Напряженность электростатического поля не изменяется с течением времени.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Теоретические основы электротехники»

для специальности 14020465 – «Электрические станции»

 

 

г. Волгодонск, 2012 г.

ГЛАВА 1. НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Физическую основу электротехники составляют электричес­кие и магнитные явления. Содержание же электротехники как отрасли науки заключается в техническом использовании этих явлений.

Прежде чем приступить к изучению теоретической части электротехники, необходимо возвратиться к курсу физики, в котором изучаются электрические и магнитные явления, вспомнить уже известные и столь необходимые в данном случае понятия и определения.

Электропроводность —это свойство вещества проводить под действием не изменяющегося во времени электрического поля не изменяющийся во времени электрический ток.

В данное определение входят еще два понятия: электрическое поле и электрический ток, которые рассмотрены далее.

§1.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

В современной науке утвердилось представление о поле как о физической реальности, существующей наряду с веще­ством.

Электромагнитное поле как вид материи харак­теризуется тем, что оказывает силовое воздействие на заряжен­ные частицы, степень которого зависит от скорости движения частиц и величины их электрического заряда.

В зависимости от условий наблюдения электромагнитное поле проявляется в целом или как одна из двух его сторон: электрическое поле или магнитное поле.

Элементарные частицы и их электромагнитное поле

В структуру атомов вещества входят элементарные частицы. Некоторые из них обладают электрическим зарядом.

Элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом (например, электроны и протоны), окружены электромагнитным полем. Эти частицы не существуют отдельно от их электромаг­нитного поля, т. е. между заряженной частицей и ее электромаг­нитным полем точной границы нет.

Однако полагают, что электрический заряд сосредоточен в весьма малой области пространства, и тогда говорят о частице, обладающей электрическим зарядом. Вне этой области существует электромагнитное поле, а объемная плот­ность электрического заряда равна нулю.

Электрон и протон имеют равный по величине (1,6-10 Кл), но противоположный по знаку заряд, который считается элементарным (наименьшим известным).

Элементарный электрический заряд —это свойство электрона или протона, характеризующее их взаимосвязь с собственным электрическим полем и их взаимодействие с внешним электрическим полем.

Электромагнитное поле может существовать отдельно от электрически заряженных частиц. Подтверждением этому яв­ляются электромагнитные волны, которые распространяются в пространстве (радиоволны).

Электростатическое поле

Как электромагнитное поле, так и обе его стороны характеризуются силовым воздействием на заряженные частицы.

Электрическое поле характеризуются воздействием на электрически заряжен­ную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости.

Обычным состоянием окружающих нас тел является со­стояние электрически нейтральное, хотя они и состоят из частиц, имеющих электрический заряд. Это объясняется равен­ством общего положительного заряда ядер атомов общему отрицательному заряду электронов.

Тело может получить электрический заряд в результате какого-либо процесса, который приведет к неравенству в объеме тела или части его положительного и отрицательного зарядов. В обоих случаях заряженные частицы не пропадают, а переда­ются от одного тела другому или перемещаются в данном теле, т. е. происходит пространственное разделение положитель­но и отрицательно заряженных частиц.

Поэтому электрический заряд тела (системы тел) всегда равен алгебраической сумме элементарных электрических зарядов.

Электризация тел может быть осуществлена трением, эле­ктростатической индукцией или в результате других физических и химических процессов.

Неподвижное тело, обладающее электрическим зарядом, так же как и неподвижная элементарная заряженная частица, окружено электрическим полем.

Электростатическим называется электрическое поле неподвиж­ных заряженных тел в отсутствие в них электрических токов.

Напряженность - это силовая характеристика электрического поля является, с помощью которой можно оценивать интенсивность электрического поля и определять силу, действующую со стороны поля на заряженную частицу.

Напряженность электростатического поля не изменяется с течением времени.

Закон Кулона

Отмеченное ранее свойство электрического поля—силовое действие на заряженные частицы и тела—используется с целью его обнаружения и изучения. Для этого нужно поместить в пространство, окружающее тело с зарядом Q₁, другое тело с зарядом Q₂ (рис. 1.1). Первое тело вместе с его полем будем называть исследуемым, а второе — пробным.

Опыт показывает, что на каждое из двух заряженных тел действуют одинаковые силы Fэ, направленные так, что тела с зарядами одного знака отталкиваются, а тела с зарядами разных знаков притягиваются.

В соответствии с принципом наложения можно полагать, что два заряженных тела окружены общим электрическим полем, которое получается в результате наложения двух полей, каждое из которых связано со своим заряженным телом, когда последнее уединено.

В таком случае силу Fэ можно рассматривать как результат силового действия общего электрического поля на каждое из заряженных тел. Количественно это действие определяется по формуле закона Кулона (1.1), которая справедлива для точеч­ных заряженных тел.

Заряженное тело называется точечным, если его линейные размеры очень малы в сравнении с расстоянием от него до точек, в которых рассматривается его электрическое поле.

Закон Кулона:

Величина силы, с которой на каждое из двух точечных заряженных тел,
расположенных в среде, действует их общее электрическое поле, пропорциональна
произведению зарядов этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния
между ними:

(1.1)

где Q₁ иQ₂ — заряды точечных тел;

r — расстояние между их центрами;

- коэффициент пропорционально­сти, определенный выбором системы единиц.

 

Рис. 1.1

Величина e ₀— абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, которая называется электрической постоянной, име­ющей в международной системе единиц (СИ) численное значение: 8,85*10^-12(Ф/м)

Величины, входящие в формулу (1.1), имеют сле­дующие единицы измерения: сила [Fэ]—ньютон (Н); количест­во электричества (электрический заряд) [Q ]— кулон (Кл).

Напряженность электрического поля

Предположим, что размеры пробного тела и его заряд столь малы, что заряд исследуемого тела и его элект­рическое поле не изменяются, т. е. остаются такими же, как и в случае уединения. Пробное тело при этом можно рассматривать лишь как «инструмент» для регистрации элек­трической силы. Помещая пробное заряженное тело в раз­личные точки, можно исследовать интенсивность электричес­кого поля, пределы его распространения.

Согласно закону Кулона, сила пропорциональна величине пробного заряда. В связи с этим интенсивность электрического поля в данной точке удобно оценивать величиной силы, приходящейся на единицу положительного заряда пробного тела, расположенного в той же точке, т. е. отношением .

Напряженность электрического поля —векторная величина, характеризующая электрическое поле и определяющая силу, действующую на заряженную частицу (тело) со стороны электрического поля.

В численном выражении напряженность электрического поля равна отношению силы, действующей на заряженную частицу (пробное тело), к ее заряду:

(1.2)

Направление напряженности электрического поля совпадает с направлением силы, действующей на частицу (пробное тело) с положительным зарядом.

Единица напряженности электрического поля [E]= Н/Кл = В/м.

Эта единица напряженности электрического поля названия не имеет.

Электрическое поле называется однородным (равномерным), если напряженность его во всех точках одинакова по величине и направлению.

Для наглядного изображения электрического поля пользу­ются линиями напряженности или силовыми линиями.