Курс лекций по физике электротехника

Тени в ортогональных и аксонометрических проекциях

Электрические заряды. Закон Кулона Электрические заряды и электрически заряженные тела. Все вещества состоят из атомов и молекул. Важнейшими структурными элементами атомов являются элементарные частицы материи. Рассмотрим основные свойства двух из них: протонов и электронов. Протоны — частицы, обладающие положительным электрическим зарядом. Они входят в состав атомного ядра, сообщая ему положительный заряд.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля Электромагнитное поле имеет две взаимосвязанные стороны — электрическое и магнитное поля. Можно создать условия, когда в некоторой области пространства обнаруживаются или электрические, или магнитные явления. Вокруг заряженных неподвижных тел возникает только электрическое поле. Оно может быть также создано изменяющимся магнитным полем. Аналогично, в пространстве, окружающем неподвижные постоянные магниты, обнаруживается только магнитное поле. Простейшим случаем электрического поля является поле неподвижных зарядов, которое называют электростатическим.

Теорема Гаусса. Электрическое поле плоского конденсатора Поток вектора напряженности электрического поля. Для определения напряженности электрических полей, обладающих симметрией, применяется теорема Гаусса.

Электрический потенциал и напряжение На рис. 1.11 изображено электростатическое поле, создаваемое неподвижным точечным телом с положительным зарядом Q. В точку А этого поля помещена пробная частица, обладающая положительным зарядом q. Эта частица может перемещаться по направлению действующей на нее силы за пределы поля в бесконечно удаленную точку. При этом силами поля будет произведена работа за счет энергии поля тел с зарядами Q и q. Пробная заряженная частица имеет некоторую потенциальную энергию, которая уменьшается при переходе от точки к точке в электрическом поле по направлению линий напряженности. Она становится равной нулю за пределами электрического поля. При обратном перемещении заряженной частицы против сил взаимодействия ее с электрическим полем потенциальная энергия будет возрастать за счет работы внешней неэлектрической силы.

Связь между напряженностью однородного электрического поля и разностью потенциалов Каждая точка электрического поля характеризуется напряженностью Е и электрическим потенциалом ф. Первая величина численно равна силе, а вторая — потенциальной энергии единичного пробного заряженного тела, помещенного в данную точку электрического поля. Разность потенциалов двух точек поля называется электрическим напряжением. Теперь установим связь между напряженностью и электрическим напряжением.

Проводники, диэлектрики и полупроводники Проводники электрического тока. Явление электростатической индукции. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники бывают первого и второго родов. К проводникам первого рода относятся все металлы и их сплавы. Кристаллическая решетка металла состоит из ряда положительных ионов, между которыми по всем направлениям перемещаются свободные электроны. При отсутствии внешнего электрического поля свободные электроны в металле перемещаются беспорядочно, т. е. в самых различных направлениях.

Электрическая емкость конденсатора Конденсатором называют устройство, состоящее из двух металлических пластин или проводников произвольной формы (обкладок), разделенных ди­электриком. Простейший по устройству плоский конденсатор об­разуется плоскими параллельно расположенными металлически­ми пластинами, разделенными слоем изоляции

Энергия заряженного конденсатора Определим энергию, запасаемую в электрическом поле конденсатора. После заряда конденсатор отключим от источника питания. Так как на пластинах конденсатора останутся заряды +Q и –Q, то на каждую из пластин будут действовать механические силы. Сила F, действующая на положительно заряженную пластину, будет создаваться полем отрицательно заряженной пластины

Параллельное соединение конденсаторов При последовательном соединении конденсаторов их эквивалентная емкость уменьшается, а общее допустимое рабочее напряжение увеличивается. Так, цепь с последовательным соединением трех конденсаторов с одинаковой емкостью 3 мкФ и допустимым рабочим напряжением 200 В можно заменить одним конденсатором емкостью 1 мкФ и допустимым рабочим напряжением 600 В.

Электрический ток Для поддержания в проводнике электрического поля к нему нужно подключить источник электрической энергии. Под действием сил поля электрически заряженные частицы проводника приобретают упорядоченное движение вдоль линий напряженности поля. Направленное движение свободных заряженных частиц в проводнике под действием электрического поля называется электрическим током проводимости. В проводниках первого рода (металлы) ток образуется свободными электронами, поэтому электропроводность их называется электронной. В проводниках второго рода (расплавленные соли, растворы кислот, щелочей, солей) носителями тока, заряженными частицами, являются ионы.

Электрическая цепь. Упорядоченное движение электрически заряженных частиц (или электрический ток) в проводниках возникает под действием сил электрического поля. Для возникновения тока необходима замкнутая электрическая цепь. Простейшая цепь состоит из источника энергии с ЭДС Е, приемника электрической энергии с сопротивлением r и соединительных проводов. Кроме источников и приемников электрические цепи содержат большое число вспомогательных элементов, выполняющих разнообразные функции. К ним относятся выключатели и переключатели, электроизмерительные приборы, защитные устройства и др.

Пример 3.2. Определить сопротивление медных проводов телефонной линии длиной l= 28,5 км, диаметром провода d = 4 мм при температуре 20 °С. Решение. Площадь поперечного сечения провода S = πd2/4 = 3,14 • 42/4 = 12,56 мм2.

Закон Ома для электрической цепи. На рис. 3.11 дана неразветвленная электрическая цепь, где Е — электродвижущая сила источника энергии; гвн — внутреннее сопротивление источника; r— внешнее сопротивление цепи, т. е. сопротивление приемника энергии; I — сила тока в цепи. По всем участкам неразветвленной цепи проходит одинаковый ток. Все перечисленные величины связаны друг с другом. Эта связь впервые была установлена в 1827 г. немецким физиком Г. С. Омом и называется законом Ома, который формулируется следующим образом: сила тока I в цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе Е источника электрической энергии и обратно пропорциональна полному сопротивлению R цепи,

Начертательная геометрия Машиностроительное черчение Моделирование Математика Физика