Elektromagnetno polje se sastoji od električno polje(E) i magnetno polje (H) (slika 1.1).

Nabijene čestice stvaraju električno polje. Pod uticajem električnog polja naelektrisanja se kreću, formirajući električnu struju. Struja stvara magnetno polje.

Jačina električnog polja (E) je vektorska veličina koja karakteriše električno polje u svakoj od njegovih tačaka (slika 1.1).

Električni napon između dvije tačke (U) jednak je radu sila polja na pomaku jedinice pozitivan naboj od jedne tačke na terenu do druge. Napon se mjeri u voltima.

Potencijal ( ) je napon između bilo koje tačke električnog polja i zemlje, za čiji se potencijal konvencionalno pretpostavlja da je nula. Potencijal se mjeri u volti.

Napon između dvije tačke električnog polja (na primjer, tačka ALI i tačka AT na sl. 1.2) jednak je razlici potencijala između ovih tačaka:

Uav = a - v

 W = 0 – potencijal zemlje

U AZ = ALI -  W =  ALI

U VZ = AT -  W =  AT

U AB = ALI -  AT

1.2. električni kapacitet. Kondenzatori

Kondenzator - ovo je sistem dva provodnika (ploče) razdvojenih dielektrikom, odnosno materijalom koji ne provodi električnu struju (slika 1.2). Simbol kondenzatora je prikazan na slici 1.3, a- fiksni kondenzator b– varijabilni kapacitet.

Rice. 1.2 Kondenzator 1.3 Simbol Sl. 1.4 Papirni kondenzator

kondenzatori na strujnim kolima

Kondenzatori imaju sposobnost da se akumuliraju na svojim pločama jednake veličine i različitog predznaka električnih naboja Q:

Q = C U 



gdje Q- Naelektrisanje svake od ploča kondenzatora, CL;

U - napetost između ploča, AT;

OD- kapacitivnost kondenzatora, F(Farad).

Kapacitet kondenzatora ( OD) zavisi od oblika i veličine njegovih ploča ( S - pirinač. 1.2), udaljenosti između njih ( d- pirinač. 1.2) i svojstva dielektrika koji razdvaja ploče. Kondenzatori su papirni, liskunski, keramički itd. Papirni kondenzatori (slika 1.4) se sastoje od dvije dugačke trake od aluminijske folije izolovane trakama od voštanog papira.

1.3. Povezivanje kondenzatora

Kada se spoje u seriju kondenzatori su povezani jedan za drugim (na primjer, na slici 1.5 - C 1 i C 2).

Ekvivalentni (ukupni) kapacitet serijski spojenih kondenzatora (C) određuje se formulom

. Za dva kondenzatora

.

Rice. 1.5 Sekvencijalna sl. 1.6 Paralelno 1.7 Miješano

spojni kondenzatori spojni kondenzatori spojni kondenzatori

Kada je povezan paralelno sve pozitivno nabijene kondenzatorske ploče su povezane u jednu tačku u kolu, a negativno nabijene ploče u drugu tačku (slika 1.6). Ekvivalentni kapacitet kada su kondenzatori spojeni paralelno određuje se formulom:

Rad kretanja električnog naboja

Izračunajmo rad pri kretanju električnog naboja u jednoličnom električnom polju intenziteta. Ako se naboj kretao duž linije jačine polja na udaljenosti (slika 134), tada je rad jednak

A = F e(d1-d2) = qE(d1-d2), (39.1)

gdje d 1 i d 2 - udaljenosti od početne i krajnje tačke do ploče AT.
U mehanici se pokazalo da pri kretanju između dvije tačke u gravitacionom polju rad gravitacije ne zavisi od putanje tijela. Sile gravitacijske i elektrostatičke interakcije imaju istu ovisnost o udaljenosti, vektori sila su usmjereni duž prave linije koja povezuje tijela u međusobnoj tački. Iz ovoga slijedi da kada se naboj kreće u električnom polju od jedne tačke do druge, rad sila električnog polja ne ovisi o putanji njegovog kretanja.
Ovaj zaključak potvrđuju najprecizniji eksperimenti.
Kada se smjer kretanja promijeni za 180°, rad sila električnog polja, kao i rad gravitacije, mijenja predznak u suprotan. Ako prilikom pomicanja punjenja q iz tačke AT upravo OD sile električnog polja rade ALI, zatim kada se naboj pomjeri q istim putem od OD upravo AT oni rade posao ALI. Ali budući da rad ne ovisi o putanji, onda kada se krećete duž putanje CKB posao je takođe obavljen ALI. Iz toga slijedi da kada se naboj prvi pomakne iz tačke AT upravo OD, a zatim iz tačke OD upravo AT, tj. duž zatvorene putanje, ukupan rad sila elektrostatičkog polja ispada jednak nuli (slika 135).

