От какого к какому потенциалу течет ток

11

Электрические цепи постоянного тока.

Постоянный ток – ток неизменный во времени, направленное упорядоченное движение частиц, несущих электрические заряды.

Движение носителей зарядов в проводниках вызвано электрическим полем, которое создают источники электрической энергии.

Источники – устройства, которые разделяют заряды. Они преобразуют химическую, механическую и другие виды энергии в электрическую энергию.

Источники характеризуются величиной и направлением электродвижущей силы, а также величиной внутреннего сопротивления.

Постоянный ток обозначается следующим образом: , .

Электродвижущая сила обозначается следующим образом: , .

Разность потенциалов и напряжение обозначаются следующим образом: , .

Сопротивление участка цепи обозначается следующим образом: , .

Проводимость участка цепи обозначается следующим образом: , .

Электрическая схема – изображение электрической цепи с помощью условных знаков.

Простейшая электрическая схема:

Если источник и нагрузку соединить проводниками, то по цепи потечёт ток. Ток течёт только по замкнутому контуру.

Стрелка внутри источника указывает направление повышения потенциала. Ток во внешней цепи течёт от большего потенциала к меньшему.

Включим в эту цепь приборы. Приборы не должны нарушать работ цепи.

Для измерения силы тока в цепь включают амперметр. Что бы амперметр ни нарушил работу цепи его внутреннее сопротивление должно быть равным нулю, то есть . Силу тока можно найти по следующей формуле: .

Для измерения разности потенциалов или напряжения в цепь включают вольтметр. Что бы вольтметр ни нарушил работу цепи его внутреннее сопротивление должно быть бесконечно большим, то есть .

Вольтамперная характеристика (ВАХ) — зависимость тока, протекающего по элементу цепи от напряжения на этом элементе (или наоборот).

Построим вольтамперную характеристику нашего источника.

Запишем потенциал точки относительно точки для левой части схемы:

;

;

;

Рассмотрим два крайних варианта:

Если , то , а . Такой режим называется режимом холостого хода.

Если , то , . Такой режим называется режимом короткого замыкания.

Угол зависит от параметров источника.

Возможны два варианта:

Угол равен нулю. Такой характеристикой будет обладать идеализированный источник ЭДС. Напряжение на его зажимах не зависит от тока, а внутреннее сопротивление равно нулю.

Угол равен девяносто градусам. Такой характеристикой будет обладать идеализированный источник тока. Он создаёт ток, который не зависит от сопротивления нагрузки. Если в ветви электрической цепи есть источник тока, то ток в ветви равен источнику тока.

Реальные источники имеют конечное значение внутреннего сопротивления, поэтому идеализированные источники заменяют расчётными эквивалентами.

Ток в нагрузке должен быть одинаков в обеих схемах.

;

;

Если или , то одну схему можно заменить другой, но нельзя заменять один идеализированный источник другим.

Простейшая разветвлённая цепь:

;

;

;

;

;

;

;

;

Ветвь – участок цепи, заключённый между двумя узлами.

Узел – точка, в которой соединяются не менее трёх ветвей.

Напряжение на участке цепи. Закон Ома.

Напряжение на участке цепи – разность потенциалов между крайними точками этого участка.

Ток течёт от большего потенциала к меньшему, значит потенциал точки выше потенциала точки на величину падения напряжения , то есть

;

;

;

;

;

(1).

;

(2).

Выражения (1) и (2) называются законами Ома для участка цепи, содержащего источник электродвижущей силы.

Есть два закона Кирхгофа, которые применяются для расчетов токов в ветвях электрических цепей.

Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, подтекающих к любому узлу электрической цепи равна нулю, то есть .

Другая формулировка первого закона Кирхгофа: сумма подтекающих к любому узлу токов равна сумме истекающих из этого узла токов.

Физический смысл первого закона Кирхгофа заключается в том, что ни в одном узле электрические заряды не скапливаются.

Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма падений напряжений в любом замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС вдоль того же контура, то есть .

В каждую сумму слагаемые входят с положительным знаком, если они совпадают с направлением обхода контура и с отрицательным, если они не совпадают с направлением обхода контура.

Число уравнений, которые необходимо составить по первому и второму законам Кирхгофа, должно быть равно числу неизвестных токов. Если есть ветви с источниками тока, то токи в них считаются известными.

