Электрическое поле и его характеристики

Раздел 1 Электрическое поле

1.Электрическое поле и его характеристики

2. Физические процессы в проводниках

3.Диэлектрики в электрическом поле.                                                                                

Электротехника - это наука о процессах, связан­ных с практическим применением электрических и магнитных явлений.

Электромагнитные явления - это явления связанные с существованием заряженных частиц и их взаимодействием между собой.

Физические процессы в проводниках

Главное свойство электрического поля -   оказывает силовое действие на попадающие в него заряженные частицы!
 Под действием электрического поля все вещества, атомы которых содержат заряженные частицы, ведут себя по-разному.

Их делят на проводники, полупроводники и диэлектрики. В чем же заключается различие?

Проводники – материалы, в которых связи между положительно заряженным ядром и наиболее удаленными от него электронами очень слабы. Эти электроны (их называют “свободными ”) под действием поля оставляют свои атомы и образуют поток частиц, т.е. электрический ток. Это касается металлических проводников. Так как электроны имеют отрицательный заряд, то они движутся в сторону клеммы (+) источника. Но в электротехнике за положительное направление электрического тока было принято направление, противоположное этому. Т.е.,ток направлен от клеммы (+) к  клемме (–) источника.

Основные понятия:

Электрическим током (обычно обозначается буквой I) в электротехнике называется направленное движение электронов в проводниках (проводах) и внутри электроприборов под действием электрического поля.  Сила тока измеряется в Амперах и обозначается буквой А.

Движение электронов по проводнику тормозится вследствие столкновения их с атомами или ионами проводника, при воздействии внешних полей и другими причинами. Возникающее противодействие проводника направленному движению электронов называется сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (Ом) и обозначается R.

Свойство проводника к образованию тока под действием электрического поля называют электрической проводимостью. Это величина обратная сопротивлению. Электрическая проводимость измеряется в Сименсах   (См) и обозначается G  или g.

                                                 g =1/ R

Связь между напряжением (U), сопротивлением (R) и током (I)  в проводнике  устанавливает закон Ома: I=U/R

Согласно этому закону ток, протекающий по проводнику  прямо пропорционален напряжению на концах проводника, и обратно пропорционален его сопротивлению.

Закон Ома, можно выразить также через проводимость: I=U∙ g

При прохождении тока  через проводник происходит выделение тепла.

       Закон Джоуля - Ленца

Количество теплоты, выделяемое проводником с током I на сопротивлении R, пропорционально произведению квадрата силы тока, на сопротивление и на время прохождения тока:

                                                  Q = I ^2∙ R ∙ t

Скорость преобразования электрической энергии источника в тепловую энергию в проводнике называют электрической мощностью. Электрическая мощность обозначается латинской буквой   Р и измеряется в Ваттах (Вт).

Мощность, выделяемая при прохождении тока:

                                                P = U ∙ I = I ² ∙ R = U ² / R

Раздел 2 Электрические цепи постоянного тока

1.Электрическая цепь и ее элементы.

Закон Ома для всей цепи

 Этот закон определяет зависимость между ЭДС E источника питания с внутренним сопротивлением r ₀,током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением  R_Э=r₀+R  всей цепи (Рис. 1):

                                        

2.3   Режимы работы электрических цепей

Электрические цепи и их элементы могут работать в различных режимах в отношении величин напряжений, токов и мощностей. Наиболее характерными являются номинальный и согласованный, а также режимы холостого хода (х.х) и короткого замыкания (к.з).
Номинальным режимом работы элемента электрической цепи считается режим, при котором он работает с номинальными параметрами указанными заводом-изготовителем.
Согласованным является режим, при котором мощность, отдаваемая источником или потребляемая приемником, имеет максимальное значение. Такое значение получается при определенном соотношении (согласовании) параметров электрической цепи: R= r₀
Под режимом холостого хода понимается такой режим, при котором через источник или приемник не протекает электрический ток. При этом источник не отдает энергию во внешнюю часть цепи, а приемник не потребляет ее. В цепи обрыв  или нагрузка отключена R= : ток Iх.х.=0

Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при соединении между собой разноименных зажимов источника или пассивного элемента, а также участка электрической цепи, находящегося под напряжением  При коротком замыкании (к.з.) R=0; ток возрастает Iк.з.=E/ r₀

В действующей цепи электрическая энергия источника питания преобразуется в другие виды энергии. На участке цепи с сопротивлением R в течение времени t при токе I расходуется электрическая энергия

                                                     W = I ² R t.