Rad sila elektrostatičkog polja tokom kretanja električnog naboja duž bilo koje zatvorene putanje jednak je nuli.
Polje čiji je rad sila duž bilo koje zatvorene putanje jednak nuli se naziva potencijal polje. Gravitacija i elektrostatička polja su potencijalna polja.

Potencijal i napon u električnom polju

Za energetsku karakteristiku svake tačke električnog polja uvodi se koncept "potencijala". Potencijal je označen slovom φ.

Potencijal u svakoj tački električnog polja karakterizira energija W, koju troši (ili se može potrošiti) polje da pomjeri jedinicu pozitivnog naboja q iz date tačke izvan polja, ako je polje stvoreno pozitivnog naboja, ili izvan polja u dati poen, ako je polje stvoreno negativnim nabojem (slika 1.7a).

Iz gornje definicije slijedi da je potencijal u tački A jednak φ A= W A /q; u tački B W V /q, a potencijal u tački C je W C /q.

Potencijal se mjeri u voltima [ φ ] = = J/C = V.

Vrijednost potencijala u svakoj tački električnog polja određena je izrazom

φA =(1.12)

Potencijal je skalarna veličina. Ako električno polje stvara nekoliko naboja, tada je potencijal u svakoj tački polja određen algebarskim zbrojem potencijala koje u toj tački stvara svaki naboj.

Pošto (slika 1. 7a) r A< r В < r С, то из (1.12) следует, что φ А >φ B > φ C, ako je polje stvoreno pozitivnim nabojem.

Ako se u tačku A (slika 1.7a) električnog polja postavi pozitivno probno naelektrisanje, onda će se pod dejstvom sila polja pomeriti od tačke A do tačke B, a zatim do tačke C, tj. u pravcu polja. Dakle, pozitivni test naboj se pomiče od tačke višeg potencijala do tačke nižeg potencijala. između tačaka sa jednaki potencijali punjenje se neće pomjeriti. Stoga, da bi se naboj pomjerio između dvije tačke električnog polja, u tim tačkama mora postojati razlika potencijala.

Razlika potencijala između dvije tačke električnog polja karakterizira napon između ovih tačaka.

U AB \u003d φ A - φ B; U BC \u003d φ B - φ C; U AC \u003d φ A - φ C

Napon između dvije tačke električnog polja karakterizira energija koja se troši na pomicanje jedinice pozitivnog naboja između ovih tačaka, tj. U AB \u003d W AB / q

Napon se mjeri u voltima (V).

Postoji veza između napona i intenziteta u uniformnom električnom polju (slika 1.8)

U AB \u003d φ A - φ B \u003d W AB / q = Fl/q = El,

odakle sledi

E \u003d U AB / l . (1.13)

Iz ove formule se može vidjeti da je jačina jednolikog električnog polja određena omjerom napona između dvije tačke polja i udaljenosti između ovih tačaka.

Jedinica jačine električnog polja je V/m (volti po metru).

Potencijali u tačkama električnog polja imaju različite vrijednosti. Međutim, u električnom polju može se razlikovati više tačaka sa istim potencijalom. Površina koja prolazi kroz ove tačke naziva se ekvipotencijalna ili ekvipotencijalna. Primjer takve površine je obloga cilindričnog kondenzatora (slika 1.7b) i ravnog kondenzatora (slika 1.9). Imaju isti potencijal na cijeloj površini svake ploče i ekvipotencijalne su površine.

