Сила взаимодействия зарядов

Электротехника

(базовый курс)

 

Часть I

 

Учебное пособие

для специальности 15.02.07

“Автоматизация технологических процессов и производств”

 

 

Пермь 2016

 

 


 

Автор: кандидат технических наук доцент Хлыбов Александр Борисович

 

Рекомендовано предметной цикловой комиссией электротехнических дисциплин

Протокол № 8 от 14 апреля 2016г.

 

 


 

Оглавление

Основы электростатики3

Электрическое поле

Взаимодействие зарядов 3

Потенциал 5

Напряженность поля 6

Понятие об электрическом поле 7

Проводники и диэлектрики 8

Электрическая емкость. Конденсаторы 9

Соединения конденсаторов 11

Электрические цепи постоянного тока15

Источники и приемники электрической цепи постоянного тока 15

Электрическое сопротивление 16

Закон Ома 18

Последовательное, параллельное и смешанное соединение резисторов 21

Законы Кирхгофа 24 Работа и мощность электрического тока 28

Коэффицент полезного действия 30

Закон Джоуля-Ленца 31

Химическое действие электрического тока 32

Электромагнетизм33

Магнитные цепи 33

Основные сведенья о магнитном поле 33

Характеристики магнитного поля 35

Проводники с током в магнитном поле 38

Расчет магнитной цепи 39

Электромагнитная индукция 41

Закон электромагнитной индукции 41

Самоиндукция .Индуктивность 43

Взаимоиндукция 44

Вихревые токи 45

Электрические цепи переменного тока47

Однофазные электрические цепи переменного тока 47

Переменный ток .Основные параметры. 47

Векторное изображение электрических величин 50

Электрическая цепь переменного тока с резистивным элементом 51

Электрическая цепь переменного тока с индуктивным элементом 53

Электрическая цепь переменного тока емкостным элементом 55

Цепь переменного тока с активным, индуктивным и емкостнымсопротивлением 57

Резонанс напряжений 61

Резонанс токов 64

Мощность в цепях переменного тока 66

Трехфазные электрические цепи 69

Общие понятия и определения 69

Схема соединения трехфазного генератора и приемника электрической энергии 71

Мощность трехфазной электрической цепи 74

Приложения77

Приложение 1 Греческий алфавит 77

Приложение 2 Основные электрические единицы 78

Приложение 3 Обозначения кратных и дольных единиц измерения 82

Приложение 4 Удельное электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления основных электротехнических материалов 83

Приложение 5 Среднее значение относительной диэлектрической проницаемости основных электротехнических материалов 84

Приложение 6 Нагревание проводников электрическим током 85

Приложение 7 Нелинейные сопротивления 87

Приложение 8 Химическое действие электрического тока 89

Приложение 9 Гальванические элементы. 92

Приложение 10 Аккумуляторы 94

Приложения 11 Режимы работы электрической цепи 99

Приложения 12 Расчетные формулы по электротехнике 103

Приложения 13 Расчёт сложных электрических цепей 108

Приложение 14 Условные графические обозначения на электрических схемах 111

Приложение 15 Буквенные обозначения некоторых основных величин 121

Приложение 16 Буквенные коды элементов электрических схем 123

Приложение 17 Элементы техники безопасности 125

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Электрическое поле —это особый, отличный от вещества, вид материи, через которую передается действие одних заряженных тел на другие.

Электрическое поле неотделимо от заряда, существует вместе с ним и окружает его. Под действием сил электрического поля происходит взаимодействие зарядов — их взаимное притяжение и отталкивание. Электрическое поле возникает вокруг заряда в любой среде и даже в вакууме. Поле всякого заряженного тела составлено из полей, принадлежащих отдельным элементарным зарядам — электронам и протонам. Если в электрическое поле поместить пробный положительный заряд, то силы этого поля окажут на него воздействие, стремясь переместить его в определенном направлении.

 

Рис .1 .Условное обозначение электрического поля: а)положительный заряд б)отрицательный заряд в)два разноименных заряда г)одноименные заряды

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется электрическим полем?

2. Какая линия электрического поля называется силовой?

3. Какое электрическое поле называется тормозящим, а какое — ускоряющим?

 

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯДОВ.

ЗАКОН КУЛОНА

Электрические заряды взаимодействуют между собой, т. е. одноименные заряды взаимно отталкиваются, а разноименные притягиваются. Силы взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона и направлены по прямой линии, соединяющей точки, в которых сосредоточены заряды.