Число уравнений, составляемых по первому закону Кирхгофа, должно быть на единицу меньше, чем число узлов в цепи. Остальные уравнения составляются по второму закону Кирхгофа.

Прежде чем составлять уравнения необходимо произвольно выбрать положительное направление токов в ветвях и положительные направления обхода в контурах, при этом контуры выбираются так, что бы каждый следующий отличался хотя бы одной новой ветвью от предыдущего, а путь обхода не должен содержать ветви с источниками тока.

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Произвольно выбираем направление тока в цепях.

Первый закон Кирхгофа:

Узел : или ;

Узел : или ;

Узел : или ;

Второй закон Кирхгофа:

;

;

Решая систему из пяти уравнений, получим следующие значения токов:

; ; ; ; ;

; ; ;

; ; ; ; ;

;

; ; ; ; ; ;

Потенциальная диаграмма – график распределения потенциала вдоль участка цепи или замкнутого контура. По оси абсцисс откладывают величины сопротивлений, суммируя их. По оси ординат откладывают потенциалы точек цепи. Потенциал какой-нибудь одной точки можно принять за ноль и относительно него определять потенциалы других точек цепи.

Построим потенциальную диаграмму для контура , при этом потенциал точки примем за ноль.

;

;

;

;

Почему принято считать, что электрический ток движется от положительного заряда к отрицательному?

/>

Движение зарядов в проводнике

Для того чтобы разобраться в том, как течет ток, необходимо понять его физическую сущность, основанную на атомарно-молекулярной теории строения материи, узнать, какие условия необходимы для его возникновения и существования, какие виды токов бывают, и какими характеристиками они обладают.

Физическая сущность течения тока в цепи

Наличие тока в цепи обусловлено направленным перемещением заряженных частиц. В твердых телах течение тока создается движением отрицательно заряженных электронов, в газах и жидкостях – положительными ионами. В таких широко распространенных веществах, как полупроводники, электрический ток возникает при движении частиц – электронов и «дырок» (положительно заряженных частиц, представляющих собой атомы с недостающим количеством электронов на внешних уровнях).

Основными условиями возникновения и существования электрического тока являются:

• Наличие носителей зарядов – перемещающиеся по проводнику, газу или электролиту частицы;
• Создаваемое определенным источником питания электрическое поле – без данного силового поля движение свободных носителей зарядов будет хаотичным, не имеющим определенного направления;
• Замкнутая цепь – направленное движение зарядов возможно только в замкнутых цепях. Так, например, состоящий из источника питания ключа (переключатель) и лампочки накаливания ток будет протекать только тогда, когда ключ, располагающийся в разрыве проводника между одним из полюсов питания и лампой, находится во включенном состоянии, позволяя носителям заряда перемещаться по замкнутой цепи от отрицательного полюса батареи к положительному.

Протекание тока

Электрический ток это есть медленное движение потока электронов в область положительного заряда из области отрицательного заряда. В качестве единицы измерения силы тока используют ампер (А). Названа эта единица в честь французского ученого Андре Мари Ампера. Один ампер это сила тока, возникающая в проводнике при перемещении заряда через заданную точку величиной в один кулон за одну секунду. Следующая формула показывает соотношение между силой тока и зарядом за секунду:

где I — сила тока в амперах, Q — величина электрическо¬го заряда в кулонах, t — время в секундах.

Пример. Чему будет равна сила тока в цепи, если через заданную точку в цепи прошло 12 кулон заряда за 4 секунды. Решение. Q=12 Кл; T=4 с; I=Q/t=12/4=3 (А). Рассмотрим протекание тока по проводнику. Обычно носителями заряда в цепи являются отрицательно заряженные электроны. Тогда ток это есть поток отрицательно заряженных электронов. Так исторически сложилось, что направление протекания тока не совпадает с направлением потока электронов, то есть противоположно. Однако в свое время было открыто, что когда электроны перемещаются от одного атома к другому, то возникают положительные заряды, названные дырками. (рис 2.2).

Можно сказать, что дырка это место на оболочке, откуда ушел электрон. Дырки перемещаются в направлении противоположном потоку электронов (рис 2.3).