3. Struja je fenomen usmjerenog kretanja nosača električnih naboja i (ili) fenomen promjene električnog polja u vremenu, praćen sa magnetsko polje. U metalnim provodnicima iu vakuumu (pod određenim uslovima) struja se formira protokom elektrona, a u tečnostima i gasovima - protokom jona i elektrona.

Tijela koja dobro provode struju nazivaju se provodnici.

Dirigenti. Vrlo često elektroni (posebno oni koji su slabo vezani za jezgro atoma) mogu napustiti svoju orbitu, otići u međuatomski prostor. Takvi elektroni se nazivaju slobodnim. Supstance, u čijem međuatomskom prostoru uvijek postoje slobodni elektroni, provodnici su prve vrste. a struju u provodniku stvaraju slobodni elektroni. Svi metali su uključeni. U praksi su to žice, jezgre kablova, kontakti releja, električne niti. lampe itd.

Otopine kiselina, soli i alkalija (elektrolita) su provodnici druge vrste. U elektrolitu se kontinuirano formiraju pozitivni i negativni ioni. Električnu struju u elektrolitu ne stvaraju slobodni elektroni, već joni.

4. Elektromotorna sila(EMF) - skalar fizička količina karakterizirajući rad vanjskih (nepotencijalnih) sila u izvorima konstantnih ili naizmjenična struja. U zatvorenom provodnom kolu, EMF je jednak radu ovih sila pri kretanju jednog pozitivnog naboja duž strujnog kola.

EMF se može izraziti kao jačina električnog polja vanjskih sila (). U zatvorenoj petlji () tada će EMF biti jednak:

Gdje je element dužine konture.

EMF se, kao i napon, mjeri u voltima. Možeš pričati o tome elektromotorna sila bilo gdje u lancu. Ovo je specifičan rad vanjskih sila ne u cijelom krugu, već samo u ovom dijelu. EMF galvanske ćelije je rad vanjskih sila pri pomicanju jednog pozitivnog naboja unutar ćelije s jednog pola na drugi. Rad vanjskih sila ne može se izraziti kroz razliku potencijala, jer su vanjske sile nepotencijalne i njihov rad ovisi o obliku putanje. Tako je, na primjer, rad vanjskih sila pri pomicanju naboja između strujnih terminala izvan samog izvora jednak nuli.

Volt-amper karakteristike(VAC) - graf ovisnosti struje kroz mrežu s dva terminala od napona na ovoj mreži s dva terminala. Volt-amperska karakteristika opisuje ponašanje mreže s dva terminala pri istosmjernoj struji. Najčešće se smatra VAC nelinearni elementi(stepen nelinearnosti je određen koeficijentom nelinearnosti), budući da je za linearne elemente I–V karakteristika prava linija i nije od posebnog interesa.

Tipični primjeri elemenata koji imaju značajno nelinearnu CVC: dioda, tiristor, zener dioda.

Za tropolne elemente (kao što su tranzistor, tiristor ili cijevna trioda) često se grade familije krivulja, koje su strujno-naponske karakteristike za kolo s dva terminala s ovim ili onako zadatim parametrima na trećem izlazu element.

Treba napomenuti da u stvarnom kolu, posebno onom koji radi na relativno visokim frekvencijama (blizu granica radnog frekvencijskog opsega) za dati uređaj, stvarna ovisnost napona o vremenu može teći duž putanja koje su veoma udaljene od “idealni” CVC. Najčešće je to zbog kapacitivnosti ili drugih inercijskih svojstava elementa.

5. Posao električna struja pokazuje koliki rad je izvršilo električno polje pri kretanju naboja kroz provodnik.

Rad električne struje jednak je proizvodu struje i napona
i za vrijeme trajanja struje u kolu.

Jedinica mjere za rad električne struje u SI sistemu:
[A] = 1 J = 1A. b. c

Snaga električne struje pokazuje rad struje u jedinici vremena.
i jednak je odnosu obavljenog posla i vremena tokom kojeg je ovaj rad obavljen.

(snaga u mehanici obično se označava slovom N, u elektrotehnici - dopisom R)
jer A = IUt, tada je snaga električne struje jednaka:

Jedinica snage električne struje u SI sistemu:

[P] = 1 W (vat) = 1 A. B

6. Najjednostavniji električni krug (slika 12) sadrži izvor električna energija G, prijemnik energije P i dvije linijske žice L 1 i L 2 povezivanje izvora sa prijemnikom energije. Linejske žice su povezane na izvor električne energije s dvije stezaljke, koje se nazivaju pozitivni (+) i negativni (-) pol.

