с помощью линий напряжённости, но и с помощью эквипотенциальных поверхностей.
Эквипотенциальные поверхности – совокупность точек, имеющих одинаковый потенциал. Из рисунка видно, что линии напряжённости (радиальные лучи) перпендикулярны эквипотенциальным линиям.
Э
квипотенциальных
поверхностей вокруг каждого заряда и
каждой системы зарядов можно провести
бесчисленноемножество
(рис.12.14).
Однако их
проводят так, чтобы разности потенциалов
между любыми двумя соседними
эквипотенциальными поверхностями были
одинаковы. Тогда густота эквипотенциальных
поверхностей наглядно характеризует
напряжённость поля в разных точках.
Там, где эти поверхности расположены
гуще, напряжённость поля больше. Зная
расположение эквипотенциальных линий
(поверхностей), можно построить линии
напряжённости или по известному
расположению линий напряжённости можно
построить эквипотенциальные поверхности.
§ 12.4 Связь напряжённости и потенциала
Электростатическое поле имеет две характеристики: силовую (напряжённость) и энергетическую (потенциал). Напряжённость и потенциал – различные характеристики одной и той же точки поля, следовательно, между ними должна быть связь.
Работа по перемещению единичного точечного положительного заряда из одной точки в другую вдоль оси х при условии, что точки расположены бесконечно близко друг к другу и х 1 – х 2 = dx , равна qЕ х dx. Та же работа равна q(φ 1 - φ 2)= -dφq. Приравнивая оба выражения, можем записать
Повторив аналогичные
рассуждения для осей у и z,
можем найти вектор
:
где
- единичные векторы координатных осей
х, у,z.
Из определения градиента следует, что
или
(12.31)
т.е. напряжённость поля Е равна градиенту потенциала со знаком минус. Знак минус определяется тем, что вектор напряжённости Е поля направлен в сторону убывания потенциала.
Установленная связь между напряжённостью и потенциалом позволяет по известной напряжённости поля найти разность потенциалов между двумя произвольными точками этого поля.
Поле равномерно заряженной сферы радиусом R
Напряжённость поля вне сферы определяется по формуле
(r
>R)
Разность потенциалов между точками r 1 и r 2 (r 1 >R; r 2 >R) определим, используя соотношение
Потенциал сферы получим, если r 1 = R, r 2 → ∞:
Поле равномерно заряженного бесконечно длинного цилиндра
Напряжённость поля вне цилиндра (r >R) определяется формулой
(τ – линейная плотность).
Разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстоянии r 1 и r 2 (r 1 >R; r 2 >R) от оси цилиндра, равна
(12.32)
Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости
Напряжённость поля этой плоскости определяется формулой
(σ - поверхностная плотность).
Разность потенциалов между точками, лежащими на расстоянии х 1 и х 2 от плоскости, равна
(12.33)
Поле двух разноименно заряженных бесконечных параллельных плоскостей
Напряженность поля этих плоскостей определяется формулой
Разность потенциалов между плоскостями равна
(12.34)
(d – расстояние между плоскостями).
Примеры решения задач
Пример 12.1 . Три точечных заряда Q 1 =2нКл, Q 2 =3нКл и Q 3 =-4нКл расположены в вершинах равностороннего треугольника со стороной длиной a =10см. Определите потенциальную энергию этой системы.
Дано : Q 1 =2нКл=2∙10 -9 Кл; Q 2 =3нКл=3∙10 -9 Кл; и Q 3 =-4нКл=4∙10 -9 Кл; a =10см=0,1м.
Найти : U .
Р
ешение:
Потенциальная
энергия системы зарядов равна
алгебраической сумме энергий взаимодействия
каждой из взаимодействующих пар зарядов,
т.е.
U=U 12 +U 13 +U 23
где соответственно потенциальные энергии одного из зарядов, находящегося в поле другого заряда на расстоянии а от него, равны
;
;
(2)
Подставим формулы (2) в выражение (1), найдём искомую потенциальную энергию системы зарядов
Ответ: U=-0,126мкДж.
Пример 12.2 . Определите потенциал в центре кольца с внутренним радиусом R 1 =30см и внешним R 2 =60см, если на нём равномерно распределён заряд q=5нКл.
Дано: R 1 =30см=0,3м; R 2 =60см=0,6м; q=5нКл=5∙10 -9 Кл
Найти : φ .
Решение: Кольцо разобьём на концентрические бесконечно тонкие кольца внутренним радиусом r и внешним – (r+dr).
Площадь рассматриваемого тонкого кольца (см.рисунок) dS=2πrdr.
