Електродинаміка

Розділ 4.  ЕЛЕКТРОДИНАМІКА 

Електродинаміка, це розділ фізики, в якому вивчається все різноманіття електричних, магнітних та електромагнітних явищ.

Основні положення електронної теорії будови речовини:

1. Речовини складаються з молекул.

2. Молекули складаються з атомів.

3. Атоми складаються з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів, які обертаються навколо ядра.

4. Атом – частинка незаряджена (електронейтральна), тобто така в якій загальна кількість позитивних зарядів, в точності дорівнює загальній кількості зарядів негативних: ∑(+) = ∑(-).

5. Складові заряджені частинки атома (протони та електрони), є носіями елементарного, тобто найменшого, неподільного електричного заряду, величина якого 1,6∙10-19 кулон: q(p) = +1,6∙10-19Кл; q(e) = -1,6∙10-19Кл.

 

Тема 1.4. Електростатика.

 

         Електростатика, це розділ електродинаміки в якому вивчають параметри, властивості і взаємодії відносно нерухомих електричних зарядів та тих електричних полів які ці заряди створюють.

Електрика (електричний заряд), це та матеріальна сутність, яка нерозривно пов’язана з деякими елементарними частинками, зокрема протонами та електронами і яка є джерелом електромагнітних взаємодій (джерелом електромагнітного поля).

Електричний заряд, це фізична величина, яка характеризує здатність тіла або частинки до електромагнітних взаємодій і яка дорівнює добутку величини елементарного електричного заряду (е=1,6∙10-19Кл) на загальну  кількість (N) тих нескомпенсованих елементарних зарядів що містяться в даному тілі.

Позначається:  q

Визначальне рівняння:  q = ±Ne

Одиниця вимірювання:  [q] = Кл   (кулон).

Закон збереження електричного заряду – це закон, в якому стверджується: при будь яких процесах, що відбуваються в замкнутій (електроізольованій) системі, загальна кількість електричного заряду цієї системи залишається незмінною, тобто зберігається. Іншими словами:          ∑qдо = ∑qпісля ,  або   ∑q = const.

         Закон Кулона – це закон, в якому стверджується: два точкові електричні заряди q1 і q2 взаємодіють між собою (однойменні заряди відштовхуються,  різнойменні – притягуються) з силою, величина якої прямо пропорційна добутку взаємодіючих зарядів (q1∙q2) і обернено пропорційна квадрату відстані між ними (r2). Іншими словами:  Fел = kq1q2/r2 , де  k =  k0/ε ,  або   k = 1/4πε0ε ,   (k0 = 9∙109 Н∙м2/Кл2,   ε0 = 1/4πk0 = 8,85∙10-12 Кл2/Нм2).

Діелектрична проникливість середовища, це фізична величина, яка характеризує діелектричні властивості даного середовища і яка показує у скільки разів сила електростатичної взаємодії зарядів в даному середовищі (F), менша за силу взаємодії тих же зарядів в вакуумі (F0).

Позначається: ε

Визначальне рівняння:  ε = F0/F

Одиниця вимірювання:  [ε] = –  ,  (рази).

         Матеріальними називають такі об’єкти, які реально існують і так чи інакше проявлять себе. Все різноманіття матеріальних об’єктів Природи можна розділити на дві базові групи: речовини та поля.

Речовинами називають такі матеріальні об’єкти, які складаються з тих чи інших частинок та мають масу спокою, а отже і відповідну кількість гравітаційних, інерціальних, енергетичних та інших властивостей.

Полями називають такі матеріальні об’єкти, які не складаються з певних частинок, не мають маси спокою і представляють собою певне силове збурення простору, основною властивістю якого є здатність певним чином діяти на певні матеріальні об’єкти.

Електричне поле, це таке поле, тобто таке силове збурення простору,  яке створюється електричними зарядами і діє на електричні заряди.

Напруженість електричного поля, це фізична величина, яка є силовою характеристикою електричного поля і яка дорівнює відношенню тієї електричної сили що діє на пробний заряд в даній точці поля, до величини цього пробного заряду.

Позначається: Е

Визначальне рівняння: Е = Fел/qп

Одиниця вимірювання:  [Е] = Н/Кл.

Принцип суперпозиції електричних полів, це закон, в якому стверджується: електричні поля діють незалежно одне від одного (не заважаючи одне одному), при цьому напруженість результуючого електричного поля, дорівнює векторній сумі напруженостей кожного окремого поля системи. Іншими словами: Ерез =Е1+Е2+…+ЕN   або Ерез=∑Еі   .

Лінії напруженості електричного поля, це такі умовні лінії, за допомогою яких зображуються електричні поля. Лінія напруженості електричного поля проводиться таким чином, що дотична до неї в будь якій точці співпадаю з напрямком результуючого вектора напруженості поля в цій точці.

         Електростатична індукція, це явище, суть якого полягає в тому, що під дією зовнішніх електричних зарядів (зовнішніх електростатичних полів) заряджені частинки фактично незарядженого тіла перерозподіляються таким чином, що одна частина тіла набуває певного позитивного заряду, а інша – відповідного негативного заряду. Зазвичай, говорячи про електростатичну індукцію, мають на увазі той індукційний перерозподіл зарядів який відбувається в провідниках.

         Поляризація, це явище, суть якого полягає в тому, що під дією певних зовнішніх чинників (електричних, електромагнітних, механічних та інших), заряджені частинки фактично незарядженого тіла перерозподіляються таким чином, що одна частина тіла набуває певного позитивного заряду, а інша – відповідного негативного заряду. По суті, електростатична індукція є однією з різновидностей поляризації. Однак, як правило, поляризацією називають ті перерозподіли зарядів які відбуваються в діелектриках. Різновидностями поляризації є індукційна поляризація діелектриків та п’єзоефект.

Індукційна поляризація діелектрика, це явище, суть якого полягає в тому, що під дією зовнішнього електричного поля, молекули діелектрика по перше набувають певних дипольних властивостей (або підсилюють ці властивості), а по друге, орієнтуються таким чином, що одні ділянки поверхні діелектрика набувають позитивного заряду, а інші – негативного.