Izvor električne energije pretvara mehaničku, hemijsku, toplotnu ili drugu vrstu energije u električnu energiju. Prijemnik pretvara električnu energiju u drugu vrstu energije - mehaničku, toplinsku, kemijsku, svjetlosnu itd.

Izvori električne energije su generatori (električne mašine koje pokreću bilo koji mehanički motori), baterije i galvanske ćelije, čiji je simbol prikazan na sl. 13. Kao prijemnici električne energije koriste se rasvjetne lampe, elektromotori, električni grijači itd.

I galvanske ćelije i akumulatori su međusobno povezani i formiraju, u prvom slučaju, bateriju galvanskih ćelija, au drugom bateriju akumulatora. Izvor električne energije sa linearnim žicama spojenim na njega i prijemnik energije čine zatvoreni krug. električni krug, kroz koji se odvija kontinuirano kretanje električne energije, koja se naziva električna struja.

D.C u metalnim provodnicima je stabilno stanje kretanje napred slobodnih elektrona u zatvorenom kolu.

Snaga struje koja teče u dva vodiča razmaknuta jedan od drugog na određenoj udaljenosti uzrokuje mehaničke sile djelujući na ove provodnike. Jedinica struje je amper ( a). AT međunarodni sistem jedinice (SI) ampera- jačina nepromjenljive struje koja, prolazeći kroz dva paralelna pravolinijska provodnika beskonačne dužine i zanemarljive okrugli presjek nalazi se na udaljenosti od 1 m jedan od drugog u vakuumu, izazvao bi između ovih vodiča silu od 2 10 -7 njutna ( n) po metru dužine.

Jedinica za snagu u Međunarodnom sistemu jedinica je njutn (n); n= ,

gdje kg – kilograma mase,

m - metar,

sec - sekunda.

Struja određuje količinu struje koja teče kroz poprečni presjek provodnika u jedinici vremena. Ako u vodiču teče struja od 1 A, tada kroz poprečni presjek ovog vodiča teče 1 k električne energije 1 sekundu.

Sa strujom u provodniku I tokom t kroz poprečni presjek ovog provodnika protiče količina električne energije jednaka

Ova zavisnost važi za slučaj kada je tokom vremena t jačina struje ostaje nepromijenjena.

Vodovodne žice i prijemnik energije čine vanjsko kolo u kojem struja teče pod djelovanjem razlike potencijala na stezaljkama izvora energije i usmjerena je od tačke višeg potencijala (pozitivni terminal) do tačke nižeg potencijala (negativnog). terminal)

Ohmov zakon za dio kola i piše se u sljedećem obliku:

Ovaj izraz glasi kako slijedi: struja je direktno proporcionalna naponu i obrnuto proporcionalna otporu.

Trebalo bi da znate da:

I je veličina struje koja teče kroz dio strujnog kola;

U je vrijednost primijenjenog napona na dio kola;

R je vrijednost otpora dijela strujnog kruga koji se razmatra.

Koristeći Ohmov zakon za dio kola, možete izračunati primijenjeni napon na dio kola (slika 1), ili napon na ulaznim terminalima kola (slika 2).

Slika 2. Serijsko kolo koje objašnjava proračun napona na stezaljkama kola.

U ovom slučaju, formula (1) će poprimiti sljedeći oblik:

U = I*R

Ali u isto vrijeme, potrebno je znati struju i otpor dijela strujnog kruga.

Treća verzija Ohmovog zakona za dio kola, koji vam omogućava da izračunate otpor dijela kruga iz poznatih vrijednosti struje i napona, ima sljedeći oblik:

7. Kada su provodnici povezani u seriju, jačina struje u svim provodnicima je ista. Kada su povezani u seriju, svi elementi su međusobno povezani tako da dio kola koji ih uključuje nema jedan čvor.

U prostoru oko električno nabijenog tijela nalazi se električna

polje, što je jedna od vrsta materije. Električno polje ima energiju, koja se manifestira u obliku sila koje djeluju na nabijena tijela u polju.