П
отенциал
в центре кольца, создаваемый бесконечно
тонким кольцом,
где – поверхностная плотность заряда.
Для определения потенциала в центре кольца следует арифметически сложить dφ от всех бесконечно тонких колец. Тогда
Учитывая, что заряд кольца Q=σS, где S= π(R 2 2 -R 1 2)- площадь кольца, получим искомый потенциал в центре кольца
Ответ : φ=25В
Пример 12.3. Два точечных одноименных заряда (q 1 =2нКл и q 2 =5нКл) находятся в вакууме на расстоянии r 1 = 20см. Определите работу А, которую надо совершить, чтобы сблизить их до расстояния r 2 =5см.
Дано: q 1 =2нКл=2 ∙10 -9 Кл; q 2 =5нКл=5 ∙10 -9 Кл; r 1 = 20см=0,2м; r 2 =5см=0,05м.
Найти : А.
Решение: Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда Q из точки поля, имеющей потенциал φ 1 , в точку с потенциалом φ 2 .
A 12 = q(φ 1 - φ 2)
При сближении одноимённых зарядов работу совершают внешние силы, поэтому работа этих сил равна по модулю, но противоположна по знаку работе кулоновских сил:
A= -q(φ 1 - φ 2)= q(φ 2 - φ 1). (1)
Потенциалы точек 1 и 2 электростатического поля
;
(2)
Подставив формулы (2) в выражение (1), найдём искомую работу, которую надо совершить, чтобы сблизить заряды,
Ответ: А=1,35 мкДж.
Пример 12.4. Электростатическое поле создаётся положительно заряженной бесконечной нитью. Протон, двигаясь под действием электростатического поля вдоль линии напряжённости от нити с расстояния r 1 =2см до r 2 =10см, изменил свою скорость от υ 1 =1Мм/с до υ 2 =5Мм/с. Определите линейную плотность τ заряда нити..
Дано: q=1,6∙10 -19 Кл; m=1,67∙10 -27 кг; r 1 =2см=2∙10 -2 м; r 2 = 10см=0,1м; r 2 =5см=0,05м; υ 1 =1Мм/с=1∙10 6 м/с; до υ 2 =5Мм/с=5∙10 6 м/с.
Найти : τ .
Решение: Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении протона из точки поля с потенциалом φ 1 в точку с потенциалом φ 2 идёт на увеличение кинетической энергии протона
q(φ 1 - φ 2)=ΔТ (1)
В случае нити электростатическое поле обладает осевой симметрией, поэтому
или dφ=-Edr,
тогда разность потенциалов между двумя точками, находящимися на расстоянии r 1 и r 2 от нити,
(учли, что
напряжённость поля, создаваемого
равномерно заряженной бесконечной
нитью,
).
Подставив выражение
(2) в формулу (1) и учитывая, что
,
получим
Откуда искомая линейная плотность заряда нити
Ответ : τ = 4,33 мкКл/м.
Пример 12.5. Электростатическое поле создаётся в вакууме шаром радиусом R =8см, равномерно заряженными с объёмной плотностью ρ=10нКл/м 3 . Определите разность потенциалов между двумя точками этого поля, лежащими от центра шара на расстояниях: 1) r 1 =10см и r 2 =15см; 2) r 3 = 2см и r 4 =5см..
Дано: R=8см=8∙10 -2 м; ρ=10нКл/м 3 =10∙10 -9 нКл/м 3 ; r 1 =10см=10∙10 -2 м;
r 2 =15см=15∙10 -2 м; r 3 = 2см=2∙10 -2 м; r 4 =5см=5∙10 -2 м.
Найти : 1) φ 1 - φ 2 ; 2) φ 3 - φ 4 .
Решение: 1) Разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстоянии r 1 и r 2 от центра шара.
(1)
где
- напряжённость поля, создаваемого
равномерно заряженным с объёмной
плотностью ρ шаром, в любой точке, лежащей
вне шара на расстоянииr
от его центра.
Подставив это выражение в формулу (1) и проинтегрировав, получим искомую разность потенциалов
2) Разность потенциалов между двумя точками, лежащими на расстоянии r 3 и r 4 от центра шара,
(2)
где
- напряжённость поля, создаваемого
равномерно заряженным с объёмной
плотностью ρ шаром, в любой точке, лежащей
внутри шара на расстоянииr
от его центра.
Подставив это выражение в формулу (2) и проинтегрировав, получим искомую разность потенциалов
Ответ : 1) φ 1 - φ 2 =0,643 В; 2) φ 3 - φ 4 =0,395 В
Лекция А.П.Зубарева
Работа сил поля по перемещению заряда.
