книги из ГПНТБ / Сафонов А.С. Специальная электротехника учеб. для воен.-мор. команд.-инженер. училищ

дискретностью структуры (фотоны), способностью рас­ пространения в пустоте* (при отсутствии сильных гра­ витационных полей) со скоростью, близкой к 3-10ь м/с, и силовым воздействием на заряженные частицы в зави­ симости от их скорости.

Электромагнитное поле имеет две формы проявле­ ния — электрическое поле и магнитное поле. Электриче­ ское поле создается заряженными частицами, а также изменяющимся магнитным полем. Магнитное поле соз­ дается движущимися заряженными частицами, а также изменяющимся электрическим полем. Иными словами, электрическое и магнитные поля взаимосвязаны между собой и представляют две стороны единого электромаг­ нитного поля. Однако практически часто какая-либо сто­ рона электромагнитного поля бывает выражена больше другой. Поэтому значительно удобнее раздельно рассма­ тривать, электрическое и магнитное поля, раздельно изу­ чать основные законы, свойственные каждому из полей.

Электротехника, изучая способы производства и ис­ пользования электроэнергии, естественно изучает и элек­ тромагнитные процессы в электротехнических устройст­ вах. Полная картина этих процессов достаточно сложна. Однако, если в каждом конкретном случае в сложном электромагнитном процессе не рассматривать второсте­ пенную сторону, то в большинстве случаев процессы в электротехнических устройствах можно характеризовать относительно простыми соотношениями между электро­ движущей силой, напряжением, силой тока, магнитодви­ жущей силой и магнитным потоком. Поэтому общую тео­ рию электромагнитных явлений разделяют на два са­ мостоятельных раздела — теорию электрических и маг­ нитных цепей и теорию электромагнитного поля.

* Под пустотой понимается пространство, в котором материя существует только в виде поля.

10

Поэтому для характеристики тока по величине и напра­ влению принята плотность тока 5, определяемая уравне­ нием

Ь = ds—'

где ds— элемент поверхности, нормальный к направле­ нию движения заряженных частиц.

Следовательно, сила тока, проходящего через какуюлибо поверхность, является потоком вектора плотности тока через эту поверхность, т. е.

Положительным направлением электрического тока условились считать направление движения положитель­ но заряженных частиц под действием электрического поля.

§ 1.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Электрический ток, как отмечалось выше, возникает под действием электрического поля. Основными харак­ теристиками этого поля являются напряженность, элек­ трическое напряжение, потенциал и электродвижущая сила. Рассмотрим эти величины.

Напряженностью электрического поля называют ве­ личину, численно равную силе, действующей на единицу положительного заряда в данной точке поля. Следова­ тельно, если на положительный пробный заряд q дейст­ вует сила F, то напряженность Е в данной точке поля определится отношением

Поскольку сила является векторной величиной, то и напряженность поля есть векторная величина. Для на­ глядности электрическое поле графически изображают линиями вектора напряженности поля. Эти линии про-

12

водят так, чтобы касательные к ним в^ каждой точке сов­ падали по направлению с вектором Е. Совокупность та­ ких линий образует картину электрического поля. Поле считается однородным, если напряженность во всех его точках одинакова по величине и направлению, и неодно­ родным, если напряженность в различных точках поля различна по величине или направлению.

Если в электрическом поле переносится заряженная частица, то силы поля совершают определенную работу. При переносе частицы с зарядом q вдоль пути АВ в од-

Рис. 1.1. К определению напряжения между точками поля:-

а — равномерного; б — неравномерного

нородном поле (рис. 1.1, а) и неоднородном поле (рис. 1.1,6) совершаемую работу А соответственно мож­

Отношение работы по перемещению заряда из одной точки поля в другую к величине этого заряда называют

электрическим напряжением между этими точками. Оно обозначается буквой U и между точками А и В соот­

13

«•<">-

и напряжения, является вольт. Потенциал отдельной точ­ ки поля измеряется относительно поверхности земли, по­ тенциал которой принято считать равным нулю.

Если потенциалы двух точек поля различны, то пе­ ремещение заряда под действием поля будет из точки высшего потенциала к точке низшего потенциала подоб­ но тому, как груз падает с большей высоты на меньшую.