E

Električno polje se konvencionalno opisuje kao linije sile koje su usmjerene u smjeru u kojem bi se pozitivno nabijena čestica kretala u polju.

H jačina polja. Električno polje djeluje na naboj uveden u njega q (Sl. 4) sa određenom silom F . Stoga se o intenzitetu električnog polja može suditi po vrijednosti sile kojom se određeni električni naboj privlači ili odbija. U elektrotehnici intenzitet polja karakteriše jačina električnog polja E, koji se shvata kao odnos sila F , djelujući na nabijeno tijelo u datoj tački polja, na naboj q ovo tijelo:

E = F / q

Kako se udaljavate od nabijenog tijela, linije električnog polja su manje učestale, odnosno jačina polja E opada (sl. 3, a, b i c). Samo u jednoličnom električnom polju (slika 3d) intenzitet je isti u svim njegovim tačkama.

Električni potencijal. Električno polje ima određenu količinu energije, odnosno sposobnost da izvrši rad koji se može ostvariti ako se u njega unese bilo koji naboj. Ovo punjenje će se kretati u pravcu linije sile radi neki posao. Za karakterizaciju energije pohranjene u svakoj tački električnog polja, uveden je poseban koncept - električni potencijal. Električni potencijal φ polja u datoj tački jednako radu, koje sile ovog polja mogu napraviti kada pomjeraju jedinicu pozitivnog naboja iz ove tačke izvan polja.

Nulti potencijal se konvencionalno uzima kao potencijal koji ima zemljina površina.

E

električni napon. Različite tačke električnog polja imaju različite potencijale. Obično nas malo zanimaju apsolutne vrijednosti potencijala pojedinih tačaka električnog polja, važnije je znati razliku potencijala φ 1 -φ 2 između dve tačke terena ALI i B (Sl. 5). Razlika potencijala φ 1 i φ 2 dvije tačke polja karakteriziraju rad utrošen silama polja da pomjere naboj iz jedne tačke polja sa velikim potencijalom u drugu - tačku sa nižim potencijalom i naziva se električni

voltaža. Električni napon je označen slovom U .

Jedinica za električni napon je Volt (V).

3. Električna struja i električna provodljivost materije.

U tvari smještenoj u električnom polju dolazi do procesa usmjerenog kretanja elementarnih nosilaca električne energije. Nabijene čestice su elektroni ili joni. Kretanje ovih električno nabijenih čestica naziva se električna struja.

Jedinica jačine struje je amper (A). To je takva struja pri kojoj svake sekunde kroz poprečni presjek vodiča prolazi količina električne energije, jednaka 1 cl. U formulama, struja se označava slovom I .

U elektrotehnici se široko koriste i jednosmjerna i naizmjenična struja. Konstantna struja se zove, čija vrijednost i smjer u svakom trenutku ostaju nepromijenjeni (slika 6, a). Struje, čija vrijednost i smjer ne ostaju konstantni, nazivaju se promjenjivim ili promjenljivim.

Svojstvo tvari da provodi električnu struju pod utjecajem električnog polja naziva se električna provodljivost. Električna provodljivost različitih tvari ovisi o koncentraciji slobodnih električno nabijenih čestica. Što ih je više, to je veća električna provodljivost date supstance. Sve tvari, ovisno o električnoj provodljivosti, dijele se u tri grupe: provodnici, dielektrici (izolacijski materijali) i poluvodiči.

Visoka električna provodljivost metala objašnjava se elektronskom teorijom strukture atoma, prema kojoj atomi metala imaju strukturu u kojoj su elektroni u posljednjoj elektronskoj orbiti relativno slabo vezani za jezgra atoma. Stoga se slobodno kreću između atoma, krećući se od jednog do drugog i ispunjavajući prostor između njih. Ovi elektroni se nazivaju besplatno .

Ako metalni provodnik uvedete u električno polje, tada će se slobodni elektroni pod djelovanjem sila polja početi kretati prema pozitivnom polu, stvarajući električnu struju. Na ovaj način, električna struja u metalnim provodnicima naziva se uređena (usmjereno)kretanje slobodnih elektrona.