 

 

Согласно закону Кулона сила взаимодействия двух сил точечных электрических зарядов прямо пропорциональна произведению количества электричества в этих зарядах ,обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды в которой находиться заряды:

где F — сила взаимодействия зарядов, Н; количество электричества каждого заряда, Кл; — абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (материала);

r—расстояние между зарядами,(м).

 

Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды характеризует электрические свойства той среды, в которой находятся взаимодействующие заряды. В Международной системе единиц (СИ) измеряется в фарадах на метр (Ф/м) и определяется по формуле

 

где — электрическая постоянная, равная абсолютной диэлектри­

ческой проницаемости вакуума, = 8,86-10-12 Ф/м.

 

Величина показывает, во сколько раз в данной среде электрические заряды взаимодействуют между собой слабее, чем в вакууме, и называется относительной диэлектрической проницаемостью

Пример.1Определить силу взаимодействия между двумя зарядами, находящимися пустоте на расстоянии один от другого 5 см. Величина зарядов равна и

3 Кл.

Решение

Сила взаимодействия зарядов

Те же заряды, помещенные на том же расстоянии в керосин, будут взаимодействовать между собой ссилойт.е. сила уменьшилась в два раза

 

Запомните

Большие электрические заряды взаимодействуют сильнее, чем малые. С увеличением расстояния между зарядами сила их взаимодействия значительно слабее

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

 

1. В чем состоит суть закона Кулона? Сформулируйте его.

2. В каких единицах измеряется абсолютная диэлектрическая проницаемость среды и что она характеризует?

ПОТЕНЦИАЛ

Основными величинами, характеризующими каждую точку электрического поля, являются потенциал и напряженность поля. При внесении электрического заряда в электрическое поле приходится затрачивать определенную работу на преодоление сил этого поля

 

Электрический потенциал-величина ,определяющая запас энергии (потенциальную энергию) единицы количества электричества, находящийся в данной точке электрического поля.

 

Потенциалом данной точки поляназывается работа, которую затрачивает электрическое поле, когда оно перемещает положительную единицу заряда из данной точки поля в бесконечно удаленную точку.

 

Чтобы переместить заряд +q из бесконечно удаленной точки снова в точку В, внешние силы должны произвести работу А, идущую на преодоление электрических сил поля. Потенциал точки В равен отношению работы и количества электричества:

 

Работа А сил электрического поля, Н • м, определяется произведением силы на путь:

 

где F — сила, Н; S — путь, м.

 

 

 

Рис.2.Разность потенциалов между различными точками

электрического поля

 

В электрическом поле положительного заряда потенциал любой точки положителена поле отрицательного заряда - отрицателен.

При перемещении заряда в пределах электрического поля (рис.2) из точки А в точку В, потенциалы которых соответственно равны и, работа, совершаемая силами поля, будет равна разности потенциальной энергии, которой этот заряд обладает в начальной и конечной точках своего пути, т. е. в точках А и В. Таким

образом, работа А заряда выразится формулой

 

Разность потенциалов принято называть напряжением, обозначать буквой Uи измерять, так же как потенциал, в вольтах.

 

Пример 2. В точке А электрического поля потенциал относительно

земли = 16В, в точке В потенциал = 10В, а в точке С потенциал = -4 В.

Определить разность потенциалов — напряжение между этими точками.

Решение

=16-10 = 6B

=10-(-4)=14B

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Какие величины характеризуют каждую точку электрического поля?

2. Что понимают под электрическим потенциалом?

3. Что называется потенциалом данной точки поля?

 

 

НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ

Электрическое поле в каждой своей точке характеризуется напряженностью. Чем больше сила F, с которой электрическое полеДействует на заряд q, внесенный в его пределы, тем больше напряженность поля. В различных точках электрического поля напряженность может быть разной. Напряженность поля, В/м, определяется формулой

 

где F— сила действия электрического поля на заряд, Н; q— величина электрического заряда, Кл.

Не следует путать понятия «напряженность электрического поля» и «напряжение»

Запомните

Напряженность электрического поля характеризует поле в какой-либо одной точке посредством силы, действующей на единичный заряд, внесенный в эту точку, а напряжение— это разность потенциалов между двумя точками электрического поля, т. е. работа, совершаемая силами поля при перемещении единичного заряда

из одной точки в другую.