Скорость преобразования электрической энергии в другие виды представляет электрическую мощность

                                            .                                                                         

Из закона сохранения энергии следует, что мощность источников питания в любой момент времени равна сумме мощностей, расходуемой на всех участках цепи.

                                                                                                  

Это соотношение называют уравнением баланса мощностей.

При составлении уравнения баланса мощностей следует учесть, что если действительные направления ЭДС и тока источника совпадают, то источник ЭДС работает в режиме источника питания, и произведение EI подставляют в уравнение   со знаком плюс. Если не совпадают, то источник ЭДС работает в режиме потребителя электрической энергии, и произведение EI подставляют со знаком минус. Для цепи, показанной на (рис. 1) уравнение баланса мощностей запишется в виде:

                                                          EI=I²∙(r₀+R)

3) Законы Кирхгофа

 

Первый закон Кирхгофа

 Первый закон Кирхгофа говорит  о том, что алгебраическая сумма токов в любом узле абсолютно любой электрической цепи равна нулю. Или  сумма втекающих токов, равна  сумме вытекающих из узла токов. Узлом в сети называется такой участок цепи, в котором соединяются три и более проводника. Ток, входящий в узел, обозначается стрелочкой, имеющей направление к узлу, а вытекающий - стрелочкой, имеющей направление от узла.При этом положительные и отрицательные знаки токам присвоены условно и если вы поменяете их с точностью до наоборот, то ничего принципиально не изменится.

Второй закон Кирхгофа

Раздел 1 Электрическое поле

1.Электрическое поле и его характеристики

2. Физические процессы в проводниках

3.Диэлектрики в электрическом поле.                                                                                

Электротехника - это наука о процессах, связан­ных с практическим применением электрических и магнитных явлений.

Электромагнитные явления - это явления связанные с существованием заряженных частиц и их взаимодействием между собой.

Электрическое поле и его характеристики

Все электрически нейтральные тела построены из мельчайших  электрически заряженных частиц протонов и электронов. Заряд элементарных частиц - протонов называют положительным, а заряд электронов – отрицательным. Заряженные частицы взаимодействуют между собой одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются. Электрическое взаимодействие  возникает между частицами   (телами)  без контакта друг с другом. Посредником, с помощью которого электрические заряды (тела) взаимодействуют друг с другом,  является особый вид материи, который называют электрическим полем.

Сила взаимодействия заряженных частиц определяется законом Кулона.

Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

 Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы (рис.1)

                                      Рисунок 1

F₁₂ = k · (|q₁| · |q₂|) / r²

где |q1|, |q2| – модули зарядов, r – расстояние между зарядами, k – коэффициент пропорциональности.

Коэффициент k в СИ принято записывать в форме:

k = 1 / (4πε₀ε)

где ε₀ = 8,85 ∙ 10^-12 Кл/Н∙м² – электрическая постоянная,

 ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Для вакуума  ε = 1

Характеристики электрического поля:

 Напряжённость электрического поля – это его силовая характеристика. Суть этой характеристики в том, что поле действует на любой заряд внутри него с некоторой определённой силой, а, следовательно, эту силу можно измерить и определить интенсивность её воздействия.

Напряжённость — векторная величина определяющая силу,

действующую на заряженную частицу или тело со стороны электрического, и численно равная отношению силы к заряду частицы.

 Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M]

 

Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы, действующей на частицу с положительным зарядом. Электрическое поле изображают с помощью силовых линий. 

 

                    

 

       Рисунок 2- Электрическое поле положительного и отрицательного зарядов

 Электрический потенциал- энергетическая характеристика поля.

Но у электрического поля есть и другая характеристика, которую можно назвать запасом энергии.  Заряд, помещенный  в электрическое поле, начинает двигаться вдоль силовых линий поля, а, следовательно, он совершает определённую работу. Энергия сосредоточена в каждой точке электрического поля и может высвобождаться в такие моменты. Для этой характеристики электрического поля ввели специальное понятие – электрический потенциал. Он существует для каждой конкретной точки и его значение будет равно той работе, которую совершат силы при перемещении заряда.

Потенциал (φ) — это энергетическая характеристика поля численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы помещенной в данной точке поля к величине её заряда.

                                 φ = W/ q = А/ q [В]

 Как уже было сказано ранее, каждая точка электрического поля обладает потенциалом, а между двумя разными точками образуется разница потенциалов, ее называют электрическим  напряжением.

Разность потенциалов (φ 1 – φ 2) между двумя точками электрического поля получила название напряжения (U). Напряжение численно равно работе А₁₂, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками поля

                               U = φ 1 – φ 2 = А₁₂ / q [В]