На электрический заряд, помещенный в электрическое поле будет действовать сила, стремящаяся переместить заряд вдоль его силовых линий. Если в одну и ту же точку данного поля помещать пробные заряды разной величины (q 1, q2, q3) на них будет действовать различные по значению силы (F 1, F2, F3): чем больше заряд, тем значительнее сила воздействия. Отношение силы к величине пробного заряда будет величиной постоянной для этой точки электрического поля: F1/q1 = F2/q2 = F3/q3. Отношение F/q называется напряженностью электрического поля Е и является силовой характеристикой точки поля. Напряжённость электрического поля в какой-либо точке измеряется силой, с которой поле действует на единичный заряд, помещенный в эту точку. Е = F/q. Электрическое поле, во всех точках которого напряженность одинакова, называется однородным. Однородное электрическое поле можно получить, если расположенные параллельно заряженные тела будут иметь форму пластин, некоторая неоднородность (искажение) поля в этом случае будет наблюдаться на краю пластин. Сближая пластины и увеличивая их площадь можно достичь того, что краевой эффект будет незначительным. а однородность поля будет практически идеальной. Так устроен простейший плоский конденсатор, состоящий из двух разделённых воздухом металлических пластин, на которых накапливаются заряды противоположных знаков.
При перемещении заряда q из точки 1 в точку 2 электрического поля, электрические силы совершают работу. Чтобы выполнить работу, необходимо затратить энергию. Энергия характеризует способность тела совершать работу. В точке 2 поля потенциальная энергия заряда (W 2) окажется меньше, чем в точке 1 (W 1). Затраченная при этом энергия электрического поля (W1-W2) идёт на совершение работы (А) по перемещению заряда из точки 1 в точку 2. А = W1 - W2. Отношение потенциальной энергии заряда в точке поля к величине заряда называется потенциалом φ данной точки. Потенциал показывает какой потенциальной энергией будет обладать единичный заряд, помещенный в данную точку электрического поля, φ = W/ q. Потенциал точки 1 поля φ1 = W1/ q, потенциал точки 2 φ2 = W2/ q, тогда работа электрических сил поля А = q φ1- q φ2 или А = q(φ1 – φ2). Разность потенциалов φ1 – φ2 между двумя точками поля называется напряжением U. U = φ1 – φ2 и следовательно, А = q U, то есть работа совершаемая электрическим полем при перемещении заряда q прямо пропорциональна напряжению между начальной и конечной точкой пути.
Если соединить полюса источника электрической энергии проводником, то электрическое поле, созданное источником, распространяясь по замкнутой цепи, будет воздействовать с определённой силой на свободные электроны проводника, вызывая их электрический ток I . Электроны перемещаются в проводнике, если потенциалы точек замкнутой цепи различны. Электрический ток распространяется от более высокого потенциала электрической цепи к более низкому, между точками цепи с равными потенциалами тока не будет. Ток на участке электрической цепи прямо пропорционален разности потенциалов точек цепи, т. е. напряжению на концах этого участка, и обратно пропорционален его сопротивлению (закон Ома). I = φ1 – φ2/ R = U/ R. U = I R.
Рассмотрим схему, состоящую из источника электрической энергии и нагрузки в виде сопротивлений R1, R2, R3. Любой источник электрической энергии имеет своё внутренне сопротивление, в нашем случае это R4.
При разомкнутом тумблере S 1 тока в цепи нет и напряжение на полюсах источника U 41 (между точками 1 и 4) равно 20 В. Измеренное напряжение между полюсами источника при отсутствии тока, называется ЭДС (электродвижущей силой). Практически ЭДС можно замерить высокоомными вольтметрами (ламповые вольтметры, вольтметры на полевых транзисторах), по которым во время измерения протекает ничтожно малый ток.
При замыкании тумблера в цепи возникает электрический ток, внутренне сопротивление источника энергии совместно с сопротивлением нагрузки будет влиять на его величину.
I = U41 /(R1+ R2+ R3+ R4). I = 20 /10 = 2 А.
Напряжение на участках цепи будет равно:
U21 = I R3 = 2∙3 = 6 В;
U32 = I R2 = 2∙4 = 8 В;
U43 = I R1 = 2∙2 = 4 В.
Найдём значение потенциалов точек цепи. Потенциалы точек электрической цепи определяются относительно точки, потенциал которой условно принят за ноль.
1). Примем потенциал точки 1 равным нулю.
φ1 = 0. φ2 - φ1 = U21 потенциал точки 2, φ2 = + 6 В. φ3 - φ1 = U31 = U21 + U32, потенциал точки 3, φ3 = +14 В. φ4 - φ1 = U41 = U21 + U32+ U43, потенциал точки 4, φ4 = +18 В.
2). Рассчитаем потенциалы точек той же цепи относительно точки 3. φ3 = 0. φ 4 - φ3 = U43, потенциал точки 4, φ4 = + 4 В. φ3 – φ2 = U32, потенциал точки 2, φ2 = - 8 В.
φ3 - φ1 = U31 = U32 + U21, потенциал точки 1, φ = -14 В.
Значения потенциалов одних и тех же точек цепи в первом и втором случае отличаются, но разность потенциалов (напряжение) одинакова:
1) φ4 - φ1 = +18 – 0 = 18 В; φ3 – φ2 = +14 – (+6) = 8 В;
φ4 – φ2 = +18 – (+6) = 12 В. и т. д.
2) φ4 - φ1 = +4 – (-14) = 18 В; φ3 – φ2 = 0 – (-8) = 8 В;
φ4 – φ2 = +4 – (-8) = 12 В. и т. д.
В практических расчётах и измерениях важны не потенциалы отдельных точек цепи, а разность потенциалов между двумя точками электрического поля.
Рассчитанное напряжение между полюсами источника
U41 = φ4 - φ1 = 18 В. меньше ЭДС, напряжения между теми же точками электрической цепи, измеренное при отсутствии тока и равного 20 В. Напряжение потерялось на внутреннем сопротивлении источника: U = I R4 = 2∙1 = 2 В.
Внутреннее сопротивление характеризует потерю энергии в источнике. Чем меньше внутреннее сопротивление источника, тем больший ток от такого источника может быть получен.
В электротехнике за начало отчёта потенциала принят потенциал Земли, то есть это условная точка, потенциал которой считают равным нулю.