2. Основы электричества
2.1. Заряд электричества. Заряд электричества - это объект, проявляющий свойство источника силы при взаимодействии с электрическим или магнитным полем (определение полей следует ниже). Различают положительные и отрицательные заряды электричества. Обычно заряды обозначают буквойQ.
2.2 Ток. Ток – это направленное движение зарядов с некоторой скоростью.
2.3. Сила тока. Количество электричества (количество зарядов), проходящего через сечение проводника в единицу времени. Сила тока измеряется в Амперах. Ампер - исходная стандартизованная величина в научной системе единиц (МКСА – метр, килограмм, секунда, Ампер). Сила тока измеряется приборами, которые называют амперметрами. Если ток положительный и течет в приборе от положительной клеммы амперметра к общей клемме, то стрелка прибора отклоняется в положительную сторону. Прибор при этом показывает силу тока (I) в единицах, которые и названы Амперами [A].
2.4. Положительный единичный заряд.
Заряд, который проходит через сечение проводника в одну секунду при токе в 1 А. Единичный заряд носит название Кулон [Kл].
Исходя из этих определений, силу тока можно представить следующим образом. Пусть в некотором сечении проводника прошел заряд ΔQза времяΔtприΔt→0. Тогда сила токаIвыразится следующим образом
I=ΔQ/(Δt→0)=dQ/dt.
2.5. ПолеПространство, каждой точке которого поставлено в соответствие вектор (векторное поле) или число (скалярное поле).
2.6Электрическое поле.Пространство, в котором настационарный (неподвижный) электрический заряд действует механическая сила. Это поле векторное, так как сила имеет направление и величину (см. раздел «Механика»).
2.7. Магнитное поле.Пространство, в котором надвижущийсяс некоторой скоростью заряд действует механическая сила. Направление силы определяется по правилу «Левой руки», см. рис. 15. Линии магнитного поля входят в ладонь, пальцы ладони показывают направление скорости движущего заряда, отогнутый большой палец показывает направление силы действующей на движущийся заряд.
Рис.15. направление силы действующей на
движущийся заряд.
Сделаем первое обобщение. В судовых электрических машинах магнитное поле оформлено в магнитный поток полюсов машины, а движущийся заряд наряду с другими движущимися зарядами определяют силу тока. Кроме того, для вращающихся машин рассматривают не силу, а вращающий момент λ, как эквивалент силы. Наконец сил без противосил, а соответственно момент механический без электрического противомомента, не бывает. Поэтому можно написать в относительных единицах следующее равенство
,
где
- относительное значение механического
(тормозного) момента на валу,
m- относительное значение электромагнитного момента,
ϕ- относительное значение магнитного потока,iA - относительное значение тока, который называется активный ток (ток, производящий работу).
2.8.Напряжение
Напряжение это работа силэлектрического поляпри перемещении положительного единичного электрического заряда (+1 Кл) из точки (от клеммы) “а” в точку (к клемме) “b”, рис 16.
U=Fe•s, гдеFe. – сила, действующая на положительный единичный заряд (эту силу называют напряженностью электрического поля [Fe/Кл], не путать с напряжением),s– расстояние между точками электрического поля (клеммами). Электрическое поле имеет свойство постоянства рассмотренной выше работы между точками не зависимо от траектории (так называемые, потенциальные поля). Так, на рис. 16 видим две траектории: одну кратчайшую между точками, а другую по некоторой дуге. Но, несмотря на то, что дуга длиннее, работы будут одинаковы. Соответственно составляющие сил вдоль дуги будут меньше. В интегральной форме напряжение будет выглядеть так:
,
где Fe dsтак называемое скалярное произведение двух векторов, т.е. величина проекции вектора силыFe на направление вектора перемещенияdsумноженная на абсолютную величину вектора (модуль вектора) этого перемещенияds. Так, например, центробежные силы, которые всегда направлены под прямым углом к перемещению вращающейся массы, никакой работы не производят, так как длина проекции этих сил на перемещение равна нулю.
Напряжение измеряется в Вольтах. 1 Вольт означает, что на перенос единичного заряда из точки “a” в точку “b” затрачивается работа в 1 Н•м. Вольт имеет размерность [Н•м/Кл] или [Дж./Кл]. Если перенесеноdQзарядов, то работа электрического поля будетdA=dQ•U. Отсюда напряжение можно определить и так:
U=dA/dQ.2.9. Потенциал точки
Потенциал точки(клеммы) - это напряжение между рассматриваемой точкой и некоторой другой точкой, которая принята за исходную точку, потенциал которой считается нулевым.2.10. Мощность.
Мощность. Это работа электрического поля при переносе электрических зарядов из точки “a” в точку “b” в единицу времени. Пусть за времяdtиз точки “a” в точку “b” перенесеноdQзарядов. При этом затраченоdAработы электрического поля. Тогда мощность электричества в цепи “a” , “b” будет
P=dA/dt=( dQ• U)/dt = (dQ/dt) • U=I • U=U • I
Итак, мощность электричества при наличии тока, текущего из точки “a” в точку “b” будет произведение напряжения на силу тока
P= U • I.
Действительно, сила тока – это количество зарядов, прошедших в единицу времени через сечение проводника между точками “a”, “b”. На каждую единицу заряда затрачивается работа, равная напряжению между указанными точками. Следовательно, всего в единицу времени работа поля будет равна произведению силы тока на напряжение.