В том случае, если электроны берутся с одного конца проводника и добавляются на другой конец проводника, то по проводнику будет течь ток. В результате медленного движения свободных электронов по проводнику, они сталкиваются с атомами, при этом освобождая другие электроны. Эти освободившиеся электроны движутся к положительному заряженному концу проводника, так же сталкиваясь с другими атомами. Это перемещение (или его еще называют дрейф) происходит как следствие отталкивания зарядов. К тому же положительно заряженный конец проводника, где присутствует дефицит электронов, притягивает отрицательно заряженные электроны. Так вследствие «работы» законов взаимодействия электрических зарядов происходит медленный дрейф электронов. Хотя отдельные электроны сталкиваются с атомами и освобождают другие электроны, скорость которых достигает скорости света. Для наглядности возьмем полую трубу и заполним ее шариками (рис. 2.4.).

Если добавить шарик в один конец трубы, то из второго конца шарик выталкивается. Отдельные шары тратят для перемещения некоторое время, но частота их столкновений иногда будет достаточно высокой. Устройство, которое забирает электроны с положительно заряженного конца проводника и отдает их в отрицательно заряженный конец проводника, называют источником напряжения. В сравнении с системой водопровода источник напряжения может рассматриваться как своего рода насос (рис. 2.5).

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Похожие материалы:

• Электрический ток в металлических проводниках
• Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии
• Направление и величина электрического тока. Количество электричества
• Электрическое сопротивление проводника. Электрическая проводимость
• Электрический ток в электролитах
• Ток смещения в диэлектрике
• Электрический ток в полупроводниках
• Электрический ток в газах

Комментарии

Санёк 30.09.2019 17:45 Классная статья спасибо автору)

trademaxx 06.05.2018 04:32 Я думаю вместо «Дырки перемещаются в направлении противоположном потоку электронов» правильнее написать дырки возникают…

Tocaor 08.01.2018 10:48 Олег, Вы серьёзно? Сила тока в кулонах? 12 кулонов изначально в условии были, читайте внимательнее.

30.10.2017 09:36 Спасибо,хорошая статья

Дмитрия 04.10.2017 04:18 Статья доступная для чайника, где положительно заряженная частица которая бежит встречно?!

Марат 15.07.2016 23:12 Так пример правильный или нет?

Ростислав 30.06.2016 20:29 Электричество это кровь цивилизации .Нет толковых специалистов в области электроники и страна будет отсталой . Но самое главное доступно и понятно объяснять то что связано с электроникой и подобные сайты это Великое дело

Олег 17.07.2015 06:25 У вас ошибка в тексте: ———————— Пример. Чему будет равна сила тока в цепи, если через заданную точку в цепи прошло 12 кулон заряда за 4 секунды. Решение. I=12 Кл; T=4 с; I=Q/t=12/4=3 (А). —————————- Должно быть: Q=12 Кл;

Олег 30.12.2014 06:39 Отличная статья! Проще трудно объяснить.

Обновить список комментариев

Добавить комментарий

Электрический ток и поток электронов

Электрический ток — что это такое

Разобравшись в том, что в большинстве случаев носителями электрических зарядов являются электроны, необходимо понять, почему они движутся. Для этого необходимо заглянуть в микромир частиц – атомов и понять их строение, физические процессы, происходящие с ними.

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него множества электронов, количество которых зависит от суммарного заряда ядра. Электроны передвигаются по определенным траекториям – орбиталям (уровням). При этом те из них, которые располагаются ближе всего к ядру, удерживаются им очень сильно и не участвуют в химических реакциях и физических процессах. Те частицы, которые находятся на внешних уровнях, являются активными и определяющими способность того или иного атома к химическому взаимодействию и образованию свободных зарядов. Их называют валентными.

Ядро и электроны

Активность и способность атомов к отщеплению свободных электронов зависят от количества частиц на внешних уровнях. Так, у одних веществ многочисленные электроны удалены от ядра, поэтому срываются со своих орбиталей и начинают устремляться к другим атомам, в результате чего наблюдается перемещение свободных зарядов. При подаче электрических потенциалов (напряжения) движение электронов становится направленным, появляется электрический ток. Поэтому твердые тела (например, металлы) с большим количеством свободных электронов являются проводниками.

У диалектиков частицы, способные переносить электрический заряд, отсутствуют – у них мало электронов на внешних уровнях, поэтому они не могут срываться, переходя сначала в хаотичное, потом и в направленное движение.