Сегнетоелектрики, це такі діелектрики, які мають надзвичайно високу діелектричну проникливість (ε > 200), величина якої складним чином залежить від багатьох зовнішніх обставин, зокрема напруженості електричного поля, температури, зовнішнього механічного тиску, тощо.

П’єзоефект, це явище, суть якого полягає в тому, що в процесі механічної деформації деякі кристалічні діелектрики, зокрема сегнетоелектрики поляризуються і навпаки – в процесі поляризації, деформуються.

         Потенціальним називають таке поле, робота якого на замкнутій траєкторії дорівнює нулю (Аѻ=0). Гравітаційні та електростатичні поля – це поля потенціальні.

         Потенціал електричного поля – це фізична величина, яка є енергетичною характеристикою електричного поля і яка дорівнює відношенню тієї роботи що виконує поле переміщуючи пробний заряд з даної точки поля в безкінечність (тобто туди де прояви поля практично відсутні), до величини цього пробного заряду.

Позначається: φ

Визначальне рівняння: φ = А1→∞/qп

Одиниця вимірювання: [φ] = Дж/Кл = В.

Електрична напруга (різниця потенціалів), це фізична величина, яка характеризує різницю потенціалів між двома точками електричного поля і яка дорівнює відношенню тієї роботи що виконує електричне поле переміщуючи пробний заряд між цими точками, до величини цього пробного заряду.

Позначається: U

Визначальне рівняння: U = A1→2/qп  або  U = Aел/q

Одиниця вимірювання: [U] = Дж/Кл = В.

Оскільки в побутовій та електротехнічній практиці електричні заряди переміщуються не в збуреній пустоті яку прийнято називати електричним полем, а струмопровідними ділянками електричного кола, то в умовах цих практик електричну напругу визначають наступним чином. Електрична напруга, це фізична величина, яка характеризує різницю потенціалів між двома точками електричного кола і яка дорівнює відношенню тієї роботи що виконують електричні сили на даній ділянці кола до величини перенесеного ними заряду.

Позначається: U

Визначальне рівняння: U = Aел/q

Одиниця вимірювання: [U] = Дж/Кл = В ,  вольт

 Електрична ємність – це фізична величина, яка характеризує здатність провідника, або спеціального приладу, накопичувати електричні заряди (енергію електричного поля) і яка дорівнює відношенню величини того заряду, який накопичується на провіднику до величини тієї електричної напруги що призвела до цього накопичення.

Позначається: С

Визначальне рівняння: С = q/U

Одиниця вимірювання: [С] = Кл/В =Ф ,  (фарада).

Конденсатор, це прилад, який дозволяє накопичувати, зберігати та корисно застосовувати енергію електричних зарядів (енергію електричного поля). Ємність конденсатора залежить від: площі взаємного перекриття обкладинок конденсатора (S); відстані між обкладинками (d); діелектричних властивостей  того середовища що знаходиться між обкладинками (εε0). Цю залежність можна записати у вигляді  С = εε0S/d. Заряджений до напруги Uм конденсатор ємністю С, є джерелом електричної енергії, кількість якої визначається за формулою Wел=(CUм2)/2.

 

Тема 4.2.  Електродинаміка постійних струмів.

 

Електричний струм, це процес упорядкованого руху заряджених частинок. Постійний струм, це такий електричний струм величина і напрям якого з плином часу залишаються незмінними.

Провідниками називають такі матеріали, які проводять електричний струм. Проводять тому, що в них є достатньо велика кількість вільних заряджених частинок.

Діелектриками  називають такі матеріали, які  не проводять електричний струм. Не  проводять тому, що в них нема вільних заряджених частинок.

Сила струму – це фізична величина, яка характеризує інтенсивність електричного струму і яка дорівнює відношенню величини того електричного заряду (∆q) що проходить через поперечний переріз провідника час ∆t до величини цього проміжку часу.

Позначається: I

Визначальне рівняння: I = ∆q/∆t   або    I = q/t

Одиниця вимірювання: [I] = A, (ампер).

Густина струму, це фізична величина, яка характеризує густину електричного струму і яка дорівнює відношенню сили струму в провіднику до площі поперечного перерізу провідника.

Позначається: j

Визначальне рівняння: j = I/S

Одиниця вимірювання: [j] = A/м2.

Закон Ома – це закон, в якому стверджується: сила струму на ділянці електричного кола, прямо пропорційна величині тієї електричної напруги що існує на краях цієї ділянки і обернено пропорційна її електричному опору, тобто  I=U/R.

Електричний опір – це фізична величина, яка характеризує здатність провідника чинити опір проходженню струму по ньому і яка дорівнює відношенню тієї напруги що існує на краях провідника до сили струму в ньому

Позначається: R

Визначальне рівняння: R = U/I

Одиниця вимірювання: [R] = В/А = Ом.

Питомий опір провідника – це фізична величина, яка характеризує струмопровідні властивості матеріалу провідника і яка чисельно дорівнює тому електричному опору який має виготовлений з даного матеріалу провідник, за умови його одиничної довжини та одиничної площі поперечного перерізу.

Позначається: ρ

Визначальне рівняння: ρ=RS/ℓ

Одиниця вимірювання: [ρ]=Ом∙м.

Потрібно зауважити, що питомий опір провідника залежить не лише від електропровідних властивостей матеріалу провідника, а й від його температури. Цю залежність можна записати у вигляді:  ρ = ρ0(1+αt),

де  ρ0  – питомий опір провідника при температурі  0 0С

ρ –  питомий опір провідника при температурі  t

α – температурний коефіцієнт опору.

Температурний коефіцієнт опору – це фізична величина, яка характеризує залежність опору провідника від його температури і яка чисельно дорівнює величині тієї відносної зміни опору (ΔR/R0) провідника, що відбувається при зміні його температури на 1ºС (на 1К).

Позначається: α

Визначальне рівняння: α=ΔR/R0∆t

Одиниця вимірювання: [α] = 1/ºС ,  (або 1/К).

Надпровідність – це явище, суть якого полягає в тому, що при певних наднизьких температурах, електричний опір металів різко падає до нуля і у відповідному інтервалі температур дорівнює нулю.

