Электрический потенциал

Электрический потенциал – это скалярная физическая величина, характеризующая напряжённость поля. Через этот параметр также выражается электрическое напряжение.

Физический смысл электрического поля

Учёные давно ломают голову над субстанциями электрического и магнитного полей, но пока сие для них такая же загадка, как и гравитация. То есть, вроде бы это и есть, но чем вызвано, как образуется, кто это так сказал и зачем, люди не знают. Известно только, что электричество было известно задолго до нашей эры. На дело с его изучением как-то не шло.

Не так широко известно, что главные достижения по изучению электричества могли быть сделаны минимум на 20 лет раньше, нежели это было сделано. Потому что до Эрстеда влияние провода с током на магнитную стрелку отмечал Джованни Доменико Романьози. Ещё в 1802 году. Это только подтверждённые официальными изданиями данные, а само событие могло приходиться и на более ранний период. Заслуга Эрстеда лишь в том, что он обратил внимание общественности на замеченный факт.

И таких примеров тьма. Многие учёные вне зависимости друг от друга делали те или иные открытия, изобретения, и даже встречались случаи, когда тот или иной муж науки думал, что его измышления ничего нового не представляют. И потом удивлялся, когда ему говорили, что кто-то другой открыл это сегодня, – как, но я ведь сделал это раньше?! Но никому не сказал, а потому и не получил свою долю известности. Так было и в XIX веке – учёные постоянно сотрудничали, что-то обсуждали, и иной раз тяжело найти концы. Так например, Фарадея упрекали за то, что он занимается плагиатом конструкции первого человеческого двигателя, а Википедия приписала ему авторство катушки индуктивности, придуманной Лапласом, на которое сам Майкл никак не претендовал. Но когда речь заходит о материи полей, то учёные хранят дружное молчание. Единственным исключением был Никола Тесла, утверждавший, что все во Вселенной состоит из гармонических колебаний.

Итак, что учёные знают о поле? – а электрический потенциал, это именно характеристика поля – ровным счётом ничего! Эту субстанцию никто никогда не видел, долгое время не могли зарегистрировать и с трудом могут себе представить до сих пор! Не верите? Тогда попробуйте нарисовать в своём воображении электромагнитную волну:

  1. Известно, что колебание представляет собой суперпозицию электрического и магнитного полей, изменяющихся во времени.
  2. Вектор напряжённости магнитный перпендикулярен вектору электрическому, и они связаны через константу среды (некая физическая величина).
  3. На вид это должны быть две волны, перпендикулярные друг другу… так, стоп! что такое волна?

Вот так выглядит примерно вся современная физика. Никто точно не знает, как выглядят поле, колебание, волна, и как это нарисовать. Понятно лишь одно: картинки из учебника весьма слабо дают понять происходящее. Дело усугубляется тем, что человек не способен видеть и чувствовать электромагнитное излучение. Колебание не может быть синусоидальным, потому что оно рассматривается для одной точки, линии, фронта и пр. Это скорее уплотнение и растяжение эфира, нечто напоминающее трёхмерную фигуру, которую никто не в состоянии описать.

Все это сказано для того, чтобы любой мог понять, насколько неизведанным остаётся то, что используется в повседневной жизни. И порой оно может таить в себе реальную опасность для человека. Например, доказано, что излучение СВЧ печи с течением времени действительно «портит» пищу. Человек, регулярно питающийся из микроволновки, рискует получить в своё распоряжение обширный список недугов. В первую очередь это болезни крови. Небезопасна для нас и сетевая частота 50 Гц.

Характеристики электрического поля

Человек быстро понял, что электрическое поле есть, и уже в XVIII веке – а по некоторым данным и раньше – была нарисована опилками его картина. Люди увидели, что это некие линии, выходившие из полюсов. И по аналогии стали пытаться изобразить электрическое поле. Так например, Шарль Кулон на исходе восемнадцатого столетия открыл свой закон притяжения и отталкивания зарядов. Записав формулу, он, конечно же, понял, что эквипотенциальные линии силы взаимодействия концентрически расходятся вокруг точечного скопления электричества, а траектории движения – прямолинейный в этом случае.