Потенциал и разность потенциалов электрического поля.
Как следует из закона Кулона, сила, действующая на точечный заряд q в электрическом поле, созданном другими зарядами, является центральной . Напомним, что центральной называется сила, линия действия которой направлена по радиус-вектору, соединяющему некоторую неподвижную точку О (центр поля) с любой точкой траектории. Из «Механики» известно, что все центральные силы являются потенциальными . Работа этих сил не зависит от формы пути перемещения тела, на которое они действуют, и равна нулю по любому замкнутому контуру (пути перемещения). В применении к электростатическому полю (см. рисунок) ниже:
.
Рисунок. К определению работы сил электростатического поля.
То есть, работа сил поля по перемещению заряда q из точки 1 в точку 2 равна по величине и противоположна по знаку работе по перемещению заряда из точки 2 в точку 1, независимо формы пути перемещения. Следовательно, работа сил поля по перемещению заряда может быть представлена разностью потенциальных энергий заряда в начальной и конечной точках пути перемещения:
Введем потенциал электростатического поля φ, задав его как отношение:
, (размерность в СИ: ).
Тогда работа сил поля по перемещению точечного заряда q из точки 1 в точку 2 будет:
Разность потенциалов называется электрическим напряжением. Размерность напряжения, как и потенциала, [U] = B.
Считается, что на бесконечности электрические поля отсутствуют, и значит . Это позволяет дать определение потенциала как работы, которую нужно совершить, чтобы переместить заряд q = +1 из бесконечности в данную точку пространства. Таким образом, потенциал электрического поля является его энергетической характеристикой.
Связь между напряженностью и потенциалом электрического поля. Градиент потенциала. Теорема о циркуляции электрического поля.
Напряженность и потенциал – это две характеристики одного и того же объекта – электрического поля, поэтому между ними должна существовать функциональная связь. Действительно, работа сил поля по перемещению заряда q из одной точки пространства в другую может быть представлена двояким образом:
Откуда следует, что 
Это и есть искомая связь между напряженностью и потенциалом электрического поля в дифференциальном виде.
- вектор, направленный из точки с меньшим потенциалом в точку с большим потенциалом (см. рисунок ниже).
 |
Рисунок. Векторы и gradφ.
При этом модуль вектора напряженности равен
Из свойства потенциальности электростатического поля следует, что работа сил поля по замкнутому контуру (φ 1 = φ 2) равна нулю:
поэтому можем написать
Последнее равенство отражает суть второй основной теоремы электростатики – теоремы о циркуляции электрического поля , согласно которой циркуляция поля вдоль произвольного замкнутого контура равна нулю. Эта теорема является прямым следствиемпотенциальности электростатического поля.
Эквипотенциальные линии и поверхности и их свойства.
Линии и поверхности, все точки которых имеют одинаковый потенциал, называются эквипотенциальными . Их свойства непосредственно вытекают из представления работы сил поля и иллюстрируются на рисунке:
 |
Рисунок. Иллюстрация свойств эквипотенциальных линий и поверхностей.
1) 
- работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной линии (поверхности) равна нулю, т. к. .
Электростатическое поле
- эл. поле неподвижного заряда.
Fэл, действующая на заряд, перемещает его, совершая раборту.
В однородном электрическом поле Fэл = qE - постоянная величина
Работа поля (эл. силы) не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории = нулю.
Электростатика (от электро... и статика), раздел теории электричества, в котором изучается взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Оно осуществляется посредством электростатического поля. Основной закон Э. - Кулона закон, определяющий силу взаимодействия неподвижных точечных зарядов в зависимости от их величины и расстояния между ними.
Электрические заряды являются источниками электростатического поля. Этот факт выражает Гаусса теорема. Электростатическое поле потенциально, т. е. работа сил, действующих на заряд со стороны электростатического поля, не зависит от формы пути.
Электростатическое поле удовлетворяет уравнениям:
div D = 4pr, rot Е = 0,
где D - вектор электрической индукции (см. Индукция электрическая и магнитная), Е - напряжённость электростатического поля, r - плотность электрического заряда. Первое уравнение представляет собой дифференциальную форму теоремы Гаусса, а второе выражает потенциальный характер электростатического поля. Эти уравнения можно получить как частный случай Максвелла уравнений.
Типичные задачи Э. - нахождение распределения зарядов на поверхностях проводников по известным полным зарядам или потенциалам каждого из них, а также вычисление энергии системы проводников по их зарядам и потенциалам.