Джерело струму – це прилад, в якому той чи інший вид неелектричної (не електростатичної) енергії, перетворюється в енергію електричного струму.

Існує велике різноманіття джерел струму, зокрема:

– хімічні джерела струму (гальванічні елементи, акумулятори): Ехім → Еел;

– теплові джерела струму (термопари, МГД генератори): Q → Еел;

– фотоелектричні джерела струму (сонячні батареї): Есв → Еел ;

– електромеханічні джерела струму (електростатичні генератори;

індукційні генератори): Амех → Еел.

Е.р.с. джерела струму – це фізична величина, яка є енергетичною характеристикою джерела струму і яка дорівнює відношенню тієї роботи яку виконують сторонні сили всередині джерела струму, переміщуючи заряд q між його полюсами, до величини перенесеного при цьому електричного заряду.

Позначається: ℰ

Визначальне рівняння: ℰ = Аст/q

Одиниця вимірювання: ℰ = Дж/Кл=В,   (вольт).

Закон Ома для повного електричного кола, це закон в якому стверджується: сила струму в повному електричному колі, прямо пропорційна е.р.с. того джерела струму яке включене в це коло і обернено пропорційна загальному опору відповідного кола. Іншими словами: I = ℰ/(R+r).

Резистор – це прилад, який представляє собою провідник з певним наперед визначеним опором і який дозволяє регулювати силу струму на заданій ділянці електричного кола.

Перший закон Кірхгофа (правило вузлів) – це закон, в якому стверджується: сума струмів які входять в електричний вузол, дорівнює сумі струмів які виходять з цього вузла. Іншими словами: ∑Iвх = ∑Iвих .

Другий закон Кірхгофа (правило контурів) – це закон, в якому стверджується: в замкнутому електричному колі (контурі), сума падінь напруг на всіх послідовних ділянках цього кола, дорівнює е.р.с. того джерела струму яке включено в це коло. Іншими словами: ∑Ui = Ɛ.

Закон Джоуля-Лєнца– це закон, в якому стверджується: при проходженні електричного струму виділяється теплота, кількість якої (Q)пропорційна квадрату сили струму в провіднику (I2), опору провідника (R) та часу проходження струму(t). Іншими словами:  Q=I2Rt.

 

Тема 4.3.  Електричний струм в різних середовищах.

 

         Електричний струм в металах. 1) Носіями струму в металах є електрони (електрони провідності). 2) Їх поява обумовлена особливостями кристалічної структури металів, які полягають в тому, що атоми металів постійно обмінюються валентними електронами. При цьому, за відсутності зовнішнього електричного поля, рух цих колективізованих електронів є усереднено-хаотичним. За наявності ж такого поля, цей рух стає хаотично-упорядкованим. 3) Метали, це найкращі провідники струму і тому їх головне електротехнічне застосування – бути струмопровідними елементами приладів та їх систем.

Робота виходу електрона, це та мінімальна кількість енергії, яку необхідно витратити на те, щоб безповоротно відірвати електрон від поверхні даного тіла (позначається Ав).

Контактна різниця потенціалів, це та електрична напруга, яка виникає між контактуючими металами в умовах їх термодинамічної рівноваги і поява якої не пов’язана з перетворенням того чи іншого виду енергії в енергію електричного струму (позначається ∆φ).

Ефект Зеєбека, це явище, суть якого полягає в тому, що за наявності перепаду температур між місцем з’єднання двох різних металів та їх краями, виникає певна термоерс, яка в замкнутому електричному колі створює відповідний електричний струм.

 

Електролітами називають ті рідини, які проводять електричний струм і в яких носіями струму є позитивні та негативні іони.

Електричний струм в електролітах. 1) Носіями струму в електролітах є позитивні та негативні іони. 2) Їх поява обумовлена руйнацією іонної кристалічної структури під дією: а) розчинника; б) нагрівання. 3) Застосування електролізу: рафінування металів, гальваностегія, гальванопластика, хімічні джерела струму, тощо.

Електролітична дисоціація, це процес, при якому молекули та кристалічні структури під дією розчинника розпадаються на окремі іони.

Електроліз, це сукупність електрохімічних процесів, які відбуваються при проходженні електричного струму через електроліт.

Перший закон Фарадея, це закон, в якому стверджується: маса тієї речовини що виділяється на електроді при електролізі, прямопропорційна величині того заряду (q) що проходить через електроліт: ∆m=kq, де k – електрохімічний еквівалент речовини.

Електрохімічний еквівалент речовини, це фізична величина, яка характеризує електрохімічні властивості даної речовини і яка показує, скільки цієї речовини виділиться на електроді при електролізі, якщо через електоліт пройде заряд в один кулон.

Позначається: k

Визначальне рівняння: k=∆m/q , або (за умови І=const)  k=∆m/It

Одиниця вимірювання: [k]=кг/Кл.

Другий закон Фарадея, це закон, в якому стверджується: електрохімічний еквівалент речовини прямопропорційний молярній масі (М) цієї речовини і обернено пропорційна валентності (n) її іонів:   k=M/Fn, де   F=96484,5 Кл/моль – постійна величина яка називається сталою Фарадея.

Рафінування металів – це технологія електролізного очищення метлів від домішок. Гальваностегія – це технологія електролізного нанесення тонкого шару потрібного металу на вироби (хромування, нікелювання, цинкування, золочення, сріблення, тощо). Гальванопластика – це технологія одержання копій виробів, шляхом електролізного нанесення шару металу на матрицю (відбиток) цього виробу.

Гальванічний елемент – це хімічне джерело струму, в якому енергія тих хімічних взаємодій, що відбуваються на межі метал – електроліт, незворотньо перетворюється в енергію постійного електричного струму.

Електричний акумулятор – це хімічне джерело струму багаторазового використання, яке в режимі зарядки перетворює енергію постійного електричного струму в енергію хімічних взаємодій, а в режимі розрядки, навпаки – енергію хімічних взаємодій, в енергію постійного електричного струму.

