Сборник задач по физике Плотность тока и закон Ома Электромагнетизм Правила Кирхгофа Электромагнитная индукция Кинематика материальной точки Методика решения задач по кинематике Основные представления об электричестве Оптика

Если тепловая и электромагнитная энергия по сути аналогичны друг другу в тепловых и электрических процессах, то потенциал аналогичен температуре, также как аналогичны феноменологические термины теплоты и электричества. И как теплота переходит из области высоких температур в область низких температур, так и электричество переходит из области с высоким потенциалом в область с низким потенциалом. Так возникло понятие электрического тока I, как перетока определённого количества электричества Q=It от высокого потенциала к низкому. Единицей измерения электрического тока в системе СИ установлен Ампер (А). Таким образом, если мы знаем механические и электромагнитные свойства используемого электромагнитным полем физического пространства, а также его геометрию, мы можем всегда рассчитать мощности, возникающие при протекании токов в этом пространстве. Используя различные элементы, в том числе проводники и изоляторы, можно создать электрическую схему преобразования электрического сигнала - либо из элементов на бумаге, с последующим математическим расчётом по приведённым выше соотношениям между током и напряжением (см. закон Ома) , либо из компонентов на лабораторном стенде с последующим измерением напряжений и токов измерительными приборами. В первом случае мы имеем так называемое математическое моделирование, а во втором случае – аналоговое моделирование.

Электротехники, пользуясь тем, что в большинстве случаев применяются линейные элементы, а также то, что применяемые источники выдают либо постоянный, либо гармонический сигнал, пошли путём упрощения модели и разработки простых методов расчёта системы уравнений. Понижение порядка системы уравнений за счёт огрубления модельного представления (снижение количества ветвей и узлов) также вполне допустимо, так как все электротехнические устройства выполняются с определёнными допусками. Как мы поступили с источником, также можно поступить и с нагрузкой. В этом случае мы имеем дело с двумя «чёрными ящиками», оборудованных выходными клеммами. Их называют двухполюсниками. Если какой-либо двухполюсник содержит источник, то его называют активным, если не содержит, то пассивным. В приведённой выше схеме сопротивление Z может рассматриваться как пассивный двухполюсник

Основные представления об электричестве. Ток и напряжение – параметры математических моделей электроприборов. Энергия и мощность – почувствуйте разницу между физиками и электротехниками. 3 великих элемента – резистор, индуктивность и конденсатор, их линейность и нелинейность. Закон Ома. Источники электрической энергии и их возможности. Идеальные модели источников. Составляем принципиальные схемы электроприборов и их математические модели. Законы или правила Кирхгофа. Делители напряжений и токов. Возможные методы упрощения систем уравнений (метод узловых потенциалов и эквивалентного источника). Машинный метод решения уравнений. Знакомство с программой Micro CAP.

Электромагнитное взаимодействие – одно из 4 фундаментальных взаимодействий.

Оно проявляется в виде неких электрических и магнитных (электромагнитных) сил, действующих на частицы, способные их почувствовать. Возможность совершения этими силами работы мы воспринимаем, как электромагнитную энергию. Пространство, в каждой точке которого заряженная частица может ощущать воздействие этих сил, будем называть электромагнитным полем.

И если физика занимается сущностью этой энергии, то электротехника, используя физические знания, занимается созданием устройств, способных решить задачи генерации электромагнитной энергии, её передачу с минимальными потерями и использования для достижения целей потребителя. За 200 лет своего развития электротехника полностью преобразила нашу цивилизацию. Мы уже не можем представить себе жизнь без развитой промышленности, информационных технологий, транспорта и многоэтажных городов, основой которых являются современные технологии и системы жизнеобеспечения, включающие перекачку огромных потоков жидкости, перемещение материалов и их обработку.

В то же время факт наличия или отсутствия электромагнитной энергии можно представить себе как бит информации. И это привело к созданию информационных систем и технологий, начиная от простейших устройств автоматизации до телевидения и интернета. Поэтому дальше мы будем рассматривать два направления электротехники – силовую электротехнику, где требуются значительное количество электромагнитной энергии, и электронику, где нужно обозначить лишь факт её присутствия.