Для установления связи между силовой характеристикой электрического поля напряжённостью и его энергетической характеристикой потенциалом рассмотрим элементарную работу сил электрического поля на бесконечно малом перемещении точечного заряда q : dA = q E dl , эта же работа равна убыли потенциальной энергии заряда q : dA = dW п = q d ,где d - изменение потенциала электрического поля на длине перемещения dl . Приравнивая правые части выражений, получаем: E dl d или в декартовой системе координат
E x dx + E y dy + E z dz = d , (1.8)
где E x , E y , E z - проекции вектора напряженности на оси системы координат. Поскольку выражение (1.8) представляет собой полный дифференциал, то для проекций вектора напряженности имеем
Эквипотенциальная поверхность - понятие, применимое к любому потенциальному векторному полю, например, к статическомуэлектрическому полю или к ньютонову гравитационному полю (Гравитации). Эквипотенциальная поверхность - это поверхность, на которойскалярный потенциал данного потенциального поля принимает постоянное значение. Другое, эквивалентное, определение - поверхность, в любой своей точке ортогональная силовым линиям поля.
Поверхность проводника в электростатике является эквипотенциальной поверхностью. Кроме того, помещение проводника на эквипотенциальную поверхность не вызывает изменения конфигурации электростатического поля. Этот факт используется в методе изображений, который позволяет рассчитывать электростатическое поле для сложных конфигураций.
В гравитационном поле уровень неподвижной жидкости устанавливается по эквипотенциальной поверхности. В частности, по эквипотенциальной поверхности гравитационного поля Земли проходит уровень океанов. Эквипотенциальная поверхность уровня океанов, продолженная на поверхность Земли, называется геоидом и играет важную роль в геодезии.
5.Электрическая ёмкость - характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками.
В системе СИ ёмкость измеряется в фарадах. В системе СГС в сантиметрах.
Для одиночного проводника ёмкость равна отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечноудалены и что потенциал бесконечно удалённой точки принят равным нулю. В математической форме данное определение имеет вид
Где Q - заряд, U - потенциал проводника.
Ёмкость определяется геометрическими размерами и формой проводника и электрическими свойствами окружающей среды (её диэлектрической проницаемостью) и не зависит от материала проводника. К примеру, ёмкость проводящего шара радиуса R равна (в системе СИ):
C = 4πε 0 εR .
Понятие ёмкости также относится к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделённых диэлектриком - конденсатору. В этом случае взаимная ёмкость этих проводников (обкладок конденсатора) будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна:
где S - площадь одной обкладки (подразумевается, что они равны), d - расстояние между обкладками, ε - относительная диэлектрическая проницаемостьсреды между обкладками, ε 0 = 8.854×10 −12 Ф/м - электрическая постоянная.
При параллельном соединении k конденсаторов полная емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов:
C = C 1 + C 2 + … + C k .
При последовательном соединении k конденсаторов складываются обратные емкостям величины:
1/C = 1/C 1 + 1/C 2 + … + 1/C k .
Энергия электрического поля заряженного конденсатора равна:
W = qU / 2 = CU 2 /2 = q 2 / (2C).
6. Электрический ток называют постоянным , если сила тока и его направление не меняются с течением времени.
Сила тока (часто просто «ток ») в проводнике - скалярная величина, численно равная заряду , протекающему в единицу времени через сечениепроводника. Обозначается буквой (в некоторых курсах - . Не следует путать с векторной плотностью тока ):
Основной формулой, используемой для решения задач, является Закон Ома:
§ для участка электрической цепи:
Сила тока равняется отношению напряжения к сопротивлению.
§ для полной электрической цепи:
Где E - ЭДС, R - внешнее сопротивление, r - внутреннее сопротивление.
Единица измерения в СИ - 1 Ампер (А) = 1 Кулон / секунду.
Для измерения силы тока используют специальный прибор - амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).
В случае переменного тока различают мгновенную силу тока, амплитудную (пиковую) силу тока и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность).
Пло́тность то́ка - векторная физическая величина, имеющая смысл силы тока, протекающего через единицу площади. Например, при равномерном распределении плотности:
Тока по сечению проводника .
Среди условий, необходимых для существования электрического тока различают:
· наличие в среде свободных электрических зарядов
· создание в среде электрического поля
Сторонние силы
- силы неэлектрической природы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока.
Сторонними считаются все силы отличные от кулоновских сил.
Электродвижущая сила (эдс), физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура. Если через E стр обозначить напряжённость поля сторонних сил, то эдс в замкнутом контуре (L ) равна , где dl - элемент длины контура.