 

Електричний струм в газах. 1) Носіями струму в газах є позитивні іони та електрони. 2) Їх поява обумовлена іонізацією газу. 3) Застосування: джерела іскрових розрядів; джерела світла; електрозварювання, тощо.

Іонізація газу, це такий процес при якому від молекули (атома) газу відривається один або декілька електронів. Розрізняють чотири основні види іонізації: теплова іонізація, фотоіонізація, радіаційна іонізація, ударна іонізація.

Енергія іонізації, це та мінімальна кількість енергії, яку необхідно витратити на те, щоб від обособленої молекули (атома) відірвати один електрон.

Рекомбінація іонів, це такий процес, при якому обособлені позитивні іони приєднують до себе вільні електрони і перетворюються на відповідні молекули (атоми).

Газовий розряд, це процес проходження електричного струму через газове середовище. До числа найбільш поширених та практично значимих самостійних газових розрядів відносяться іскровий, тліючий, дуговий та коронний.

Іскровий розряд, це такий короткотривалий самостійний газовий розряд, який відбувається при нормальному атмосферному тиску та надвисоких напруженостях електричного поля (р=1атм; Е=30 000В/см). Іскровий розряд характеризується високою густиною електричного струму, сильним та стрімким нагріванням струмопровідного каналу, яке спричиняє  стрімке розширення цього каналу та відповідний звуковий сигнал (тріск, грім). При іскровому розряді, струмопровідність газу забезпечується його ударною іонізацією.

Тліючий розряд, це такий самостійний газовий розряд, який відбувається при низькому тиску газу та помірних напруженостях електричного поля (р≈0,01атм; Е≈300В/см). Тліючий розряд характеризується низькою густиною струму, не супроводжується значним нагріванням газу і не призводить до суттєвих звукових ефектів. При тліючому розряді, струмопровідність розрідженого газу забезпечується його ударною іонізацією.

         Дуговий розряд, це такий самостійний газовий розряд, який відбувається при нормальному атмосферному тиску та низькій напруженості електричного поля (р=1атм; Е≈30В/см). Дуговий розряд характеризується високою густиною струму та сильним нагріванням як струмопровідного газового каналу так і відповідних електродів. При дуговому розряді, струмопровідність газу забезпечується його тепловлю іонізацією та інтенсивним випаровуванням (еміссією) заряджених частинок з розжарених електродів.

Коронний розряд, це такий самостійний газовий розряд, який відбувається при нормальному атмосферному тиску та надвисоких місцевих напруженостях електричного поля, що виникають в місцях з яскраво вираженою неоднорідністю цього поля.

Самостійний газовий розряд, це такий розряд, який відбувається за відсутності стороннього іонізатора і в якому електричне поле не лише упорядковує рух носіїв струму, а й фактично є основним енергетичним джерелом цих носіїв.

Несамостійний газовий розряд, це такий розряд, при якому поява носіїв електричого струму обумовлена іонізуючою дією стороннього іонізатора. При цьому електричне поле лише упорядковує рух тих електричних зарядів які створює іонізатор.

 

Електричний струм в вакуумі. 1) Носіями струму в вакуумі є електрони. 2) Їх поява обумовлена термо-, або фото- електронною емісією. 3) Застосування: електронно-вакуумні лампи та їх системи.

         Термоелектронна емісія, це випромінювання електронів обумовлене нагріванням речовини.

Фотоелектронна емісія, це випромінювання електронів обумовлене дією на речовину світла.

Вакуумний діод, це електронно-вакуумна лампа з двома електродами (анод та катод), визначальною властивістю якої є одностороння провідність.

Вакуумний тріод, це електронно-вакуумна лампа з трьома електродами (анод, катод та керуюча сітка), визначальною властивістю якої є здатність підсилювати електричні сигнали.

Електронно-променева трубка, це електронно-вакуумна лампа, яка дозволяє перетворювати електричні сигнали у відповідне візуальне зображення.

Вакуумний фотоелемент, це електронно-вакуумна лампа з двома електродами (анод та катод), визначальною властивістю якої є здатність проводити чи не проводити струм в залежності від наявності чи відсутності освітлення.

 

Напівпровідниками називають такі речовини, питомий опір яких набагато більший аніж у металів, але набагато менший аніж у діелектриків і які мають наступні характерні особливості:

1) в процесі збільшення температури питомий опір напівпровідника швидко зменшується;

2) наявність домішок впливає не лише на величину питомого опору напівпровідника, а й на характер його електропровідності;

3) електропровідність напівпровідника не пов’язана з переносом речовини і по суті є результатом упорядкованого руху електронів.

Електричний струм в напівпровідниках. 1) Носіями струму в напівпровідниках є електрони та дірки. 2) Їх поява обумовлена особливостями кристалічної структури напівпровідників, а також активним впливом домішок, температури та освітлення. 3) Застосування: вся сучасна електроніка.

Діркою називають те місце в кристалічній структурі напівпровідника де відсутній повноцінний ковалентний зв’язок, тобто не вистачає валентного електрона. Струмопровідні властивості дірки, аналогічні властивостям вільної, позитивно зарядженої частинки.

Напівпровідник n-типу, це такий напівпровідник, в якому основними носіями струму є електрони.

Напівпровідник р-типу, це такий напівпровідник, в якому основними носіями струму є дірки.

         р-n переходом (електронно-дірковим переходом) називають ту частину напівпровідника де електронна провідність змінюється на діркову або навпаки. Електричні властивості р-n переходу еквівалентні властивостям певного додаткового електричного опору, величина якого залежить від зовнішньої напруги та способу включення р-n переходу в електричне коло.

Діод (напівпровідниковий діод) – це напівпровідниковий прилад, з одним р-n переходом та односторонньою провідністю.

Транзистор (напівпровідниковий тріод) – це напівпровідниковий прилад з двома р-n переходами, який застосовують для підсилення, генерації та трансформації електричних коливань.

Інтегральна мікросхема – це складний напівпровідниковий прилад, який представляє собою сукупність великої кількості р-n переходів та інших допоміжних елементів, виготовлених на базі цілісного напівпровідникового кристалу, і розташованих в певній функціонально визначеній послідовності.

