Lek1 (1274693), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Наличие зарядов на поверхности необходимо учитыватьпри использовании этих устройств; часто возникает необходимость оградить проводникот влияния внешних электрических полей. Количественная характеристика способностисистемы заряженных проводников накапливать электрический заряд определяется какэлектрическая емкость системы.Явление индуцирования зарядов связано не только с проводниками. Если во внешнееэлектрическое поле внести диэлектрик, то на его поверхности также появляется заряд.Однако между явлением электростатической индукции в проводниках и появлениемзаряда на поверхности диэлектрика имеется существенная разница. При внесениипроводника (даже в случае "плохого" проводника) во внешнее электрическое поле внутрипроводник остается электрически нейтрален, свободные электроны продолжаютперемещаться по всему объему проводника. В диэлектрике свободного перемещениязарядов практически нет, электроны перемещаются по своим орбитам.
Разделение,смещение зарядов происходит в пределах молекулы. Это явление носит названиеполяризации диэлектрика. Более подробно о разных типах диэлектриков рассказано в 3главе. Под действием внешнего электрического поля поляризованные молекулы стремятсяповернуться так, чтобы их оси совпали с направлением внешнего магнитного поля.Появляется ненулевое поле внутри диэлектрика; как правило, это внутреннее поленаправлено против внешнего электрического поля и результирующая напряженностьвнутри диэлектрика становится меньше (на этом основаны изолирующие свойствадиэлектриков).
На поверхности диэлектрика появляется отрицательный илиположительный связанный заряд10.10На поверхности диэлектрика индуцируется связанный заряд, на поверхности проводника - свободный.Для количественного описания явления электрической индукции в проводниках используют характеристикуD - вектор электрического смещения, для диэлектриков P - вектор электрической поляризации.Величины D и P определяются количеством индуцированного заряда в единице площади, соответственносвободного и связанного, т.е. по размерности совпадают с поверхностной плотностью заряда [Кл/м2].
Влинейных изотропных диэлектриках направление векторов совпадает с направлением напряженностивнешнего электрического поля E .В отличие от индуцированных зарядов на проводнике поляризованные зарядыдиэлектрика нельзя отделить один от другого. Как правило, с устранением внешнегоэлектрического поля поляризация исчезает. С увеличением напряженности внешнегоэлектрического поля может произойти разрушение межмолекулярных связей - пробойдиэлектрика. В таком случае появляются свободные заряды и, соответственно,электрические токи, вызывающие нагрев диэлектрика.1.3. Магнитные явления.
Основные характеристики магнитного поля.Помимо электростатической силы на заряд действует также магнитная сила, котораяпропорциональна скорости заряда. Магнитные явления возникают при движении зарядовили при наличии электрических токов. В первую очередь это ток проводимости.Подробно о проводниках будет рассказано в 3 главе, но если говорить кратко, то вметаллическом проводнике положительные заряды (ядра атомов) образуюткристаллическую решетку; электроны проводимости, не привязанные к определенныморбитам, могут свободно перемещаться в объеме проводника.
При отсутствии внешнегоэлектрического поля электроны проводимости непрерывно и хаотически перемещаютсяво всех направлениях . Под действием внешнего электрического поля (приложеннойэлектродвижущей силы, ЭДС) движение электронов проводимости приобретаетнаправленный характер и появляется электрический ток11. В некоторых проводниках,например, в газах, в направленном движении могут принимать участие положительнозаряженные ионы. Любой электрический ток является источником магнитного поля, налюбой проводник с током действует магнитное поле.
Если к прямолинейному проводникус электрическим током поднести магнитную стрелку, то стрелка будет стремиться статьперпендикулярно плоскости, проходящей через ось и центр вращения стрелки. Это иуказывает на то, что на магнитную стрелку действует магнитная сила, а проводник стоком окружен магнитным полем.11Необходимо отметить несоответствие положений классической электротехники "физической природе"токов проводимости.
За направление электрического тока в электротехнике принято направлениедвижения положительных зарядов, исходя из этого показывается "стрелка" направления тока и напряжения,составляются уравнения для расчета токов и напряжений. Такого несоответствия не возникло бы, если быэлектрону был приписан положительный, а не отрицательный заряд. Но так исторически сложилось,поэтому в электротехнике всегда говорят об условно-положительном направлении тока. Для численныхрасчетов показаний приборов, мощностей не так уж важна "физическая природа" токов проводимости,главное - правильный расчет.Направление магнитных индукционных линий изменится, если изменить направлениетока в проводнике, но всегда при любом направлении тока в прямолинейном проводникемагнитные индукционные линии будут иметь вид концентрических окружностей и чемближе к проводнику, тем гуще будут располагаться эти линии. Магнитное поле - одно изважнейших проявлений электрического тока и не может быть получено отдельно оттока12.