Потенциальные силы электростатического (или стационарного) поля не могут поддерживать постоянный ток в цепи, т. к. работа этих сил на замкнутом пути равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии - нагреванием проводников. Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источников тока: генераторов, гальванических элементов, аккумуляторов и т. д. Происхождение сторонних сил может быть различным. В генераторах сторонние силы - это силы со стороны вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля со временем, или Лоренца сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике; в гальванических элементах и аккумуляторах - это химические силы и т. д. Эдс определяет силу тока в цепи при заданном её сопротивлении (см. Ома закон). Измеряется эдс, как и напряжение, ввольтах.
На всякий заряд в электрическом поле действует сила, которая может перемещать этот заряд. Определить работу А перемещения точечного положительного заряда q из точки О в точку n, совершаемую силами электрического поля отрицательного заряда Q. По закону Кулона сила, перемещающая заряд, является переменной и равной
Где r - переменное расстояние между зарядами.
. Это выражение можно получить так:
Величина представляет собой потенциальную энергию W п заряда в данной точке электрического поля:
Знак (-) показывает, что при перемещении заряда полем его потенциальная энергия убывает, переходя в работу перемещения.
Величина равная потенциальной энергии единичного положительного заряда (q = +1), называется потенциалом электрического поля.
Тогда 
. Для q = +1 .
Таким образом, разность потенциалов двух точек поля равна работе сил поля по перемещению единичного положительного заряда из одной точки в другую.
Потенциал точки электрического поля равен работе по перемещению единичного положительного заряда из данной точки на бесконечность: . Единица измерения - Вольт = Дж/Кл.
Работа перемещения заряда в электрическом поле не зависит от формы пути, а зависит только от разности потенциалов начальной и конечной точек пути.
Поверхность, во всех точках которой потенциал одинаков, называется эквипотенциальной.
Напряженность поля является его силовой характеристикой, а потенциал –энергетической.
Связь между напряженностью поля и его потенциалом выражается формулой
,
знак (-) обусловлен тем, что напряженность поля направлена в сторону убывания потенциала, а в сторону возрастания потенциала.
5. Использование электрических полей в медицине.
Франклинизация, или «электростатический душ», представляет собой лечебный метод, при котором организм больного или отдельные участки его подвергаются воздействию постоянного электрического поля высокого напряжения.
Постоянное электрическое поле при процедуре общего воздействия может достигать 50 кВ, при местном воздействии 15 – 20 кВ.
Механизм лечебного действия. Процедуру франклинизации проводят таким образом, что голова больного либо другой участок тела становятся как бы одной из пластин конденсатора, в то время как второй является электрод, подвешенный над головой, или устанавливаемый над местом воздействия на расстоянии 6 - 10см. Под влиянием высокого напряжения под остриями игл, закрепленных на электроде, возникает ионизация воздуха с образованием аэроионов, озона и окислов азота.
Вдыхание озона и аэроионов вызывает реакцию сосудистой сети. После кратковременного спазма сосудов происходит расширение капилляров не только поверхностных тканей, но и глубоких. В результате улучшаются обменно-трофические процессы, а при наличии повреждения тканей стимулируются процессы регенерации и восстановления функций.
В результате улучшения кровообращения, нормализации обменных процессов и функции нервов происходит уменьшение головных болей, повышенного артериального давления, повышенного сосудистого тонуса, урежение пульса.
Применение франклинизации показано при функциональных расстройствах нервной системы
Примеры решения задач
1. При работе аппарата для франклинизации ежесекундно в 1 см 3 воздуха образуется 500000 легких аэроионов. Определить работу ионизации, необходимую для создания в 225 см 3 воздуха такого же количества аэроионов за время лечебного сеанса (15 мин). Потенциал ионизации молекул воздуха считать равным 13,54 В, условно считать воздух однородным газом.
- потенциал ионизации, А– работа ионизации, N-количество электронов.
2. При лечении электростатическим душем на электродах электрической машины приложена разность потенциалов 100 кВ. Определить, какой заряд проходит между электродами за время одной процедуры лечения, если известно, что силы электрического поля при этом совершают работу 1800Дж.
Отсюда 
Электрический диполь в медицине
В соответствии с теорией Эйнтховена, лежащей в основе электрокардиографии, сердце представляет собой электрический диполь, расположенный в центре равностороннего треугольника (треугольник Эйнтховена), вершины которого условно можно считать 
находящимися в правой руке, левой руке и левой ноге.