Терморезистор (термоопір) – це напівпровідниковий прилад, електричний опір якого визначеним чином залежить від температури.

Фоторезистор – напівпровідниковий прилад, електричний опір якого визначеним чином залежить від величини того світлового потоку що на нього потрапляє.

Фотоелемент (сонячна батарея) – це напівпровідниковий прилад, який перетворює енергію світла в енергію електричного струму.

 

Тема 4.4.  Електродинаміка магнітних явищ.

 

         Електродинаміка магнітних явищ – це розділ електродинаміки в якому вивчається все різноманіття магнітних явищ, тобто тих явищ які обумовлені взаємодією електричних струмів та тих магнітних полів які цими струмами створюються.

Основні положення (твердження) теорії Ампера:

1. Джерелом магнетизму (джерелом магнітного поля) є електричний струм.

2. В кожному тілі існують внутрішні “молекулярні струми”, які і надають цьому тілу відповідних магнітних властивостей.

Закон Ампера – це закон, в якому стверджується. Електричні струми взаємодіють між собою: співнаправлені струми притягуються, протинаправлені – відштовхуються. При цьому, з боку безкінечно довгого, прямолінійного провідника з стумом І1 на достатньо малий фрагмент струму І2 діє магнітна сила Fм, величина якої визначається за формулою

                                      Fм=kI1I2∆ℓsinα/r ,

де  ∆ℓ – довжина фрагменту струму І2;  r – найкоротша відстань між струмом І1 та центром фрагменту І2; α – кут між напрямком струму І2 та площиною яка перпендикулярна до напрямку струму І1; k – коефіцієнт пропорційності, величина якого визначається експериментально, і значення якого залежить від властивостей того середовища в якому знаходяться взаємодіючі струми. Для вакууму k=k0=2∙10-7Н/А2.

Залежність коефіцієнту k від магнітних властивостей того середовища в якому знаходяться взаємодіючі струми, прийнято записувати у вигляді k=μμ0/2π, де μ0=2πk0=12,56∙10-7H/A2магнітна стала, μ=F/F0 магнітна проникливість середовища.

Магнітна проникливість середовища, це фізична величина, яка характеризує магнітні властивості даного середовища і яка показує, у скільки разів сила магнітної взаємодії стумів в даному середовищі (F) більша за силу їх взаємодії в вакуумі (F0).

Позначається: μ

Визначальне рівняння: μ = F/F0

Одиниця вимірювання:  [μ]=H/H= –  , (рази).

Магнітне поле – це таке силове збурення простору, яке створюється електричними струмами (зарядами що рухаються) і діє на електричні струми.

Магнітна індукція – це фізична величина, яка є силовою характеристикою магнітного поля і яка дорівнює скалярному відношенню тієї магнітної сили (Fм) що діє на пробний струм в даній точці поля, до добутку тих величин, які цей струм характеризують (Іп∆ℓsinα).

Позначається:  В

Визначальне рівняння: В=Fмп∆ℓsinα

Одиниця вимірювання: [B]=H/A∙м=Тл,  (тесла).

Принцип суперпозиції магнітних полів – це закон, в якому стверджується: магнітні поля діють незалежно одне від одного (не заважаючи одне одному), і тому при їх накладанні магнітна індукція результуючого поля дорівнює векторній сумі індукцій кожного окремого поля системи, тобто Врез=∑Ві.

Лінії магнітної індукції, це такі умовні лінії, за допомогою яких зображають магнітні поля. Лінія магнітної індукції проводиться таким чином, що дотична до неї в будь якій точці поля, співпадає з напрямком результуючого вектора магнітної індукції в цій точці.

Сила Ампера, це сила з якою магнітне поле діє на певний фрагмент провідника з струмом, або на увесь провідник.

Позначається: FА

Визначальне рівняння: FА=ВІ∆ℓsinα , де В – індукція магнітного поля; І – сила струму в провіднику; ∆ℓ – довжина того фрагменту провідника на  який діє сила Ампера; α= < (В та І)

Одиниця вимірювання: [FА]=H.

Правило лівої руки, це правило за яким визначають напрям сили Ампера та сили Лоренца і в якому стверджується: якщо розкриту долоню лівої руки розташувати так, щоб лінії магнітної індукції (лінії вектора В) входили в долоню, а чотири пальці вказували напрям струму в провіднику, то відігнутий великий палець руки вкаже напрям сили Ампера (сили Лоренца).

Сила Лоренца – це така сила, з якою магнітне поле діє на окрему заряджену частинку що рухається в цьому полі.

Позначається: Fл

Визначальне рівняння: Fл=Bq0vsinα

Одиниця вимірювання: [Fл] = Н.

Амперметр – це прилад, який вимірює силу струму в електричному колі. Будова: постійний магніт, струмопровідна  котушка, механічна  пружина, стрілка приладу. Принцип дії: При появі  в котушці приладу електричного струму, на її бічні сторони починають діяти дві рівні за величиною і протилежні за напрямком сили Ампера.  При цьому котушка, а разом з нею і стрілка приладу відхиляються на певний кут, величина якого пропорційна силі струму.

Електродвигун  постійного струму – це прилад який перетворює енергію постійного електричного струму в механічну роботу. Будова: індуктор (магніт або електромагніт); якір (струмопровідні котушки намотані на феромагнітне осердя); колектор. Принцип дії: індуктор  створює (індуцирує) постійне магнітне поле. Електричний  струм через колектор подається  на відповідну обмотку якоря. При цьому на бічні сторони цієї обмотки починають діяти дві, рівні за величиною і протилежні за напрямком сили Ампера, які і надають якорю обертального руху.

Гучномовець  – це прилад, який перетворює енергію змінного струму (струму, в якому міститься звукова інформація) у відповідний звук, тобто механічні коливання пружного середовища. Будова: постійний циліндричний магніт; струмопровідна котушка, дифузор. Принцип дії: При проходженні змінного струму через котушку, на неї починає діяти відповідна сила Ампера,  величина  і напрям якої залежить від напрямку струму. При цьому котушка, а разом з нею і дифузор гучномовця, починають здійснювати механічні коливання, які  і створюють відповідну звукову хвилю.