Промежуточное положение между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники, электропроводность которых зависит от внешних факторов (температуры, освещенности и т.д.).

Действия тока

Поговорим теперь о том, какое действие оказывает электрический ток. За счёт чего он получил такое широкое применение в быту и технике?

Можно выделить три основных действия электрического тока:

1. Тепловое. При прохождении тока проводник нагревается. Это одно из самых главных действий тока, которое используется человеком. Самый простой пример – некоторые бытовые обогреватели (Рис. 5).

Рис. 5. Электрообогреватель ()

2. Химическое. Проводник может изменять химический состав при прохождении по нему тока. В частности, при помощи электрического тока добывают некоторые металлы в чистом виде, выделяя их из различных соединений. К примеру, таким образом получают алюминий (Рис. 6).

Рис. 6. Электролизный цех алюминиевого width=»670″ height=»446″[/img])

3. Магнитное. Если по проводнику течёт ток, то магнитная стрелка вблизи такого проводника изменит своё положение.

Электрический ток в параллельной цепи

В электрических схемах предусмотрены параллельные и последовательные соединения элементов. При параллельном соединении, например, резисторов, напряжение одинаково для каждого из них, а сила тока, протекающего через каждый элемент, пропорциональна его сопротивлению. Чтобы определить величину тока через каждый компонент при параллельной комбинации их соединения, используют закон Ома.

Параллельная электрическая цепь

Вид цепи и напряжение

В зависимости от направления протекания тока и особенностей напряжения, различают два вида электрических цепей:

• Цепи постоянного тока;
• Цепи переменного тока.

Единица измерения силы тока

Напряжение цепей постоянного тока является работой, совершаемой электрическим полем в ходе перемещения пробного плюсового заряда из точки A в точку Б. Напряжение в цепи постоянного тока определяется как разность потенциалов на его концах. В таких цепях принято считать, что ток идет от плюса к минусу (от плюсового полюса к минусовому).

На заметку. В реальности ток течет не от плюса к минусу, а, наоборот, от минуса к плюсу. Сформировавшееся ошибочное представление о направлении течения именно от плюса не стали изменять и оставили для удобства понимания физической сущности данного явления.

Для цепей переменного тока характерны такие виды и значения напряжения, как:

• мгновенное;
• амплитудное;
• среднее значение;
• среднеквадратическое;
• средневыпрямленное.

Напряжение в таких цепях – это достаточно сложная функция времени. Грубо говоря, ток в них течет от фазного провода, проходит через нагрузку и частично уходит в нулевой (течет от фазы к нулю)

Как определить анод и катод

Если с батарейкой все довольно просто (полюс и минус не меняются местами), то с зарядкой аккумулятора дело обстоит сложнее.

Во время зарядки разность между большим и меньшим потенциалом увеличивается, то есть потенциал положительного электрода становится выше, чем его же потенциал в покое – накапливается заряд, а потенциал отрицательного электрода становится меньше, чем он же в состоянии покоя. Отсюда вытекает, что положительный электрод выступает анодом, а отрицательный – катодом.

При использовании устройства потенциал положительного электрода (анода) всегда остается больше, чем потенциал отрицательного (катода). Но во время цикла разрядки/зарядки роль электрода меняется: при разрядке положительным становится катод, отрицательным – анод. Во время зарядки положительным выступает анод, отрицательным – катод.

Если речь идет о растворах и электрофизических реакциях в них, проще запомнить, что катионы – всегда частицы с положительным зарядом, а значит двигаются к минусу. Анионы – частицы всегда с отрицательным зарядом и двигаются к плюсу.

Голос строительного гуру

Чтобы запомнить, где плюс, где минус, используют мнемоническое правило. В словах «катод» и «минус», а также в словах «анод» и «плюс» одинаковое количество букв. В нормальном режиме работы любого электрического прибора ток вытекает из катода и втекает в анод. Даже если речь о металлической жиле, поскольку здесь направление тока определяют не смещении электронов, а смещение дырок.

