Електричне поле
Вступ. Загальні положення
1.Основні визначення.
2.Величини електричного кола.
3.Параметри електричного кола.
4.Елементи електричного кола.
1.Основні визначення.
1.Електричне коло – це сукупність пристроїв, що генерують, передають, перетворюють та споживають електричну енергію.
2.Пристрої, призначені для генерування електричної енергії, називають джерелами електричної енергії, або джерелами живлення, або джерелами електрорушійної сили (ЕРС), або джерелами струму.
Джерела живлення бувають:
- машинні (генератори постійного та змінного струму);
- електростатичні (хімічні, сонячні, атомні та інші).
3.Пристрої, що споживають електричну енергію, називаються приймачами електричної енергії або навантаженням.
Приймачами електричної енергії можуть бути:
- провідні електродвигуни різних типів;
- лампи розжарювання, нагрівальні та освітлювальні прилади;
- електрохімічні та радіотехнічні прилади тощо.
4.Перетворювачі електричної енергії можуть розглядатися для різних сторін електричного кола як джерела або як споживачі енергії (наприклад, трансформатори).
5.Кожний пристрій електричного кола має назву елемента електричного кола.
2.Величини електричного кола.
1.До величини електричного кола належать:
- електричний струм;
- напруга на елементах;
- електрорушійна сила.
2.Електричний струм – це спрямований рух носіїв електричних зарядів.
Прийняті позначення:
І – сила постійного струму;
і – миттєве значення змінного струму.
3.Напруга – це енергія, яку витрачає кожний електричний заряд у приймачі електричної енергії.
Прийняті позначення:
U – постійна напруга;
u – миттєве значення змінної напруги.
4.Електрорушійна сила(ЕРС) – це енергія, яку одержує кожний електричний заряд у джерелі електричної енергії.
ЕРС позначається так:
Е – постійна ЕРС;
е – миттєве значення змінної ЕРС.
5.Умовно – додатні напрями струму, напруги та ЕРС визначаються так:
- умовно–додатний напрям струму – це напрям руху позитивних зарядів (далі – додатний напрям струму, або напрям струму);
- умовно–додатний напрям напруги – це напрям зменшення потенціалу (далі – додатний напрям напруги, або напрям напруги);
- умовно–додатний напрям ЕРС - це напрям дії сторонніх сил у джерелі живлення (далі – додатний напрям ЕРС, або напрям ЕРС).
Умовно – додатні напрями струму та ЕРС джерела збігаються. Умовно – додатні напрями струму та напруги на елементах споживача збігаються. Умовно – додатні напрями струмів, напруг та ЕРС на схемах позначаються стрілками.
3.Параметри електричного кола.
1.До параметрів електричного кола належать:
- опір (провідність);
- ємність;
- індуктивність;
- взаємна індуктивність.
2.Опір(R) характеризує спроможність елемента перетворювати електричну енергію на тепло. Інколи замість поняття опору вживається поняття провідності.
3.Ємність(С) характеризує спроможність елемента накопичувати електричні заряди ( тобто збуджувати електричне поле).
4.Індуктивність (L) характеризує спроможність елемента збуджувати магнітне поле (перетворювати електричну енергію на магнітне поле).
5.Взаємна індуктивність (М) характеризується впливом індуктивних параметрів один на одного.
4.Елементи електричного кола.
1.У загальному випадку кожний реальний елемент має R, L та C. Інколи є можливість обмежитися лише одним параметром. Такі елементи, що мають тільки один параметр, називаються ідеальними.
Наприклад, ідеальне джерело має тільки Е, ідеальний опір – тільки R тощо.
2.Елементи електричного кола бувають активними та пасивними. Якщо роботу елемента описують за допомогою поняття параметрів (R, L, C та М), цей елемент – пасивний. Якщо для опису роботи елемента потрібно вживати поняття величини.
Електричне поле.
1.Фізична суть електричного поля.
2.Напруженість поля, потенціал і напруга.
3.Електрична ємність конденсатора
4. З’єднання конденсаторів.
1.Фізична суть електричного поля.
Загальне поняття про електричне поле склалося в результаті вивчення електричних явищ –притягування та відштовхування наелектризованих тіл (натиранням рідними матеріями).
Електричне поле виявляється в просторі зарядженими частинки та тіла з якими це поле пов’язано.
Головною властивістю електричного поля є силова дія на електричну частинку і ця дія пропорційна заряду частинки і не залежить від її швидкості.
Електричне поле нерухомих заряджених частинок при відсутності в них електричного струму називається електростатичним.
В результаті дослідів французький фізик Кулон в 1785р. встановив закон , що визначає силу взаємодії двох наелектризованих тіл.
Закон Кулона
Сила взаємодії двох точкових заряджених тіл прямо пропорційна добутку зарядів цих тіл і обернено пропорційно квадрату відстані між ними. 
Fe-Електрична сила , Н.
Q1,Q2- електричні заряди, Кл
r –відстань між зарядженими частинами, м
о – електрична постійна =8,8510-12 Ф/м
Ця формула записана для випадку взаємодії точкових тіл у вакуумі (повітря)
2.Напруженість поля, потенціал і напруга.