Система управління електронним променем кінескопу – це складова частина кінескопу, тобто приладу який перетворює енергію змінного електричного струму ( струму,  в якому зашифрована візуальна інформація) у відповідне зображення.   Б у д о в а: котушка магнітного управління. Принцип дії: Електричний струм, параметри якого являються функцією зображення, проходячи через котушку  управління, створюють  відповідне змінне магнітне поле. Електрони, пролітаючи через це поле, під дією сили Лоренца відхиляються у відповідному напрямку і “ малюють” на екрані відповідне зображення.

МГД генератор, це прилад, в якому енергія інтенсивного теплового руху заряджених частинок перетворюється в енергію електричного струму. МГД генератор дуже схожий на реактивний двигун в сопловій частині якого знаходиться потужний електромагніт. Крім цього, в генераторі певні фрагменти внутрішньої поверхні сопла є вихідними електродами системи. Принцип дії МГД генератора полягає в наступному. При згоранні палива, в камері згорання генератора утворюється високотемпературна (~2500ºС) електронно-іонна плазма. В сопловій частині генератора, плазмовий потік прискорюється і стає максимально упорядкованим. Потрапляючи в потужне постійне магнітне поле, заряджені частинки плазми під дією сили Лоренца певним чином відхиляються. При цьому, негативно заряджені електрони потрапляють на один електрод, а позитивно заряджені іони – на протилежно розташований електрод. Виникаюча між цими електродами різниця потенціалів (напруга) реалізується у вигляді відповідного електричного струму.

Мас-спектрометр, це прилад, в якому за допомогою електричних та магнітних полів заряджені частинки певним чином розподіляються за їх масами і який дозволяє визначати ці маси. Принцип дії мас-спектрометра базується на факті того, що в однорідному магнітному полі, радіус траєкторії руху зарядженої частинки певним чином залежить від її маси: r = m0 (v/Bq0).

Ефект Холла, це явище, суть якого полягає в тому, що в процесі проходження електричного струму через тверде струмопровідне тіло яке знаходиться в магнітному полі, між бічними відносно струму та поля поверхнями цього тіла, виникає певна електрична напруга (напруга Холла).

         Магнітний потік, це фізична величина, яка характеризує загальний потік індукції магнітного поля через задану поверхню площею S і яка дорівнює цьому потоку.

Позначається: Ф

Визначальне рівняння:  Ф=ВScosβ , де  S – площа тієї поверхні яку пронизує постійна за величиною та напрямком магнітна індукція В; β – кут між напрямком вектора В та перпендикуляром (нормаллю) до поверхні S: β =< Bns

Одиниця вимірювання:  [Ф] = Тл∙м2 = Дж/А = Вб,  вебер.

Індуктивність, це фізична величина, яка характеризує здатність струмопровідного контура створювати магнітні потоки і яка дорівнює відношенню того магнітного потоку який створює даний контур, до величини того струму що призвів до появи цього потоку.

Позначається: L

Визначальне рівняння:  L=Ф/І

Одиниця вимірювання: [L]=Вб/А=Гн ,   генрі .

Котушка індуктивності – це прилад, який дозволяє створювати зосереджені в певному, відносно невеликому фрагменті простору відносно потужні магнітні потоки (накопичувати та використовувати енергію магнітного поля). Величина тієї енергії яка зосереджена в магнітному полі котушки з струмом, визначається за формулою  Wмаг=LI2/2, де L – індуктивність котушки, І – сила струму в ній.

Потрібно зауважити, що індуктивність котушки залежить від параметрів   самої котушки, зокрема: числа витків в ній (N), площі поперечного перерізу (S) та довжини (Ɩ) котушки, магнітних властивостей (μ μ0) того осердя, яке знаходиться в котушці. Цю залежність можна записати у вигляді L =μμ0N2S/Ɩ.

Парамагнетиками називають такі речовини, магнітна проникливість яких мінімально більша за одиницю (μ≈1,0005). В потужних магнітних полях парамагнетики намагнічуються таким чином, що слабо притягуються до джерела поля. До числа парамагнетиків відносяться марганець, хром, платина, алюміній, вольфрам, лужні та лужноземельні метали, тощо.

Діамагнетиками називають речовини, магнітна проникливість яких мінімально менша за одиницю (μ≈0,9995). В потужних магнітних полях, діамагнетики намагнічуються таким чином, що слабо відштовхуються від джерела поля. До числа діамагнетиків відносяться вода, вісмут, цинк, свинець, мідь, срібло, золото, більшість газів, більшість органічних сполук, тощо.

Феромагнетиками називають такі речовини, магнітна проникливість яких набагато більша за одиницю (μ ˃˃ 1). Феромагнетики поділяються на магнітно м’які та магнітно тверді. В магнітних полях магнітно м’які феромагнетики намагнічуються таким чином що сильно притягуються до джерела поля. Магнітно тверді феромагнетики здатні тривалий час зберігати свою намагніченість і бути самостійними джерелами магнітного поля. До числа феромагнетиків відносяться залізо, кобальт, нікель та достатньо велика група  сплавів, основою яких можуть бути не лише залізо, кобальт, нікель, а й марганець та хром.

 

Тема 4.5.  Електромагнітна індукція.

 

Електромагнітна індукція, це явище, суть якого полягає в тому, що  при будь якій зміні того магнітного потоку, що пронизує замкнутий струмопровідний контур, в цьому контурі виникає індукційний струм, параметри якого залежать від швидкості зміни магнітного потоку.

Закон електромагнітної індукції (закон Фарадея) – це закон, в якому стверджується: при будь якій зміні того магнітного потоку що пронизує струмопровідний контур, в цьому контурі виникає е.р.с. індукції (е.р.с.→ напруга→ струм), величина якої пропорційна числу витків в контурі (N) та швидкості зміни магнітного потоку (dФ/dt). Іншими словами:

якщо Ф=ВScosβ=ƒ(t) то індуцирується ℰін = – N(dФ/dt) → Uін = ℰін → Іін = Uін/R.

Правило Лєнца (закон Лєнца) – це закон (правило), в якому стверджується: індукційний струм має такий напрямок при якому своєю магнітною дією завжди протидіє причині появі цього струму, тобто протидіє зміні магнітного потоку.