Виды токов: постоянные и переменные

В зависимости от изменения направления протекания заряженных частиц, различают следующие виды токов:

• Постоянный – формируется движением заряженных частиц в одном направлении. Его основные характеристики (сила тока, напряжение) имеют постоянные значения и не изменяются во времени;
• Переменный – направление перемещения зарядов при таком виде движения заряженных частиц периодически меняется. Количество изменений направления движения за единицу времени, равную одной секунде, называется частотой тока и измеряется в Герцах. Так, например, значение данной характеристики в обычной бытовой электрической цепи равно 50 Гц. Это означает, что в течение 1 секунды движущиеся по цепи электроны меняют свое направление 50 раз, вызывая тем самым такое же количество изменений напряжения в фазном проводе от 220 до 0 В.

Основные характеристики переменного тока

Сфера применения

В промышленности используют не только собственно гальванические элементы (для получения электрического тока), но и электрохимические реакции, которые протекают под действием тока. Самый известный – получение тонкопослойного защитного покрытия стали – из цинка, алюминия, цинкового-алюминиевых сплавов.

Электрохимия

Электролиз по своему значению противоположен работе гальванического элемента: реакция проходит под действием тока. При этом плюс источника питания все же именуется катодом, а минус анодом, что как бы противоречит вышесказанному. Происходит это потому, что ток от плюсового вывода источника питания уходит на плюсовой вывод аккумулятора и в этом случае последний уже никак не может быть катодом. В результате электроды аккумулятора при зарядке меняются местами, потому что реакция идет в обратном направлении.

Гальванотехника

Посеребрение, золочение, хромирование, оцинковка – наиболее известные способы использования процесса осаждения вещества. Принцип действия таких установок одинаков: изделие погружают в электролитическую ванную, в которой оно выступает катодом. На его поверхности осаждаются ионы металла – катионы. Чтобы изделие стало катодом, к нему подключают плюсовой вывод источника питания.

Вакуумные и полупроводниковые электроприборы

Понятие катода и анода, а точнее плюса и минуса в вакуумных и полупроводниковых приборах связано с возможностью протекания тока только в одном направлении или в двух. Полупроводник допускает только прямое течение тока, а при наложении напряжения обратного типа ток здесь течет, но крайне незначительно. Для резистора же вопрос не принципиален: он пропускает ток в обоих направлениях.

Катодом и анодом называют выводы диода – ножки. К плюсу батареи подключается анод. Называется он так, потому что у диода в ток любом случае втекает в анод. Светодиод и даже вакуумный подключается точно так же: анод к плюсу, а катод к минусу.

У пассивных потребителей катод и анод (плюс и минус) не меняются. У активных, способных пропускать ток в обоих направлениях, разряжаться и заряжаться – плюсы и минус могут меняться. В аккумуляторе катод положительный во время разрядки и отрицательный при зарядке. Для правильного использования приборов и элементов важно помнить одно: у всех потребителей энергии – электронных деталей, электролизеров, гальванических батарей − вывод, подключаемый к плюсу, называется анодом.

Двунаправленное перемещение зарядов

Наряду с упорядоченным движением носителей зарядов (электронов), в проводниках наблюдается также незначительный обратный процесс – условное перемещение положительных зарядов, потерявших отрицательные частицы атомов. Вместе с основным током данное явление получило название двунаправленное перемещение зарядов. Особенно оно ярко проявляется при протекании электричества через электролиты (явление электролиза).

Двунаправленное перемещение зарядов в аккумуляторной батарее

Значение перемещения электронов в электрической схеме

Понимание того, как идет в цепи ток, необходимо при составлении такого графического изображения расположения электронных деталей, как схема. Важно понимать, откуда течет ток, для того чтобы правильно располагать на схеме, затем соединять различные радиоэлектронные элементы. Если для таких радиодеталей, как конденсатор, резистор, полярность подключения не имеет значения, то полупроводниковый транзистор,

диод необходимо размещать на схеме и затем запитывать, учитывая направление движения тока, иначе они и собираемое с их использованием устройство, электронный блок не будут правильно функционировать.

Таким образом, знание физической сущности направления течения заряженных частиц в проводнике, электролите, полупроводнике позволит любому человеку не только расширить свой кругозор, но и применять его на практике при монтаже электропроводки, пайке различных электронных блоков и схем. Также подобная информация поможет разобраться в том, почему произошла поломка того или иного электроприбора, как ее устранить и предотвратить в будущем.