За время сердечного цикла изменяется как положение диполя в пространстве, так и дипольный момент. Измерение разности потенциалов между вершинами треугольника Эйнтховена позволяет определить соотношение между проекциями дипольного момента сердца на стороны треугольника следующим образом:
Зная напряжения U AB , U BC , U AC , можно определить, как ориентирован диполь относительно сторон треугольника.
В электрокардиографии разность потенциалов между двумя точками тела (в данном случае между вершинами треугольника Эйнтховена) называется отведением.
Регистрация разности потенциалов в отведениях в зависимости от времени называется электрокардиограммой.
Геометрическое место точек конца вектора дипольного момента за время сердечного цикла называется вектор-кардиограммой .
Лекция №4
Контактные явления
1. Контактная разность потенциалов. Законы Вольты.
2. Термоэлектричество.
3. Термопара, ее использование в медицине.
4. Потенциал покоя. Потенциал действия и его распространение.
- Контактная разность потенциалов. Законы Вольты.
При тесном соприкосновении разнородных металлов между ними возникает разность потенциалов, зависящая только от их химического состава и температуры (первый закон Вольты). Эта разность потенциалов называется контактной.
Для того чтобы покинуть металл и уйти в окружающую среду, электрон должен совершить работу против сил притяжения к металлу. Эта работа называется работой выхода электрона из металла.
Приведем в контакт два различных металла 1 и 2, имеющих работу выхода соответственно A 1 и A 2, причем A 1 < A 2 . Очевидно, что свободный электрон, попавший в процессе теплового движения на поверхность раздела металлов, будет втянут во второй металл, так как со стороны этого металла на электрон действует большая сила притяжения (A 2 > A 1). Следовательно, через контакт металлов происходит «перекачка» свободных электронов из первого металла во второй, в результате чего первый металл зарядится положительно, второй - отрицательно. Возникающая при этом разность потенциалов создает электрическое поле напряженностью Е, которое затрудняет дальнейшую «перекачку» электронов и совсем прекратит ее, когда работа перемещения электрона за счет контактной разности потенциалов станет равна разности работ выхода:
(1)
Приведем теперь в контакт два металла с A 1 = A 2 , имеющие различные концентрации свободных электронов n 01 > n 02 . Тогда начнется преимущественный перенос свободных электронов из первого металла во второй. В результате первый металл зарядится положительно, второй – отрицательно. Между металлами возникнет разность потенциалов , которая прекратит дальнейший перенос электронов. Возникающая при этом разность потенциалов определяется выражением:
, (2)
где k - постоянная Больцмана.
В общем случае контакта металлов, различающихся и работой выхода и концентрацией свободных электронов к.р.п. из (1) и (2) будет равна:
(3)
Легко показать, что сумма контактных разностей потенциалов последовательно соединенных проводников равна контактной разности потенциалов, создаваемой концевыми проводниками, и не зависит от промежуточных проводников:
Это положение называется вторым законом Вольты.
Если теперь непосредственно соединить концевые проводники, то существующая между ними разность потенциалов компенсируется равной по величине разностью потенциалов , возникающей в контакте 1 и 4. Поэтому к.р.п. не создает тока в замкнутой цепи металлических проводников, имеющих одинаковую температуру.
2. Термоэлектричество – это зависимость контактной разности потенциалов от температуры.
Составим замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводников 1 и 2.
Температуры контактов a и b будем поддерживать различными Т a > T b . Тогда, согласно формуле (3), к.р.п. в горячем спае больше, чем в холодном: . В результате между спаями a и b возникает разность потенциалов , называемая термоэлектродвижущей силой, а в замкнутой цепи пойдет ток I. Пользуясь формулой (3), получим
где 
для каждой пары металлов.
- Термопара, ее использование в медицине.
Замкнутая цепь проводников, создающая ток за счет различия температур контактов между проводниками, называется термопарой.
Из формулы (4) следует, что термоэлектродвижущая сила термопары пропорциональна разности температур спаев (контактов).
Формула (4) справедлива и для температур по шкале Цельсия:
Термопарой можно измерить только разности температур. Обычно один спай поддерживается при 0ºС. Он называется холодным спаем. Другой спай называется горячим или измерительным.
Термопара обладает существенными преимуществами перед ртутными термометрами: она чувствительна, безинерционна, позволяет измерять температуру малых объектов, допускает дистанционные измерения.
Измерение профиля температурного поля тела человека.
Считается, что температура тела человека постоянна, однако это постоянство относительно, поскольку на различных участках тела температура не одинакова и меняется в зависимости от функционального состояния организма.