         Індукційний генератор – це прилад, в якому явище електромагнітної індукції застосовується для перетворення механічної роботи в енергію електричного струму. В принциповому вигляді індукційний генератор представляє собою сукупність трьох базових елементів: постійний магніт, струмопровідна рамка, механізм обертання рамки. Принцип дії цієї системи полягає в наступному. Постійний магніт (індуктор), створює постійне магнітне поле, в якому знаходиться струмопровідна рамка. В процесі примусового обертання рамки, магнітний потік що її пронизує, постійно змінюється. При цьому в рамці, згідно з законом електромагнітної індукції, виникає індукційна е.р.с., яка створює на краях рамки відповідну електричну напругу, яка в свою чергу (за умови замкнутості зовнішнього електричного кола) створює відповідний електричний струм. Іншими словами, в індукційному генераторі реалізується ситуація: В =const, S=const, β=ƒ(t). При цьому  Ф=ВScosβ=ƒ(t) і тому в рамці генератора індуцирується  ℰін = – N(dФ/dt) → Uін = ℰін → Іін = Uін/R.

Трансформатор – це прилад, який трансформує, тобто змінює, напругу в колі змінного струму. Трансформатор представляє собою сукупність трьох взаємоповязаних деталей: двох електроізольованих котушок індуктивності (обмоток трансформатора) об’єднаних замкнутим феромагнітним осердям (магнітопроводом). Принцип дії трансформатора полягає в наступному. Наявна змінна первинна напруга u1, створює в первинній котушці трансформатора відповідний змінний струм і1, який в свою чергу в сукупності з феромагнітним осердям створює відповідний змінний магнітний потік Ф1. Цей потік пронизує витки вторинної котушки і згідно з законом електромагнітної індукції створює в них вторинну напругу u2, величина якої залежить від числа витків у вторинній котушці (N2): u2 = – N2(dФ1/dt). А це означає, що змінюючи число витків у вторинній котушці трансформатора, можна отримувати практично будь яку напругу.

Коефіцієнт трансформації, це фізична величина, яка показує у скільки разів ефективне значення вихідної напруги трансформатора (U2) більше за ефективне значення його вхідної напруги (U1), за умови, що величини цих напруг виміряні в режимі холостого ходу.

Позначається: k

Визначальне рівняння: k=U2/U1

Одиниця вимірювання: [k]= – ,   рази.

Електродвигун змінного струму – це прилад, в якому явище електромагнітної індукції застосовується для перетворення енергії змінного струму в механічну роботу. Електродвигун змінного струму складається з двох базових частин: індуктора та якоря. При цьому індуктор, представляє собою сукупність пустотілого циліндричного феромагнітного осердя та системи струмопровідних обмоток. Якорем двигуна змінного струму в найпростішому випадку може бути суцільний залізний циліндр, який має вісь обертання і знаходиться в середині індуктору. Принцип дії двигуна змінного струму полягає в наступному. Змінний електричний струм, протікаючи обмотками індуктора, створює в середині цього індуктора обертальне магнітне поле. При цьому, в тілі якоря, згідно з законом електромагнітної індукції, виникає індукційний струм, який своєю магнітною дією змушує якір обертатись в напрямку обертання магнітного поля.

Спідометр – це прилад, який вимірює швидкість поступального руху машин та механізмів. Тахометр – це прилад, який вимірює швидкість обертального руху валів машин та механізмів. Мікрофон – це прилад, який перетворює енергію звукових коливань у відповідні коливання тієї чи іншої електричної величини, а у підсумку – в коливання електричного струму. Лічильник електроенергії – це прилад, який вимірює загальну кількість тієї електричної енергії яка була використана у відповідному електричному колі.

Струми Фуко (вихрові індукційні струми) – це замкнуті (вихрові) індукційні струми, які виникають в суцільних струмопровідних тілах, що знаходяться в змінних магнітних полях.

Самоіндукція – це явище, суть якого полягає в тому, що наявний в провіднику змінний електричний струм та йому відповідний змінний магнітний потік, згідно з законом електромагнітної індукції, створюють в тому ж провіднику відповідний індукційний струм (струм самоіндукції).

Струм самоіндукції, це такий вихровий індукційний струм, який створюється основним змінним струмом, якай протікає в тому ж провіднику що і основний струм та певним чином протидіє цьому основному струму. Вихрові струми самоіндукції завжди направлені таким чином, що на поверхні провідника їх напрям співпадає з напрямком основного струму, а в центрі провідника – ці напрямки взаємно протилежні. Це означає, що в тому провіднику по якому протікає змінний електричний струм, в результаті індукційних процесів відбувається певний перерозподіл струмового потоку. Результатом цього перерозподілу є факт того, що сила струму в поверхневих шарах провідника збільшується, а в його внутрішніх шарах – відповідно зменшується. Вище описане явище прийнято називати скін-ефектом.

Скін-ефект – це явище, суть якого полягає в тому, що в результаті індукційних процесів в провіднику зі змінним струмом, відбувається такий перерозподіл цього струму, при якому більша його частина протікає поверхневим шаром провідника.

 

Тема 4.6.  Електродинаміка змінних струмів.

 

 Змінний струм, це такий електричний струм, величина і напрям якого змінюються за гармонічним законом, тобто за законом i=Iмsin2πνt, де і – миттєве значення струму, тобто його значення в момент часу t; Ім – амплітудне (максимальне) значення струму; ν – частота струму.

Ефективне (діюче) значення змінного струму, це така умовна сила змінного струму, величина якої визначається за наступним критерієм: якщо теплова дія постійного і змінного струмів є однаковою, то величина постійного струму І та ефективне значення змінного струму Іеф є однаковими. Можна довести, що Іеф = Ім/√2 = 0,71Ім  або   Ім = Іеф√2 = 1,41Іеф.

Активний опір – це такий електричний опір, який має провідник як в колі постійного так і в колі змінного струмів, і величина якого залежить від питомого опору провідника (ρ), його довжини (ℓ) та площі поперечного перерізу (S).