Что такое потенциал и разность потенциалов между двумя точками

Понятие электрического потенциала является одним из важных основ теории электростатики и электродинамики. Понимание его сущности является необходимым условием для дальнейшего изучения этих разделов физики.

Что такое электрический потенциал

Пусть в поле, создаваемым неподвижным зарядом Q, помещён единичный заряд q, на который действует сила Кулона F=k*Qq/r.

Внесённый заряд под действием этой силы может перемещаться, а сила при этом совершит определенную работу. Это означает, что система из двух зарядов обладает потенциальной энергией, зависящей от величины обоих зарядов и расстояния между ними, причём величина этой потенциальной энергии не зависит от величины заряда q. Здесь и вводится определение электрического потенциала – он равен отношению потенциальной энергии поля к величине заряда:

где W – потенциальная энергия поля, создаваемого системой зарядов, а потенциал является энергетической характеристикой поля. Чтобы переместить заряд q в электрическом поле на какое-то расстояние, надо затратить определённую работу на преодоление кулоновских сил. Потенциал точки равен работе, которую надо затратить для перемещения единичного заряда из этой точки в бесконечность. При этом надо отметить, что:

• эта работа будет равна убыли потенциальной энергии заряда (A=W₂-W₁);
• работа не зависит от траектории перемещения заряда.

В системе СИ единицей измерения потенциала является один Вольт (в русскоязычной литературе обозначается буквой В, в зарубежной – V). 1 В=1Дж/1 Кл, то есть, можно говорить о потенциале точки в 1 вольт, если для перемещения заряда в 1 Кл в бесконечность потребуется совершить работу в 1 Джоуль. Название выбрано в честь итальянского физика Алессандро Вольта, внесшего значительный вклад в развитие электротехники.

Чтобы наглядно представить, что такое потенциал, его можно сравнить с температурой двух тел или температурой, замеренной в разных точках пространства. Температура служит мерой нагрева объектов, а потенциал – мерой электрической заряженности. Говорят, что одно тело нагрето более другого, также можно сказать, что одно тело заряжено более, а другое – менее. Эти тела обладают разным потенциалом.

Значение потенциала зависит от выбора системы координат, поэтому требуется какой-то уровень, который надо принять за ноль. При измерении температуры за базовую границу можно принять, например, температуру тающего льда. Для потенциала за нулевой уровень обычно принимают потенциал бесконечно удаленной точки, но для решения некоторых задач за нулем можно считать, например, потенциал земли или потенциал одной из обкладок конденсатора.

Свойства потенциала

Среди важных свойств потенциала надо отметить следующие:

• если поле создается несколькими зарядами, то потенциал в конкретной точке будет равен алгебраической (с учетом знака заряда) сумме потенциалов, создаваемых каждым из зарядов φ=φ₁+φ₂+φ₃+φ₄+φ₅+…+φ_n;
• если расстояния от зарядов таковы, что сами заряды можно считать точечными, то суммарный потенциал считается по формуле φ=k*(q₁/r₁+q₂/r₂+q₃/r₃+…+q_n/r_n), где r – расстояние от соответствующего заряда то рассматриваемой точки.

Если поле образовано электрическим диполем (двумя связанными зарядами противоположного знака), то потенциал в любой точке, находящейся на расстоянии r от диполя будет равен φ=k*p*cosά/r 2 , где:

• p – электрическое плечо диполя, равное q*l, где l – расстояние между зарядами;
• r – расстояние до диполя;
• ά – угол между плечом диполя и радиус-вектором r.

Если точка лежит на оси диполя, то cosά=1 и φ=k*p/r 2 .

Разность потенциалов

Если две точки обладают определённым потенциалом, и если они не равны, то говорят о том, что между двумя точками существует разность потенциалов. Разность потенциалов возникает между точками:

• потенциал которых определяется зарядами разных знаков;
• точкой с потенциалом от заряда любого знака и точкой с нулевым потенциалом;
• точками, имеющими потенциал равного знака, но отличающимися по модулю.

То есть, разность потенциалов не зависит от выбора системы координат. Можно провести аналогию с бассейнами с водой, расположенными на разной высоте относительно нулевой отметки (например, уровня моря).

Вода каждого бассейна имеет определенную потенциальную энергию, но если соединить два любых бассейна трубкой, то в каждой из них возникнет поток воды, расход которой определяется не только размерами трубки, но и разностью потенциальных энергий в гравитационном поле Земли (то есть, разностью высот). Абсолютное значение потенциальных энергий значения в данном случае не имеет.