1 4

нике прекращается. Следовательно, для получения элек­ трического тока необходимы специальные устройства, которые непрерывно поддерживали бы разность потен­

гут являться, например, электрические генераторы, галь­ ванические элементы, аккумуляторы, термоэлементы.

Независимо от того, по какому принципу работает тот или иной источник электрической энергии, в каждом

создается зарядами на зажимах источника. Под влия­ нием этого поля положительные заряды движутся от высшего потенциала Va источника к низшему VB- Вну­ три же источника возникает помимо поля с напряжен­

15

т. е. внутри источника напряженность стороннего поля направлена от отрицательного зажима к положительно­ му. Следовательно, внутри источника под влиянием ве­ личины

J £ C I d 7 = V + - V _

ВлА

происходит разделение зарядов, благодаря чему на од­ ном конце получается избыток положительных, а на другом — отрицательных зарядов. Если бы этого не было, то переход положительных зарядов во внешней части контура к зажиму с отрицательными зарядами привел бы к выравниванию потенциалов на зажимах источника и к прекращению тока.

Таким образом, в источнике электрической энергии под действием сторонних сил непрерывно происходит разделение электрических зарядов. В результате на за­ жимах источника создается разность потенциалов и в контуре возникает электрический ток. Эти процессы про­ исходят вследствие преобразования какого-либо вида энергии в электрическую внутри источника.

Физическая величина, вызывающая движение заря­ дов внутри источника и создающая разность потенциа­ лов на его зажимах, называется электродвижущей си­ лой источника. Э. д. с. обозначается буквой Е или е и численно равна работе, совершаемой .силами стороннего поля при переносе частицы с положительным зарядом, равным единице, по пути / действия сторонних сил. Ма­ тематически это запишется так:

С другой стороны, под действием э. д. с. происходит перемещение этого же заряда по всему замкнутому кон­ туру. Следовательно, э. д. с. численно равна работе, со­ вершаемой при перемещении единичного положительно­ го заряда по всему контуру. Другими словами, э. д. с. равна сумме напряжений на всех участках этого кон­ тура

16

В частном случае, когда отсутствует ток в контуре (внешний контур разомкнут), э. д. с. источника равна разности потенциалов или напряжению на его зажимах, т. е.

при разомкнутом внешнем контуре вольтметром. Необ­

Природа э. д. с. может быть электромагнитной, элек­ трохимической и другого вида. В частности, в электри­ ческих генераторах э. д. с. обусловливается электромаг­ нитной индукцией; в гальванических элементах и акку­ муляторах— соприкосновением проводников различного химического состава.

§ 1.4. МАГНИТНЫЙ ПОТОК. МАГНИТОДВИЖУЩАЯ СИЛА

Магнитное поле, как указывалось ранее, создается движущимися заряженными частицами и наблюдается около проводников с электрическими токами и постоян­ ных магнитов, в которых в той или иной форме дви­ жутся электрически заряженные частицы.

Основными величинами, характеризующими магнит­ ное поле, являются магнитная индукция, магнитный по­ ток, напряженность магнитного поля и магнитодвижу­ щая сила.

Под магнитной индукцией понимают отношение силы, действующей на элемент проводника с электрическим током, к произведению силы тока и длины элемента про­ водника. Если на элемент проводника длиной dl, по кото­ рому течет ток силой і и который расположен перпенди­ кулярно к направлению магнитного поля, действует

сила dF, то магнитная индукция определится выраже­ нием

2—716

Графически магнитное поле изображают линиями вектора магнитной индукции. Эти линии проводят так, чтобы касательные к ним в каждой их точке совпадали по направлению с вектором В. Совокупность таких ли­ ний образует картину магнитного поля. Поле называется однородным, если магнитная индукция во всех точках поля одинакова по величине и направлению.

Магнитным потоком называется поток вектора маг­ нитной индукции через некоторую поверхность s. Маг­ нитный поток обозначается буквой Ф и определяется по выражению

Отметим, что магнитный поток непрерывен, так как линии вектора магнитной индукции всегда замкнуты. Поэтому магнитный поток, входящий в любую замкну­ тую поверхность s, равен потоку, выходящему из нее, т. е. магнитный поток через замкнутую поверхность ра-

18