Позначається: RA

Визначальне рівняння: RA=ρℓ/S

Одиниця вимірювання: [RA]=Ом.

Ємнісний опір – це такий електричний опір, який має провідник (конденсатор) в колі змінного струму і величина якого обернено пропорційна електричній ємності провідника (С) та частоті змінного струму (ν).

Позначається:  RC

Визначальне рівняння: RC=1/2πνC

Одиниця вимірювання: [RC]=Ом.

Індуктивний опір, це такий електричний опір, який має провідник (котушка індуктивності) в колі змінного струму і величина якого прямо пропорційна індуктивності провідника (L) та частоті змінного струму (ν).

Позначається:  RL

Визначальне рівняння:  RL=2πνL

Одиниця вимірювання:  [RL]=Ом.

Коливальним контуром  називають замкнуте електричне коло, яке складається з конденсатора та котушки індуктивності. Коливальний контур представляє собою певну коливальну систему в якій, після виведення її із стану електромагнітної рівноваги (наприклад, шляхом зарядження конденсатора) виникають певні електромагнітні коливання (певний високочастотний струм). При цьому можна довести, що період та частота цих коливань визначаються за формулами:  T = 2π(LC)1/2;  ν = 1/2π(LC)1/2.

Генератор високої частоти (генератор високочастотних електромагнітних коливань) – це прилад, який представляє собою певну автоколивальну систему, в якій енергія постійного джерела струму перетворюється на енергію високочастотних незгасаючих електромагнітних коливань (високочастотних струмів).

Резонанс – це явище, суть якого полягає в тому, що при співпадінні частоти зовнішніх енергетичних поштовхів (νзовн) з власною частотою коливальної системи (νк.с.), відбувається розгойдування цієї системи (резонансне підсилення  коливань в ній). Іншими словами: якщо  νзовн= νк.с, то резонанс  (підсилення  коливань, розгойдування коливальної системи).

Трифазна система змінного струму – це така система трьох взаємоповязаних електричних кіл, коливання напруги в яких зсунуті одне відносно одного на третину періоду, тобто на 120º (на 2π/3).

 

         Тема 4.7.  Основи теорії електромагнітного поля.

 

         Концепція дальнодії – це така система поглядів на гравітаційні, електричні та магнітні взаємодії, у відповідності з якою, ці взаємодії відбуваються без будь якого матеріального посередника.

Концепція близькодії – це така система поглядів на гравітаційні, електричні та магнітні взаємодії, у відповідності з якою, ці взаємодії відбуваються через певний матеріальний посередник (через відповідне силове поле).

В 1863 році, керуючись ідеями Фарадея про існування електричних і магнітних полів, та узагальнюючи всю сукупність відомих на той час знань про електричні та магнітні явища (закон збереження заряду, закон Кулона, закон Ампера, закон електромагнітної індукції), Джеймс Максвел створює теорію електромагнітного поля (теорію Максвела). В основі цієї теорії лежать чотири базові твердження.

Основні твердження теорії Максвела.

  1. Електричні заряди створюють в навколишньому просторі потенціальні електричні (електростатичні) поля, параметри яких залежать від величини того заряду що створює поле: Е = ƒ(q).
  2. Заряди що рухаються (електричні струми), створюють в навколишньому просторі вихрові магнітні поля, параметри яких, залежать як від величини відповідного заряду так і від швидкості його руху: В = ƒ(q,v).
  3. Змінні магнітні поля створюють в навколишньому просторі вихрові непотенціальні електричні (електродинамічні) поля, параметри яких залежать від швидкості зміни первинного магнітного поля: Е = ƒ(dB/dt).
  4. Змінні електричні поля створюють в навколишньому просторі вихрові магнітні поля, параметри яких залежать від швидкості зміни первинного електричного поля: В = ƒ(dE/dt).

Основні передбачення теорії Максвела.

1.В Природі не існує окремих електричних і окремих магнітних полів. В Природі існує єдине електромагнітне поле.

2. Будь які коливання (будь які зміни швидкості руху) електричних зарядів, струмів чи магнітів, створюють певне енергетичне збурення електромагнітного поля, яке розповсюджується в просторі у вигляді відповідної електромагнітної хвилі.

Електромагнітна хвиля, це таке енергетичне збурення електромагнітного поля, яке з певною швидкістю розповсюджується цим полем і яке характеризується періодичними коливаннями взаємопов’язаних векторів електричної напруженості Е та магнітної індукції В цього поля.

3. У вакуумі, електромагнітні хвилі розповсюджуються з швидкістю 3·108м/с і величина цієї швидкості за будь яких обставин залишається незмінною.

4. На межі двох різних середовищ, електромагнітні хвилі можуть як відбиватись так і заломлюватись. При цьому закони відбивання та заломлення електромагнітних хвиль є аналогічними законам відбивання та заломлення світла.

5. Електромагнітні хвилі створюють певний силовий тиск на перешкоди.

6. Електромагнітні хвилі, це хвилі поперечні.

7. Світло є однією з різновидностей електромагнітних хвиль.

Системою радіозв’язку називають сукупність взаємопов’язаних радіопередавальних та радіоприймальних приладів, які забезпечують передачу інформації за допомогою електромагнітних хвиль.

Радіопередавач, це прилад, який генерує певний високочастотний струм, зашифровує в цьому струмі корисну інформацію та перетворює його в потік відповідних електромагнітних хвиль.

Радіоприймач, це прилад, який із всього різноманіття електромагнітних хвиль, обирає хвилі потрібної частоти (потрібної радіостанції), перетворює енергію цих хвиль у відповідний високочастотний струм, виділяє зашифровану в цьому струмі інформаційну складову та перетворює її у відповідну інформацію.

Системою радіолокації  називають сукупність радіотехнічних засобів, які дозволяють визначати розташування та параметри руху стороннього, віддаленого об’єкту, шляхом його опромінювання імпульсами високочастотних електромагнітних хвиль.

Системою радіонавігації називають сукупність радіотехнічних засобів, які дозволяють визначати координати та параметри руху даного тіла (приладу) на основі обміну електромагнітними імпульсами з іншими тілами.

Подобається