Силовою характеристикою електричного поля являється напруженість електричного поля.
Напруженість електричного поля - векторна величина , чисельно рівна відношенню сили, що діє на позитивно заряджену частинку, до його заряду.
Е = Fe /Q2
Е- напруженість електричного поля , В/м
Напруженість електричного поля в любій точці
E = Q/(4оr2)
Для наочного зображення електричного поля проводять лінії напруженості ( силові лінії що виходять із додатного заряду).
Електричне поле називають однорідним , якщо у всіх точках напруженість поля однакова по величині и напрямку.
Вільна частинка з додатнім зарядом Q в електричному полі буде переміщуватись в напрямку дії на неї електричної сили Fe і при переміщенні частинки з точки 1 в точку 2 виконується робота А1,2 =Fel
Відношення роботи сил електричного поля по переміщенню електрично-зарядженої частинки між двома точками до величини заряду частинки називається електричною напругою між цими точками.
U = A1,2 /Q
U-напруга електрична, В
А1,2 –робота, Дж.
Електричний потенціал - використовується для розрахунків і є також характеристика електричного поля .
Відношення потенціальної енергії зарядженої частинки , що знаходиться в деякій точці електричного поля до величини її заряду виражає потенціал поля в цій точці
1 = А1/Q 2 = A2/Q U1,2 = 1 - 2
3.Електрична ємність конденсатора.
Електричний конденсатор – це система, що складається із двох провідників (обкладок, пластин), розділених діелектриком.
Конденсатори мають властивість накопичувати на своїх обмотках електричні заряди, що рівні по величині, але протилежні за знаками.
Електричний заряд Q кожної обмотки пропорційний напрузі U між ними:
Q = C U.
Величину С, яка дорівнює відношенню заряду одної із обмоток конденсатора до напруги між ними, називають електричною ємністю конденсатора і вимірюють у фарадах (Ф).
Ємність конденсатора залежить від геометричних розмірів, форми, взаємного розміщення та відстані між обмотками, а також від властивостей діалектрика. Найбільш поширеним в техніці є плоский конденсатор.
Ємність плоского конденсатора С = 0 S/d = аS/d,
де S – площа кожної обмотки, пластини, м2 ; d – відстань між обмотками, м.
Напруга електричного поля плоского конденсатора Е = U /d
де U – напруга, прикладена до зажимів конденсатора, В.
Напруга поля при якій відбувається пробій діалектрика, називається електричною міцністю діалектрика Епр , А напругу при пробої – пробивною напругою Uпр , причому
Епр = Uпр / d,
де d – товщина пластини.
Класифікація конденсаторів: постійної та змінної ємності.
Класифікація конденсаторів в залежності від діалектрика:
Конденсатори змінної ємності бувають повітряні та керамічні
Конденсатори постійної ємності бувають електролітичні та неелектролітичні останні поділяють на повітряні, керамічні, метало паперові, слюдяні.
4. З’єднання конденсаторів.
Конденсатори можуть бути з’єднані послідовно, паралельно та змішано (послідовно – паралельно).
Послідовне з’єднання. При такому з’єднанні на обмотках всіх конденсаторів будуть однакові по величині заряди, тобто
Q1 = Q2 = Q3 = …=Qn =Q.
Напруга на конденсаторах буде різна, так як вона залежить від їх ломкостей:
U1 = Q1 / C1, U2 = Q2 / C2, …, Un = Qn / Cn.
Загальна напруга
U = U1 + U2 + … + Un.
Загальна, або еквівалентна, ємність
С = Q / U = Q / U1 + U2 + … + Un,
Звідки
1/C =(U1 + U2 + …+ Un ) / Q = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn
Для двох послідовно включених конденсаторів
С = С1 С2 / (С1 + С2).
Паралельне з’єднання.
При паралельному з’єднанні напруга на всіх конденсаторах однакова.
Заряди на обмотках окремих конденсаторів при різній їх ємності
Q1 = U C1, Q2 = U C2 , …, Qn = U Cn .
Заряд, отриманий всіма паралельно з’єднаними конденсаторами,
Q = Q1 + Q2 + …+ Qn.
Загальна, або еквівалентна, ємність
C = Q / U = (Q1 + Q2 + … + Qn ) / U = C1 + C2 + … + Cn .
Енергія електричного поля (Дж)
W = C U2 / 2.
електричного кола (I, U, E), то цей елемент – активний.
До активних елементів належать усі джерела живлення та деякі приймачі (акумулятори, двигуни тощо).
3.Джерела живлення утворюють внутрішню ділянку, А приймачі зовнішню ділянку кола. Ці ділянки відокремлюються полюсами. Ділянка кола, відокремлена двома полюсами, має назву двополюсника. Якщо двополюсник містить хоча б один активний елемент, цей двополюсник активний. Пасивний двополюсник містить тільки пасивні елементи.
4.Як і двополюсник, ділянки кола також бувають активні та пасивні. Якщо напрями струму та напруги протилежні, ця ділянка працює у режимі живлення. Якщо напрямки струму та напруги збігаються, ця ділянка працює у режимі приймача електричної енергії.
|