Читайте также:  Класс напряжения

Исходя из этих данных, была изображена первая картина электрического поля. Она весьма напоминает то, как исследователи представляли себе магнитное, но с одной гигантской разницей: в природе нашлись заряды того и другого знака. Поэтому линии напряжённости могут уходить в бесконечность (хотя где-нибудь и закончатся). По крайней мере, в теории. Тогда как магнитные заряды поодиночке не найдены, поэтому линии их всегда замыкаются в видимой области пространства.

Первая картина электрического поля

Первая картина электрического поля

В остальном нашлось много общего, в частности, заряды одного знака отталкиваются, а разных – притягиваются. Это справедливо для магнитов и электричества. Но ещё Гильберт заметил, что магнетизм – весьма сильная субстанция, которую сложно экранировать или уничтожить, тогда как электричество легко разрушается влагой и многими веществами. Дёгтя в бочку добавил Кулон, который, следуя Бенджамину Франклину, присвоил электронам отрицательный заряд. Хотя речь шла о количестве флюида. И по идее избыток электронов нужно было назвать положительным.

Как результат, все линии напряжённости поля располагаются в направлении обратном тому, в котором их нужно было нарисовать. И потенциал растёт не туда… Главными характеристиками электрического поля являются:

  1. Напряжённость – показывает, какая сила действует на положительный единичный заряд в данной точке со стороны поля.
  2. Потенциал – показывает, какую работу способно затратить поле, чтобы переместить единичный пробный положительный заряд в бесконечно удалённую точку.
  3. Напряжение – разность потенциалов между двумя точками. Напряжение, поэтому, существует только относительно некоторого уровня.

Наиболее вероятно происхождение этих терминов из латинского языка. Напряжённость ввёл в обиход, предположительно, Алессандро Вольта, а потенциал называется так по наименованию типа поля, которое этой величиной и характеризуется, а именно: работа по перемещению заряда не зависит от траектории, а равна разнице потенциалов начальной и конечной точки. Следовательно, на замкнутой траектории она равна нулю.

Нулевой потенциал и потенциальное поле

Электрическое поле является потенциальным, это значит, что работа по перемещению в нем заряда не зависит от траектории и определяется только потенциалом. То есть, потенциал, это некоторое универсальное физическое понятие, которое можно применить во многих случаях. Например, для гравитационного поля Земли, происхождение которого до сих пор никто не в состоянии объяснить. Но известно, что массы притягиваются друг к другу по закону, напоминающему тот, что выведен Шарлем Кулоном.

Зарисовка напряжённости поля

Зарисовка напряжённости поля

В электрическом поле Земной шар также является началом отсчёта. Строго говоря, нет разницы, относительно чего исчислять потенциал, но люди быстро поняли, что смоляное электричество бьётся, и стеклянное кусается током, а грунт ещё никому не причинил вреда в этом плане. Следовательно, в полном соответствии с логикой он был принят за нуль. В этом есть и ещё один плюс: Земля очень большая по объёму, поэтому на неё стекают без каких-либо проблем гигантские токи как статические, так и переменные. Доказано, что на теле заряд пытается распределиться взаимно на максимальной дистанции. Что соответствует поверхности планеты. При таком раскладе плотность заряда получается очень несущественной, много меньше, чем на любом наэлектризованном теле.

Поэтому на Земле потенциал за редким исключением измеряется относительно грунта, и это значение называют электрическим напряжением. Из контекста становится понятно, что напряжение бывает как положительным, так и отрицательным. Но не всегда. На ЛЭП иногда бывает выгодным использовать схемы с изолированной нейтралью. В этом случае потенциал любой точки не считается относительно Земли. Другими словами, отсутствует нейтраль. Это становится возможно в трёхфазных цепях.