В 2005 году на генерацию электромагнитной энергии в мире было истрачено около 1020 Дж энергоресурсов (в пересчёте на каменный уголь 1010 т, несколько куб.км). Из них, к сожалению, около 70% это невозобновляемое органическое топливо, что ставит задачи как энергосбережения, так и развития альтернативных источников.

Источником электрических и магнитных сил является пространственные совокупности частиц с отрицательным или положительным электрическим зарядом. Зависимость силы взаимодействия между двумя разнополярными частицами с зарядами q1 и q2 от расстояния представляется законом Кулона. Полярность частиц (носителей заряда) определяет направление электрической силы. Однополярные заряды отталкиваются, разнополярные – притягиваются.

 ( Электрические явления вообще происходят так, как если бы существовали два особых вещества или флюида, действующих друг на друга по закону Кулона, т.е. с силой пропорциональной произведению взаимодействующих количеств и обратно пропорциональной квадрату их расстояния.  Эти флюиды для краткости называют положительным и отрицательным электричествами).

Если совокупность заряженных частиц (флюид), являющаяся источником данной силы, не изменяет своей конфигурации, то мы имеем дело с электростатическим полем, в котором действуют электрические силы, FE (x,y,z,t).

Если конфигурация данной совокупности меняется, то в добавление к электрическим силам возникают магнитные силы, FM (x,y,z,t).

И в этом проявляется дуальность электрических и магнитных полей – одно постоянно порождает другое. Поэтому и говорят об электромагнитном поле или взаимодействии..

Электрические и магнитные (электромагнитные) силы могут совершать работу, перемещая (изменяя вектор скорости) заряженные частицы. Эта работа может быть механической – совершённой против механических сил, удерживающих данные частицы, а также электромагнитной – совершённой по изменению конфигурации электромагнитного поля.

Возможность совершения этой работы электромагнитными силами будем называть энергией электромагнитного поля. Таким образом, электромагнитная энергия может превращаться в механическую энергию (движение, тепло, свет и т.п.) – активная энергия, а также оставаться в собственном виде, но с изменением конфигурации поля – реактивная энергия. Соответственно, полная мощность действия электромагнитного поля равна сумме активной мощности и реактивной мощности.

S= Р+ Q

Электрическое поле вызывает смещение заряженных частиц, т.е. электрическая энергия переходит в магнитную энергию. Но магнитная энергия вызывает новое распределение электрического поля, т.е. меняет его энергию. И магнитная энергия таким образом переходит в электрическую. И этот дуальный процесс бесконечен, пока существует реактивная энергия, которая является источником электромагнитных колебаний и, соответственно, электромагнитных волн. Поскольку электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим (см. Закон Кулона), то мы можем ощущать эти электромагнитные колебания (волны) на сколь угодно большом удалении от нашего «волнующегося флюида».

Электромагнитные силы, как и все другие физические силы, имеют направление, т.е. их можно представить векторами (векторными функциями). В тоже время можно найти скалярную функцию j (x,y,z,t), производная которой по осям координат будет представлять проекцию вектора на эти оси. Значение этой функции в каждой точке пространства называют либо электрическим j либо магнитным А потенциалом(от лат. potentia - сила).

Математически FE (x,y,z,t)= grad j = (j/x + j/y + j/z),

 FM (x,y,z,t)= grad A

 (Первым, указавшим на существование такой  функции, а именно у сил тяготения, был Лаплас ("Меcanique Celeste"); а самый термин «Потенциальная функция» встречается в сочинении Грина: "An  essay on the application of mathematical analysis to the theories of electricity  and magnetism",1828 г.

Если мы имеем наэлектризованные тела, то потенциал  U в любой точке М пространства равен работе, которую могут произвести электрические  силы при переходе единичного заряда из М по произвольному пути в бесконечность.

Более практично применение разности потенциалов в двух точках пространства, занятого электромагнитным полем, или просто напряжения U= (j1-j2). Единицей измерения напряжения и потенциалов в системе СИ установлен Вольт (В).


Явление электромагнитной индукции