Температура кожи имеет свою вполне определенную топографию. Самую низкую температуру (23-30º) имеют дистальные отделы конечностей, кончик носа, ушные раковины. Самая высокая температура – в подмышечной области, в промежности, области шеи, губ, щек. Остальные участки имеют температуру 31 - 33,5 ºС.
У здорового человека распределение температур симметрично относительно средней линии тела. Нарушение этой симметрии и служит основным критерием диагностики заболеваний методом построения профиля температурного поля с помощью контактных устройств: термопары и термометра сопротивления.
4. Потенциал покоя. Потенциал действия и его распространение.
Поверхностная мембрана клетки не одинаково проницаема для разных ионов. Кроме того, концентрация каких-либо определенных ионов различна по разные стороны мембраны, внутри клетки поддерживается наиболее благоприятный состав ионов. Эти факторы приводят к появлению в нормально функционирующей клетке разности потенциалов между цитоплазмой и окружающей средой (потенциал покоя)
При возбуждении разность потенциалов между клеткой и окружающей средой изменяется, возникает потенциал действия, который распространяется в нервных волокнах.
Механизм распространения потенциала действия по нервному волокну рассматривается по аналогии с распространением электромагнитной волны по двухпроводной линии. Однако наряду с этой аналогией существуют и принципиальные различия.
Электромагнитная волна, распространяясь в среде, ослабевает, так как ее энергия рассеивается, превращаясь в энергию молекулярно-теплового движения. Источником энергии электромагнитной волны является ее источник: генератор, искра и т.д.
Волна возбуждения не затухает, так как получает энергию из самой среды, в которой она распространяется (энергия заряженной мембраны).
Таким образом, распространение потенциала действия по нервному волокну происходит в форме автоволны. Активной средой являются возбудимые клетки.
Примеры решения задач
1. При построении профиля температурного поля поверхности тела человека используется термопара с сопротивлением r 1 = 4 Ом и гальванометр с сопротивлением r 2 = 80 Ом; I=26 мкА при разности температур спаев ºС. Чему равна постоянная термопары?
Термоэдс, возникающая в термопаре, равна , где термопары, -разность температур спаев.
По закону Ома для участка цепи ,где U принимаем как . Тогда
Лекция №5
Электромагнетизм
1. Природа магнетизма.
2. Магнитное взаимодействие токов в вакууме. Закон Ампера.
4. Диа-, пара- и ферромагнитные вещества. Магнитная проницаемость и магнитная индукция.
5. Магнитные свойства тканей организма.
1. Природа магнетизма.
Вокруг движущихся электрических зарядов (токов) возникает магнитное поле, посредством которого эти заряды взаимодействуют с магнитными или другими движущимися электрическими зарядами.
Магнитное поле является силовым полем, его изображают посредством магнитных силовых линий. В отличие от силовых линий электрического поля магнитные силовые линии всегда замкнуты.
Магнитные свойства вещества обусловлены элементарными круговыми токами в атомах и молекулах этого вещества.
2 . Магнитное взаимодействие токов в вакууме. Закон Ампера .
Магнитное взаимодействие токов изучалось с помощью подвижных проволочных контуров. Ампер установил, что величина силы взаимодействия двух малых участков проводников 1 и 2 с токами пропорциональна длинам и этих участков, силам тока I 1 и I 2 в них и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между участками:
Выяснилось, что сила воздействия первого участка на второй зависит от их взаиморасположения и пропорциональна синусам углов и .
где - угол между и радиусом-вектором r 12 , соединяющим с , а - угол между и нормалью n к плоскости Q, содержащей участок и радиус-вектор r 12.
Объединяя (1) и (2) и вводя коэффициент пропорциональности k, получим математическое выражение закона Ампера:
(3)
Направление силы также определяется по правилу буравчика: оно совпадает с направлением поступательного движения буравчика, рукоятка которого вращается от к нормали n 1.
Элементом тока называется вектор, равный по величине произведению Idl бесконечно малого участка длины dl проводника на силу тока I в нем и направленный вдоль этого тока. Тогда, переходя в (3) от малых к бесконечно малым dl, можно записать закон Ампера в дифференциальной форме:
. (4)
Коэффициент k можно представить в виде
где - магнитная постоянная (или магнитная проницаемость вакуума).
Величина для рационализации с учетом (5) и (4) запишется в виде
. (6)
3 . Напряженность магнитного поля. Формула Ампера. Закон Био-Савара-Лапласа .