Аналогично электрическому полю характеристика, определяющая интенсивностьмагнитного поля определяется по механической силе, действующей на пробник проводник с током (или движущийся заряд). Эта векторная величина называетсямагнитная индукция B и имеет размерность [Н/А∙м]; этой единице присвоеноспециальное наименование тесла [Тл]. Направление вектора B определяется по правилуправой руки: большой палец правой руки ориентируют по току, остальные пальцы всогнутом положении укажут направление силовых линий магнитного поля.Для характеристики магнитного поля в вакууме (воздухе) используют такжевекторную величину напряженность магнитного поля Н, имеющую размерность[А/м].
Силовые линии магнитной индукции и напряженности магнитного полясовпадают. Необходимость введения двух силовых характеристик магнитного поляобусловлено магнитными свойствами некоторых материалов, способностью к12Наличие магнитного поля постоянных магнитов обусловлено замкнутыми внутриатомными токами,магнитное поле Земли определяется наличием токов в жидком металлическом ядре, токов в ионосфере.намагничиванию за счет внутренних элементарных токов, называемых токами Ампера 13.Напряженность магнитного поля обусловлено токами проводимости и определяет поле вокружающем проводник воздухе, а магнитная индукция учитывает также магнитноеполе элементарных токов и определяет магнитное поле в любой среде14.Аналогично определению электрического потока, или числа силовых линийэлектрического поля, вводится понятие магнитного потока (греческая "фи").Поскольку почти все количественные соотношения и характеристики магнитных системопределяются через магнитный поток, единице магнитного потока присвоеноспециальное наименование вебер [Вб].
Магнитный поток - число силовых линиймагнитной индукции, пронизывающих выбранную поверхность перпендикулярно (иличисло проекций вектора магнитной индукции на нормаль к поверхности). Для расчетамагнитной индукции магнитного поля системы проводников с токами, используют законБио-Савара. Для определения напряженностии индукции магнитного поляпрямолинейного проводника с током используют закон Ампера или закон полноготока. Вводится понятие циркуляции вектора напряженности магнитного поля иливектора магнитной индукции вдоль контура, стягивающего некоторую площадку.Алгебраическую сумму токов, пронизывающих поверхность, ограниченную этимконтуром, называют полным током. Циркуляция напряженности магнитного поля равнаполному току, а циркуляция магнитной индукции пропорциональна полному току. ЗаконАмпера играет такую же роль, как и теорема Гаусса для электростатического поля.
Но вотличии от теоремы Гаусса, в случае замкнутой поверхности количество силовыхлиний, входящих внутрь поверхности равно количеству силовых линий, выходящих изнее, т.е. магнитный поток будет равен нулю. Это означает, что силовые линиимагнитного поля всегда замкнуты. В случае прямолинейного проводника с токомсиловые линии имеют вид концентрических окружностей, при наличии магнитов илинамагниченных тел всегда есть два полюса - "северный" и "южный", соответственно"начало" и "конец" силовых линий. Для определения направления силовых линий такжеиспользуют правило правой руки или правило правого винта ("буравчика").
Магнитныеиндукционные линии внутри магнита идут от "южного" полюса к "северному", внемагнита от полюса "северного" к "южному". Магнитные индукционные линии никогдане пересекаются, имеют стремление укоротиться по своей длине, т.е. продольновытянуты. Вдоль силовых линий выстраиваются магнитные стрелки.13В природе встречается железная руда (магнитный железняк), которая обладает свойством притягивать ксебе стальные или чугунные предметы. Такая руда называется природным магнитом. Если приложить кмагниту стальные или чугунные предметы, то они также становятся магнитными.
Предметы изуглеродистой стали сохраняют магнитные свойства и после воздействия на них магнита. Такие стальныепредметы называются искусственными магнитами. Более подробно о материалах с сильно выраженнымимагнитными свойствами см. в главе 3.14Для воздуха (вакуума) количественная связь между магнитной индукцией В и напряженностьюмагнитного поля Н устанавливается через размерный коэффициент0 4107 Гн/м.Катушку с большим количеством витков, плотно прилегающих друг к другу,называют соленоидом. Если по виткам катушки пропустить электрический ток, томагнитное поле внутри соленоида будет почти однородным.
Соленоид, внутри которогонаходится сердечник из углеродистой стали, называется электромагнитом. Магнитноеполе внутри электромагнита усиливается и только небольшая часть силовых линийвыходит за сердечник (так называемое "рассеивание"). Для определения полюсовмагнитного поля соленоида используют правило "буравчика": если расположить буравчиквдоль оси соленоида и вращать его по направлению тока, то поступательное движениебуравчика покажет направление силовых линий магнитного поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