Точно так же, если соединить проводником две точки с разным потенциалом, по нему потечёт электрический ток, определяемый не только сопротивлением проводника, но и разностью потенциалов (но не их абсолютным значением). Продолжая аналогию с водой, можно сказать, что вода в верхнем бассейне скоро закончится, и если не найдется той силы, которая переместит воду обратно наверх (например, насоса), то и поток очень быстро прекратится.

Так и в электрической цепи – чтобы поддерживать разность потенциалов на определенном уровне, потребуется сила, переносящая заряды (точнее, носители зарядов) к точке с наибольшим потенциалом. Такая сила называется электродвижущей силой и сокращенно обозначается ЭДС. ЭДС может носить различную природу – электрохимическую, электромагнитную и т.п.

На практике имеет значение в основном разность потенциалов между начальной и конечной точками траектории движения носителей зарядов. В этом случае эту разность называют напряжением, и оно в СИ также измеряется в вольтах. О напряжении в 1 Вольт можно говорить, если поле совершает работу в 1 Джоуль при перемещении заряда в 1 Кулон из одной точки в другую, то есть 1В=1Дж/1Кл, и Дж/Кл также может являться единицей измерения разности потенциалов.

Эквипотенциальные поверхности

Если потенциал нескольких точек одинаков, и эти точки образуют поверхность, то такая поверхность называется эквипотенциальной. Таким свойством обладает, например, сфера, описанная вокруг электрического заряда, ведь электрическое поле убывает с расстоянием одинаково во все стороны.

Все точки этой поверхности имеют одинаковую потенциальную энергию, поэтому при перемещении заряда по такой сфере работа затрачиваться не будет. Эквипотенциальные поверхности систем из нескольких зарядов имеют более сложную форму, но у них есть одно интересное свойство – они никогда не пересекаются. Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны поверхностям с одинаковым потенциалом в каждой их точке. Если эквипотенциальную поверхность рассечь плоскостью, получится линия равных потенциалов. Она имеет те же свойства, что и эквипотенциальная поверхность. На практике равный потенциал имеют, например, точки на поверхности проводника, помещенного в электростатическое поле.

Распределение потенциалов и тока в электрической цепи

Для того чтобы разобраться в прохождении тока по электриче­ским цепям, надо представить, как распределяются в ней электриче­ские потенциалы. Электрический ток проходит всегда от точек цепи, находящихся под большим потенциалом, к точкам, находящимся под меньшим потенциалом. Если какая-либо точка цепи соединена с зем­лей, то потенциал ее принимается равным нулю; в этом случае потенциалы других точек цепи будут равны напряжениям, действующим между этими точками и землей.

Рассмотрим этот вопрос на нескольких конкретных примерах. На рис. 27, а показано распределение потенциалов в последовательной электрической цепи, находящейся под напряжением, при условии, что r₁ = r₂ = r₃. Точка А имеет наибольший положительный потенциал φ_А, так как она соединена с положительным полюсом источника (сам источник на схеме отсутствует — показаны лишь провода сети, соединяющей его с точками А и Г). Потенциал φ_Б в точке Б будет меньше, чем в точке А, следовательно, на участке А Б ток идет от точки А к точке Б. Разность потенциалов между точками А и Б рав­на падению напряжения U₁ = Ir₁ в резисторе с сопротивлением r₁. Это падение напряжения возрастает постепенно по мере перехода от точки А к точке Б, поэтому вдоль резистора с сопротивлением r ₁ потенциал также уменьшается постепенно. В точке В потенциал равен нулю. Разность потенциалов между точками Б и В равна падению на­пряжения U₂ = Ir₂ в резисторе с сопротивлением r₂. Точка Г будет иметь отрицательный потенциал по отношению к точке В (она соеди­нена с отрицательным полюсом источника), поэтому ток I идет от точ­ки В к точке Г. Следует отметить, что при заземлении одной точки элек­трической цепи распределение токов в ней не изменяется, так как при этом не образуется никаких новых ветвей, по которым могли бы проте­кать токи. Если заземлить две или большее число точек цепи, имеющих разные потенциалы, то через землю образуются дополнительные токопроводящие ветви и распределение тока в цепи меняется.

