Электрическое поле и его характеристики. Закон Кулона. Электрический потенциал. Электрическое напряжение.

Электротехника

1.Электрическое поле и его характеристики. Закон Кулона. Электрический потенциал. Электрическое напряжение.-1стр.

2.Электрическая ёмкость. Конденсаторы: назначение, классификация. Способы соединения конденсаторов.-3стр.

3.Электрический ток: величина, направление, единица измерения.-5стр

4. Электрическое сопротивление и проводимость. Единицы измерений.-6стр

5.Замкнутая электрическая цепь и ее элементы. Закон Ома для замкнутой электрической цепи и ее участков.-7стр

6.Способы соединений сопротивлений.-9стр

7.Энергия и мощность электрического тока. Единицы их измерений.-11стр

8.Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.-11стр

9.Первый и второй законы Кирхгофа.13стр

10.Магнитное поле и его характеристики.14стр

11.Проводник с током в магнитном поле. Электромагнитная сила. Правило левой руки.-16

12.Ферромагнетизм. Магнитный гистерезис.-18стр

13.Магнитные цепи и основные законы магнитных цепей.-22стр

14.Явление электромагнитной индукции. Правило правой руки.23стр

15.Явление самоиндукции. Индуктивность катушки.24стр

16.Явление взаимной индукции. Взаимоиндуктивность.-25стр

17.Переменный ток. Параметры переменного тока.-25стр

18.Анализ цепи переменного тока с активным сопротивлением.-26стр

19. Анализ цепи переменного тока с индуктивным сопротивлением.-26стр

20. Анализ цепи переменного тока с ёмкостным сопротивлением.-30стр

21. Анализ цепи переменного тока с активно-индуктивным сопротивлением.-32стр

22. Анализ цепи переменного тока с активно-ёмкостным сопротивлением.-35стр

23. Анализ цепи переменного тока с последовательным соединением активного, индуктивного и ёмкостного сопротивления. Резонанс напряжений.-38стр

24. Анализ цепи переменного тока с параллельным соединением двух катушек индуктивности.-43стр

25. Анализ цепи переменного тока с параллельным соединением активного и ёмкостного сопротивлений.-47стр

26. Анализ цепи переменного тока с параллельным соединением активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений.-47стр

27.Резонанс токов: условие его возникновения, особенности.-49стр

28.Соединение обмоток генератора и потребителей электрической энергии звездой.-50стр

29.Симметричная и несимметричная нагрузки. Роль нулевого провода в схеме соединения звезда.-54стр

30. Соединение обмоток генератора и потребителей электрической энергии треугольником.-55стр

31.Переходные процессы и законы коммутации.-57стр

Электрическое поле и его характеристики. Закон Кулона. Электрический потенциал. Электрическое напряжение.

Электрическое поле и его характеристики.

Заряды взаимодействуют не только при соприкосновении наэлектризованных тел, но и тогда, когда эти тела находятся на расстоянии друг от друга. Вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов на расстоянии, называется электрическим полем.

Электрическое поле всегда существует вокруг электрического заряда и имеет две характеристики: силовую (напряженность электрического поля в данной точке) и энергетическую (потенциал электрического поля в данной точке).

Напряженность Е электрического поля в какой-либо точке измеряется силой F, с которой поле действует на единичный положительный точечный заряд q, помещенный в эту точку:

Е = F/ q.

Напряженность электрического поля – векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы F, действующей в данной точке на положительный заряд.

Потенциалом электрического поля в данной точке называется величина, численно равная значению потенциальной энергии единичного положительного точечного заряда, помещенного в этой точке.

Потенциалы точек электрического поля положительно заряженного тела положительны и уменьшаются по мере удаления от тела, а потенциалы точек электрического поля отрицательно заряженного тела отрицательны и увеличиваются при удалении от тела.

Потенциал наэлектризованного проводника становится тем больше, чем больше электричества сообщается ему.

Если электрическое поле создается несколькими зарядами, расположенными в различных точках пространства, то потенциал в каждой точке поля равен алгебраической сумме потенциалов полей всех зарядов в этой точке.

Разность потенциалов (ϕ 1 – ϕ 2) между двумя точками электрического поля получила название напряжения (U). Напряжение численно равно работе А, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками:

U = ϕ 1 – ϕ 2 = А / q.

В системе СИ за единицу разности потенциалов (единицу напряжения) принимается один вольт (1 В) – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при которой силы поля, перемещая один кулон электричества из одной точки в другую, совершают работу в один джоуль.

Если электрическое поле однородно, т.е. напряженность во всех точках поля постоянна по величине и направлению, то между напряженностью поля и разностью потенциалов существует взаимосвязь:

E = – U/ L, где L – длина силовой линии однородного электрического поля.

