Фізичні основи електротехніки
Електромагнітне поле - це особливий вид матерії, яка проявляє свої властивості з електричними зарядами. Заряджені частинки - основна структурна частина атомів і молекул речовин. Заряджені частинки оточені електромагнітним полем. Основна властивість заряджених частинок - їх заряд. Заряд - є характеристика речового носія. Електричні заряди взаємодіють між собою за допомогою магнітного поля. Т.ч. кожен заряд є джерелом електромагнітного поля і в той же час є об'єктом впливу від інших зарядів. Заряд і електромагнітне поле нероздільні. Електричний заряд - фізична величина, яка визначає інтенсивність електромагнітної взаємодії.
Електромагнітне поле має дві взаємопов'язані сторони: електричне поле і магнітне поле. Взагалі-то поле єдине, але при певних умовах можна розглядати одну з його сторін.
У загальному випадку електричне і магнітне поля взаємопов'язані - єдине електромагнітне поле. У стаціонарних полях кожне з них має відносну самостійність і може розглядатися окремо.
В якості кількісної оцінки електромагнітного поля взято вплив поля на заряд. Сила взаємодії поля і заряду визначається силою Лоренца, яка враховує дві сторони електромагнітного поля: електричне і магнітне поля:
.
Тут: q- заряд,
1. Ел. полем називають одну з двох сторін електромагнітного поля, яка впливає на нерухомий електричний заряд силою, пропорційною величиною заряду (і політично незалежної від швидкості руху):
Основний фізичної величиною, що характеризує силову дію електричного поля в кожній точці і в кожен момент часу є вектор напруженості електричного поля
2.Магнітним полем називають одну з двох сторін електромагнітного поля, яка впливає на рухомий електричний заряд силою, пропорційною величиною заряду і швидкості його руху:
Основний фізичної величиною, що характеризує силову дію магнітного поля в кожній точці і в кожен момент часу є вектор магнітної індукції
Електричне поле
Електричні заряди є джерелами електричного поля. Електричне поле характеризується напруженістю електричного поля. Напруженість електричного поля
де Fе - сила, яка визначається законом Кулона; r- відстань між центрами зарядів; Ф / м - електрична постійна (діелектрична проникність вакууму).
Напрямок напруженості електричного поля збігається з напрямком сили, що діє на частинку (пробне тіло) з позитивним знаком (тіла з однаковими зарядами відштовхуються, а тіла з зарядами різних знаків притягуються).
Зв'язок між напруженістю електричного поля і зарядом висловлює теорема Гаусса для електричного поля в вакуумі:
Потік вектора напруженості електричного поля крізь довільну замкнуту поверхню в вакуумі пропорційний заряду, що знаходиться всередині цієї поверхні.
Електричне поле в речовині.
Якщо зовнішнє електричне поле створюється в діелектрику, то під дією сил цього поля в діелектрику відбувається зміщення зв'язаних зарядів в молекулах речовини ( "+" - в напрямку ліній поля, "" - в протилежну сторону). Зсув зарядів в речовині під дією сил електричного поля називається поляризацією речовини.
Ступінь поляризації діелектрика при впливі електричного поля оцінюється вектором поляризованности
де
Електричне поле в діелектрику є накладення двох полів - зовнішнього і внутрішнього. Внутрішнє поле виникає тільки при наявності зовнішнього поля за рахунок поляризації діелектрика і в більшості випадків зникає при відсутності зовнішнього поля (маються діелектрики будучи поляризованими зовнішнім полем, зберігають залишкову поляризацію - сегнетоелектрики і електрети).
Для характеристики електричного поля в речовині вводять поняття вектора електричного зміщення
З урахуванням відносної діелектричної сприйнятливості діелектрика, отримаємо:
.
Тут - абсолютна діелектрична проникність речовини;
Відносна діелектрична проникність речовини характеризує ступінь здатності речовини полярізовиваться (у скільки разів поле в діелектрику слабкіше, ніж в порожнечі). Для всіх речовин
Тоді отримуємо узагальнену теорему Гаусса:
Потік вектора електричного зміщення крізь довільну замкнуту поверхню дорівнює вільному заряду, що знаходиться всередині цієї поверхні.
Для більшості речовин відносна діелектрична проникність постійна, тобто практично не залежить від напруженості електричного поля (лінійні діелектрики). Ця лінійність має обмеження зверху (гранична напруженість електро. Поля - пробій діелектрика; величина напруженості ел. Поля, при якій настає пробою називають електричною міцністю діелектрика - для повітря Епр = 30кВ / см).
З узагальненої теореми Гаусса для однорідного середовища (a = сonst):
.
Якщо r = 1, то отримуємо вихідну теорему Гаусса.
Потенціал, напруга електричного поля.
Енергетичної характеристикою поля є потенціал. Електричне поле нерухомих зарядів (електростатичне поле), поле постійних струмів (стаціонарне електричне поле) є потенційними: потенціал не залежить від форми шляху, по якому переміщається заряд з однієї точки в іншу. В електричному ланцюзі змінного струму має місце квазістаціонарне електричне поле. Це дозволяє охарактеризувати потенційну електричне поле в кожній його точці скалярною величиною, яка є функцією координати - потенціалом.
Потенціал будь-якої точки електричного поля (точка "N") чисельно дорівнює роботі сил поля по переміщенню одиничного позитивного заряду з даної точки поля в точку, потенціал якої дорівнює нулю (поверхню землі або нескінченно віддалена точка):
Здійснюється нормування потенціалу на нуль в нескінченності.
Електрична напруга - є робота сил поля по переміщенню одиничного позитивного заряду (q = 1Кл) між точками поля:
.
Різниця потенціалів (напруга) є фізична величина, що дорівнює лінійному інтегралу від вектора напруженості потенційного поля взятому від однієї точки до іншої, і незалежна від вибору шляху інтегрування між цими точками.
Основною характеристикою електричного поля є вектор напруженості. Для потенційного поля можна користуватися скалярною характеристикою - потенціалом, як енергетичної характеристикою.
В електричному ланцюзі постійного струму існує стаціонарне електричне поле - на відміну від електростатичного поля нерухомих зарядів. Воно підтримується ЕРС джерел енергії. Джерело напруги безпосередньо створює і підтримує надлишкові заряди, розподілені по провіднику. Заряди в свою чергу підтримують стаціонарне електричні. поле. Ці надлишкові заряди розподіляються по поверхні проводів (не всередині.), А джерело виключає самонейтралізації.
Стаціонарне електричне поле на відміну від електростатичного створюється і підтримується джерелом ЕРС, і це поле існує не тільки в діелектрику навколо провідників, але і всередині провідників. Стаціонарне електричне поле також як і електростатичне є потенційним (в області поза джерел ЕРС).
В електричному ланцюзі змінного струму має місце квазістаціонарне ел. поле, якщо швидкість зміни електричного поля і довжина лінії невеликі. Умовою квазістаціонарності змінного струму (і створюваного ним поля) є вимога, щоб час поширення хвилі вздовж заданої довжини проводу було значно менше періоду:
,
де
