Фундаментальные законы и понятия электротехники

2.1. Характеристики электрического и магнитного полей, единицы измерения и связь между ними.

2.1.1. Электрическим полем называют одну из двух сторон электромагнитного поля, характеризующуюся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от её скорости.

Основной физической величиной, характеризующей электрическое поле в каждой его точке, является напряженность электрического поля.

Напряженностью электрического поля называется векторная величина, равная силе f₁, действующей на единичный заряд q.

.

Единица измерения напряженности: ньютон/кулон или вольт/м (см. также 1.7).

Потенциалом электрического поля в рассматриваемой точке называетсяработа по перемещению единичного электрического заряда против сил поля из бесконечности в рассматриваемую точку поля. Разность потенциалов двух точек есть электрическое напряжение (см. также1.7).

2.1.2. Магнитным полем называют одну из двух сторон электромагнитного поля, характеризующуюся воздействием на движущуюся электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и её скорости.

Основной физической величиной, характеризующей магнитное поле в каждой его точке, является магнитная индукция. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл; T).

Магнитной индукцией называется векторная величина, определяющая силу f₂, действующую на единичный заряд q, и направленную перпендикулярно направлению движения заряда, движущегося с единичной скоростью v.

.

Вектор магнитной индукции В направлен перпендикулярно плоскости, которую образуют взаимно перпендикулярные вектора скорости v и силы f₂:

f=f₁+f₂= q E + q [vB].

Эта сила называется силой Лоренца. Сила f₁ со стороны электрического поля может изменять как направление скорости заряженной частицы, так и значение этой скорости (кинетической энергии). Сила f₂ со стороны магнитного поля направленная всегда перпендикулярно вектору скорости частицы изменяет только направление движения частицы, но не изменяет её скорости (кинетической энергии).

Электрические и магнитные поля графически можно изобразить в виде силовых линий.

2.1.4. В электрическом поле силовые линии – это линии, в каждой точке которых вектор напряжённости электрического поля направлен по касательной к этой линии. Например:

Поверхности, перпендикулярные в каждой точке силовым линиям являются поверхностью равного потенциала и называются эквипотенциальными поверхностями. У точечного заряда такой поверхностью будет сфера с центром в заряженной точке. Число силовых линий, проходящих через единицу эквипотенциальной поверхности, называется плотностью потока электрического смещения D:

.

Плотность потока электрического смещения в пустоте связана с напряженностью электрического поля при помощи электрической постоянной ε ₀:

.

ε ₀= 8, 854× 10^-12фарада/метр.

Рассмотренные поля электрического смещения характерны для изоляционных сред. Поля, аналогичные рассмотренным, существуют в электропроводящих средах. Силовыми линиями этого поля будут линии плотности тока, исходящие из источника (например, заземлителя в грунте). Соответственно, в поле тока I существует понятие плотность тока j:

.

Для провода плотность тока это частное от деления протекающего тока на площадь поперечного сечения проводника -S. (Площадь поперечного сечения в проводнике как раз и является эквипотенциальной поверхностью, перпендикулярной линиям тока).

Плотность тока связана с напряженностью электрического поля через удельную электрическую проводимость среды – γ:

2.1.5. В магнитном поле линии поля – это линии магнитного потока. В каждой точке этих линий, вектор индукции магнитного поля направлен по касательной к этой линии. Поскольку вектора силы магнитного поля перпендикулярны векторам индукции (см. выше), то линии магнитного поля (в отличие от линий поля электрического) нельзя называть силовыми. Каждая линия магнитного поля – это линия равной индукции. Если ток протекает по круглому прямолинейному проводнику, то линии магнитного поля образуют вокруг проводника концентрические окружности с центром на оси проводника:

Направление вектора индукции определяется по «правилу буравчика», и на рисунке вектор магнитной индукции направлен по часовой стрелке, поскольку направление тока – «в лист».

Магнитная индукция – это плотность магнитного потока:

.

Другой характеристикой магнитного поля является напряжённость магнитного поля - Н, вектор которой аналогичен вектору магнитной индукции и связан с последним в пустоте при помощи магнитной постоянной μ ₀:

.

μ ₀= 4π × 10^-7 генри/метр.

Напряженность магнитного поля измеряется в амперах, поделённых на метр , где в метрах измеряется длина круговой линии магнитного поля, проходящей через точку, в которой ищется напряжённость магнитного поля. Поэтому линии магнитного поля можно также назвать линиями равной напряженности.