Читайте также:  Датчик движения

А на местной подстанции ставят разделительный трансформатор, нейтраль вторичной обмотки которого здесь же заземляют. Это нужно для того, чтобы поставлять потребителям фазное напряжение 220 В, а не линейное. Некоторые наивно думают, что планета у нас одна, следовательно, зачем вообще нужна нейтраль? Ток же и так потечёт… Он потечёт но через грунт, вызывая этим немалый экономический ущерб и представляя опасность для людей путём создания шагового напряжения. Медный же нулевой проводник – как его называли в первой половине XIX века, возвратный – имеет малое сопротивление и гарантированно никому не причинит вреда.

Что касается цепей с изолированной нейтралью, то в них потенциал не отсчитывается относительно уровня грунта, а напряжение измеряется между двумя точками. Уместно упомянуть здесь, что по закону Ома ток, протекая через проводник, создаёт разность потенциалов. Именно поэтому нельзя браться при аварии за контур заземления. Малое его сопротивление может все же оказаться причиной образования здесь значительной разницы потенциалов. А человек должен знать в таком случае об опасности напряжения прикосновения.

Однако цепи с изолированной нейтралью используются и в целях безопасности. Если напряжение создаётся между двумя точками вторичной обмотки разделительного трансформатора, то ток на землю через неосторожно взявшегося за оголённый провод человека не пойдёт. Потому что разница потенциалов относительно грунта меньше. Следовательно, разделительный трансформатор является мерой защиты и часто используется на практике.

Падение потенциала во внешней электрической цепи

Внешней электрической цепью называется весь участок, находящийся за пределами источника. На практике ЭДС вырабатывается на вторичных обмотках трёхфазного трансформатора подстанции. Это и есть источник. Начиная с вывода, идёт внешняя цепь.

На ней потенциал падает от фазного напряжения и до нейтрали. Речь здесь идёт о рядовых потребителях. И когда в дом приходит электричество, это всегда система трёхфазного тока. Нейтраль обычно глухо заземлена, чтобы обеспечить нужный уровень безопасности. Дело в том, что жилой дом не может гарантировать равномерную загрузку всех фаз, поэтому через нейтраль потечёт ток. Если эту же цепь использовать для защиты, то не может быть полной гарантии безопасности, потому что путь тока может пролечь через человека, неожиданно взявшегося за заземлитель.

Следовательно, нужно обеспечить два нулевых проводника: рабочий и защитный. Через первый производится зануление металлических частей объекта, а через второй – заземление. Причём за рубежом принято делить эти две ветви на две разные линии, а в РФ они объединяются в районе контура заземления. Первое сделано для более надёжной защиты, а второе – для возможности работы в здании трёхфазного оборудования (вдруг, да пригодится!). А если в промышленной установке оставить лишь заземление корпуса, то это может плохо окончиться для неудачника, попавшего под электрический потенциал.

Следовательно, западная система хороша для однофазного оборудования. Но за счёт унифицированности система РФ более сложная. К тому же импортное оборудование плохо сочетается с отечественными условиями, потому что фильтры питания рассчитаны так, чтобы защитный и рабочий нулевые проводники не пересекались. А дело все в электрическом потенциале:

  1. На защитном проводнике всегда потенциал грунта, то есть нуль.
  2. На рабочем может быть и иное значение за счёт падения напряжения на проводах линии электроснабжения.
Система TN-C-S

Система TN-C-S

Чтобы как-то выровнять разницу, линии на входе в здание объединяют и заводят на контур громоотвода. Что для импортной техники опять же не является идеальным решением, предприятия-поставщики электроэнергии несут некоторые потери. Это всем известная система TN-C-S, применяющаяся в РФ. А те дома, которые возведены ещё в СССР, понемногу переоборудуются.