В системе СИ напряженность электрического поля измеряется в единицах вольт/метр (В/м). 1 В/м – это напряженность такого однородного электрического поля, у которого разность потенциалов на концах силовой линии длиной в 1 м равна 1 В.

Закон Кулона

Сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами пропорциональна величинам этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Электрический потенциал

Заряд, внесённый в электрическое поле, обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Для характеристики энергии, запасённой в каждой точке электрического поля, и введено специальное понятие — электрический потенциал. Потенциал электрического поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

Возвращаясь к аналогии с гравитационным полем, можно обнаружить, что понятие электрического потенциала сродни понятию уровня различных точек земной поверхности. То есть, как мы рассмотрим ниже, работа по поднятию тела над уровнем моря зависит от того, как высоко мы поднимаем это тело, и аналогично, работа по отдалению одного заряда от другого зависит от того, насколько далеко будут эти заряды.

Представим себе героя древнегреческого мира Сизифа. За его прегрешения в земной жизни боги приговорили Сизифа выполнять тяжёлую бессмысленную работу в загробной жизни, вкатывая огромный камень на вершину горы. Очевидно, что для подъема камня на половину горы, Сизифу нужно затратить вдвое меньшую работу, чем для подъема камня на вершину. Далее камень, волею богов, скатывался с горы, совершая при этом некоторую работу. Естественно, камень, поднятый на вершину горы высотой Н (уровень Н), при спуске сможет совершить большую работу, чем камень, поднятый на уровень Н/2. Принято считать уровень моря нулевым уровнем, от которого и производится отсчет высоты.

По аналогии, электрический потенциал земной поверхности считается нулевым потенциалом, то есть

ϕEarth = 0

где ϕEarth — обозначение электрического потенциала Земли, являющегося скалярной величиной (ϕ — буква греческого алфавита и читается как «фи»).

Эта величина количественно характеризует способность поля совершить работу (W) по перемещению какого-то заряда (q) из данной точки поля в другую точку:

ϕ = W/q

В системе СИ единицей измерения электрического потенциала является вольт (В).

Определение электрического напряжения

То есть электрическое поле должно было «протащить» электроны через нагрузку, и энергия, которая при этом израсходовалась, характеризуется величиной, называемой электрическим напряжением. Эта же энергия потратилась на какое-то изменение состояния вещества нагрузки. Энергия, как мы знаем, не пропадает в никуда и не появляется из ниоткуда. Об этом гласит Закон сохранения энергии. То есть, если ток потратил энергию на прохождение через нагрузку, эту энергию приобрела нагрузка и, например, нагрелась.

То есть, приходим к определению: напряжение электрического тока – это величина, показывающая, какую работу совершило поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение в разных участках цепи будет различным. Напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо большим, и зависеть величина напряжения будет от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула:

U=A/q,

где U - напряжение,
A – работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Напряжение на полюсах источника тока

Что касается напряжения на участке цепи – все понятно. А что же тогда означает напряжение на полюсах источника тока? В данном случае это напряжение означает потенциальную величину энергии, которую может источник придать току. Это как давление воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.

Вольтметр

Для измерения напряжения существует прибор, называемый вольтметром. В отличие от амперметра, он подключается не произвольно в любом месте цепи, а параллельно нагрузке, до нее и после. В таком случае вольтметр показывает величину напряжения, приложенного к нагрузке. Для измерения напряжения на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к полюсам прибора.

2.Электрическая ёмкость. Конденсаторы: назначение, классификация. Способы соединения конденсаторов.

В электростатическом поле все точки проводника имеют один и тот же потенциал, который пропорционален заряду проводника, т.е. отношения заряда q к потенциалу φ не зависит от заряда q. (Электростатическим называется поле, окружающее неподвижные заряды). Поэтому оказалось возможным ввести понятие электрической ёмкости C уединённого проводника:

C = q / φ.

Электроёмкость - это величина, численно равная заряду, который нужно сообщить проводнику, чтобы его потенциал изменился на единицу.

Ёмкость определяется геометрическими размерами проводника, его формой и свойствами окружающей среды и не зависит от материала проводника.

Единицы измерения для величин, входящих в определении ёмкости:

Ёмкость - обозначение C, единица измерения - Фарад (Ф, F);

Электрический заряд - обозначение q, единица измерения - кулон (Кл, С);

φ - потенциал поля - вольт (В, V).

Можно создать систему проводников, которая будет обладать ёмкостью гораздо большей, чем отдельный проводник, не зависящей от окружающих тел. Такую систему называют конденсатором. Простейший конденсатор состоит из двух проводящих пластин, расположенных на малом расстоянии друг от друга (Рис.1.9). Электрическое поле конденсатора сосредоточено между обкладками конденсатора, то есть внутри его. Ёмкость конденсатора:

С = q / (φ1 - φ2) = q / U

(φ1 - φ2) - разность потенциалов между обкладками конденсатора, т.е. напряжение.