На рис. 27, б показано распределение потенциалов вдоль последо­вательной цепи при заземлении точки Г у одного из полюсов источ­ника питания. Как видно из графика, потенциал различных точек цепи по мере приближения к заземленной точке падает, т. е. умень­шается напряжение, действующее между этими точками и землей. По этой причине обмотки возбуждения тяговых двигателей и вспомога­тельных машин, в которых при резких изменениях тока могут возни­кать большие перенапряжения, стараются включать в силовую цепь электроподвижного состава ближе к «земле» (за обмоткой якоря). В этом случае на изоляцию этих обмоток будет действовать меньшее на­пряжение, чем если бы они были включены под более высоким потенциалом (ближе к контактной сети в электровозах постоянного тока или к незаземленному полюсу выпрямительной установки в электро­возах переменного тока). Точно так же точки электрической цепи, находящиеся под более высоким потенциалом, являются более опас­ными для человека, соприкасающегося с токоведущими частями элек­трических установок. При этом он попадает под более высокое напря­жение по отношению к «земле».

На рис. 28, а показано распределение потенциалов в последова­тельной цепи при ее обрыве у точки В. Все точки цепи от точки А до места обрыва будут иметь потенциал точки А (по цепи не идет ток и на резисторах r₁, r₂ и r₃ нет падения напряжения), а от места обрыва до точки Г — нулевой потенциал. Следовательно, соприкосновение че­ловека с точкой В будет в этом случае также опасно, как и с точкой А; точка же Д не будет находиться под напряжением. Рассмотренный пример наглядно показывает, что некоторые точки электрических це­пей, которые при нормальных условиях заземлены, могут при обры­ве цепи оказаться под высоким напряжением.

На рис. 28, б показано распределение токов в последовательной цепи с двумя источниками, имеющими э. д. с. Е₁ и E₂ параллельно которым включены резисторы с одинаковыми сопротивлениями r₁ = r₂. При равенстве э. д. с. Е₁ и Е₂ разности потенциалов между точками Б — В и В — Г (т. е. напряжения U_БВ и U_ВГ) будут равны, поэтому по резисторам будут, протекать одинаковые токи: I₁ = I₂. Однако, если э. д. с. Е₁ по какой-либо причине увеличится, то увеличится потенциал φ_Б точки Б и напряжение U_БB станет больше напряжения U_BГ. Ток I₁ возрастет и станет больше, чем I₂. Если увеличится э. д. с. Е₂, то возрастет разность потенциалов между точками В и Г, при этом напряжение U_ВГ станет больше U_БВ, а ток I₂ больше I₁.

На рис. 29 показано распределение токов в цепи с двумя параллель­но соединенными источниками. При Е₁ = Е₂ и r₁ = r₂ по обеим парал­лельным ветвям протекают одинаковые токи I₁ и I₂; потенциалы точек Б и В одинаковы (напряжение между точками Б и В равно нулю) и через резистор r ток протекать не будет. Если э. д. с. Е₁ станет боль­ше Е₂, потенциал точки Б увеличится. При этом уменьшится разность потенциалов между точками А и Б, а следовательно, и ток I₁. Одно­временно между точками Б и В появится разность потенциалов и по резистору r начнет протекать ток I от точки Б к точке В. При возра­стании э. д. с. Е₂ до значения, большего э. д. с. Е₁ потенциал точки В станет больше потенциала точки Б, и ток I будет проходить по рези­стору r от точки В к точке Б (см. штриховую стрелку). Если точки Б и В замкнуть не через резистор, а накоротко, то потенциалы точек Б и В станут равными. Такое соединение называется уравнительным. Рассмотрим прохождение тока по всей цепи, когда Е₁ > Е₂. Наи­больший положительный потенциал имеет точка А; поэтому от этой точки к точкам Б и В текуттоки I₁ и I₂. Точки Г и В имеют меньший потенциал, чем точка Б, следовательно, от точки Б к точкам В и Г текут токи I и I₃. От точки В ток не может идти к точке А, так как она находится под более высоким потенциалом, поэтому от точки В ток I₄ идет к точке Г.

Таким способом по распределению потенциалов между отдель­ными точками электрической цепи определяют прохождение тока по сложным электрическим цепям.