Поскольку электрические токи взаимодействуют друг с другом посредством своих магнитных полей, количественную характеристику магнитного поля можно установить на основе этого взаимодействия-закона Ампера. Для этого проводник l с током I разобьем на множество элементарных участков dl. Он создает в пространстве поле.
В точке О этого поля, находящуюся на расстоянии r от dl, поместим I 0 dl 0. Тогда, согласно закону Ампера (6), на этот элемент будет действовать сила
(7)
где -угол между направлением тока I на участке dl (создающем поле) и направлением радиуса-вектора r, а -угол между направлением тока I 0 dl 0 и нормалью n к плоскости Q содержащей dl и r.
В формуле (7) выделим часть, не зависящую от элемента тока I 0 dl 0, обозначив ее через dH:
Закон Био-Савара-Лапласа (8)
Величина dH зависит только от элемента тока Idl, создающего магнитное поле, и от положения точки О.
Величина dH является количественной характеристикой магнитного поля и называется напряженностью магнитного поля. Подставляя (8) в (7), получим
где - угол между направлением тока I 0 и магнитного поля dH. Формула (9) называется формулой Ампера, выражает зависимость силы, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем элемент тока I 0 dl 0 от напряженности этого поля. Эта сила расположена в плоскости Q перпендикулярно dl 0 . Ее направление определяется по «правилу левой руки».
Полагая в (9) =90º, получим:
Т.е. напряженность магнитного поля направлена по касательной к силовой линии поля, а по величине равна отношению силы, с которой поле действует на единичный элемент тока, к магнитной постоянной.
4 . Диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные вещества. Магнитная проницаемость и магнитная индукция.
Все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитные свойства, т.е. намагничиваются и поэтому изменяют внешнее поле. При этом одни вещества ослабляют внешнее поле, а другие усиливают его. Первые называются диамагнитными , вторые –парамагнитными веществами. Среди парамагнетиков резко выделяется группа веществ, вызывающих очень большое усиление внешнего поля. Это ферромагнетики .
Диамагнетики - фосфор, сера, золото, серебро, медь, вода, органические соединения.
Парамагнетики - кислород, азот, алюминий, вольфрам, платина, щелочные и щелочноземельные металлы.
Ферромагнетики – железо, никель, кобальт, их сплавы.
Геометрическая сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов и собственного магнитного момента ядра образует магнитный момент атома (молекулы) вещества.
У диамагнетиков суммарный магнитный момент атома (молекулы) равен нулю, т.к. магнитные моменты компенсируют друг друга. Однако под влиянием внешнего магнитного поля у этих атомов индуцируется магнитный момент, направленный противоположно внешнему полю. В результате диамагнитная среда намагничивается и создает собственное магнитное поле, направленное противоположно внешнему и ослабляющее его.
Индуцированные магнитные моменты атомов диамагнетика сохраняются до тех пор, пока существует внешнее магнитное поле. При ликвидации внешнего поля индуцированные магнитные моменты атомов исчезают и диамагнетик размагничивается.
У атомов парамагнетиков орбитальные, спиновые, ядерные моменты не компенсируют друг друга. Однако атомные магнитные моменты расположены беспорядочно, поэтому парамагнитная среда не обнаруживает магнитных свойств. Внешнее поле поворачивает атомы парамагнетика так, что их магнитные моменты устанавливаются преимущественно в направлении поля. В результате парамагнетик намагничивается и создает собственное магнитное поле, совпадающее с внешним и усиливающим его.
(4), где -абсолютная магнитная проницаемость среды. В вакууме =1, , а
В ферромагнетиках имеются области (~10 -2 см) с одинаково ориентированными магнитными моментами их атомов. Однако ориентация самих доменов разнообразна. Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнетик не намагничен.
С появлением внешнего поля домены, ориентированные в направлении этого поля, начинают увеличиваться в объеме за счет соседних доменов, имеющих иные ориентации магнитного момента; ферромагнетик намагничивается. При достаточно сильном поле все домены переориентируются вдоль поля, и ферромагнетик быстро намагничивается до насыщения.
При ликвидации внешнего поля ферромагнетик полностью не размагничивается, а сохраняет остаточную магнитную индукцию, так как тепловое движение не может разориентировать домены. Размагничивание может быть достигнуто нагреванием, встряхиванием или приложением обратного поля.
При температуре, равной точке Кюри, тепловое движение оказывается способным дезориентировать атомы в доменах, вследствие чего ферромагнетик превращается в парамагнетик.
Поток магнитной индукции через некоторую поверхность S равен числу линий индукции, пронизывающих эту поверхность:
(5)
Единица измерения B –Тесла, Ф-Вебер.