Ёмкость конденсатора зависит от его размеров, формы и диэлектрической проницаемости ε диэлектрика, находящегося между обкладками.

C = ε∙εo∙S / d, где

S - площадь обкладки;

d - расстояние между обкладками;

ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками;

εo - электрическая постоянная 8,85∙10-12Ф/м.

При необходимости увеличить ёмкость конденсаторы соединяют между собой параллельно.

Рис.1.10. Параллельное соединение конденсаторов.

Cобщ = C1 + C2 + C3

При параллельном соединении все конденсаторы находятся под одним напряжением, а общий их заряд Q. При этом каждый конденсатор получит заряд Q1, Q2, Q3, ...

Q = Q1 + Q2 + Q3

Q1 = C1∙U; Q2 = C2∙U; Q3 = C3∙U. Подставим в вышестоящее уравнение:

C∙U = C1∙U + C2∙U + C3∙U, откуда C = C1 + C2 + C3 (и так для любого количества конденсаторов).

При последовательном соединении:

Рис.1.11. Последовательное соединение конденсаторов.

1/Cобщ = 1/C1 + 1/C2 + ∙∙∙∙∙ + 1/ Cn

Вывод формулы:

Напряжение на отдельных конденсаторах U1, U2, U3,..., Un. Общее напряжение всех конденсаторов:

U = U1 + U2 + ∙∙∙∙∙ + Un,

учитывая, что U1 = Q/ C1; U2 = Q/ C2; Un = Q/ Cn, подставив и разделив на Q, получимсоотношение для расчета емкости цепи с последовательныи соединением конденсаторов

Единицы измерения ёмкости:

Ф - фарад. Это очень большая величина, поэтому используют меньшие величины:

1 мкФ = 1 μF = 10-6Ф (микрофарада);

1 нФ = 1 nF = 10-9 Ф (нанофарада);

1 пФ = 1pF = 10-12Ф (пикофарада).

3.Электрический ток: величина, направление, единица измерения.

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, в процессе которого происходит перенос электрического заряда.

В металлическом проводнике, например, такими частицами являются свободные электроны. Они находятся в постоянном тепловом движении. Это движение происходит с высокой средней скоростью, но в силу его хаотичности не сопровождается переносом заряда. Выделим мысленно в проводнике элемент поверхности dS: за любой промежуток времени число электронов преодолевших эту поверхность слева направо будет в точности равно числу частиц прошедших через эту поверхность в обратном направлении. Поэтому заряд, перенесённый через эту поверхность, окажется равным нулю.

Ситуация изменится, если в проводнике появится электрическое поле. Теперь носители заряда будут участвовать не только в тепловом, но и в упорядоченном, направленном движении. Положительно заряженные носители будут двигаться по направлению поля, а отрицательные — в противоположном направлении.

В общем случае в переносе заряда могут принимать участие носители обоих знаков (например, положительные и отрицательные ионы в электролите).

Электрический ток может быть постоянным или переменным.

Постоянный ток - электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.

Основные физические величины:

Схема измерения силы тока.

Разность потенциалов (обозначение U). Поскольку генераторы действуют на электроны подобно водяному насосу, существует разность на его клеммах, которая и называется разностью потенциалов. Выражается она в вольтах (обозначение В). Если мы с вами измерим вольтметром разность потенциалов на входном и выходном соединении электроприбора, то увидим на нем показания 230-240 В. Обычно эта величина называется напряжением.

Сила тока (обозначение I). Допустим, когда подключают лампу к генератору, создается электрическая цепь, которая проходит через лампу. Поток электронов течет через провода и через лампу. Сила данного потока выражается в амперах (обозначение А).

Сопротивление (обозначение R). Под сопротивлением обычно понимают материал, который позволяет электрической энергии преобразовываться в тепловую. Сопротивление выражается в омах (обозначение Ом). Сюда можно добавить следующее: если сопротивление возрастает, то сила тока уменьшается, так как напряжение остается постоянным, и наоборот, если уменьшить сопротивление , то сила тока возрастет.

Мощность (обозначение Р). Выражается в ваттах (обозначение Вт) - она определяет количество энергии, потребляемой прибором, который в данный момент подключен к вашей розетке.

Направление

За направление тока принимают направление движения положительно заряженныхчастиц; если ток создаётся отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направлениетока считают противоположным направлению движения частиц.

Единица измерения

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах. Ампер является одной из семи основных единиц СИ. Один ампер — это сила постоянного тока, при котором заряд, равный одному кулону проходит через поперечное сечение за одну секунду. Ампер можно также определить как силу такого тока, который при прохождении по двум параллельным прямым проводникам бесконечной длины и малого диаметра, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 0,2 мкH.