Вступ до курсу "Теоретичні основи електротехніки". Закони електромагнетизму. Основні поняття про електричні кола. Поняття про електричні схеми. Ідеальні елементи електричних схем заміщення

Лекція 1

Тема: Вступ

План лекції

1. Базові знання для засвоєння курсу теоретичних основ електротехніки.

2. Закони електромагнетизму.

3. Основні поняття про електричні кола.

4. Поняття про електричні схеми.

5. Ідеальні елементи електричних схем заміщення

6. Приклади електричних схем заміщення.

1. Базові знання для засвоєння курсу теоретичних основ електротехніки

Вивчення дисципліни «Теоретичні основи електротехніки» базується на знанні наступних основ, що вивчаються в курсах фізики і математики:

1. поняття про електричні, магнітні, енергетичні і механічні величини та одиниці їхнього вимірювання: заряд [Кл], потенціал [В], струм і сила струму [А], напруга [В], електрорушійна сила (ЕРС) [В], опір [Ом] і провідність [См], магнітні потік [Вб] і індукція [Тл], напруженість магнітного поля [А/м], час [с], швидкість [м/с], час­тота [Гц] і кутова частота [с¹], кутова швидкість [рад/с] і частота обертання [об/с, об/хв], електричні, а також інші види енергії [Дж] і потужності [Вт], сила [Н], обертальний момент [Н-м] та ін.

2. закони електромагнетизму: закон Кулона, закон Ома, закон Джоуля-Ленца, закони Кірхгофа, закон Біо-Савара-Лапласа, закон повного струму, закон електромагнітної індукції, правило Ленца, закон Ампера.

3. математичні основи: диференціювання й інтегрування еле­ментарних функцій, операції з тригонометричними функціями, розв'язання алгебраїчних і диференційних рівнянь, дії з векто­рами і комплексними числами та ін.

Основою всіх електромагнітних явищ є електромагнітне поле та електричний заряд. Елек­тромагнітне поле проявляється силовою дією на електрично заря­джені частинки, але природа цього поля і власне заряду є феноме­нами, не пізнаними до кінця.

Електричний заряд q - джерело електромагнітного поля, яке пов'язане з матеріальним носієм; елементарний електричний заряд - це внутрішній параметр елементарної частинки, що визначає її електромагнітну сутність, здатність до взаємодій. Уся сукупність електричних і магнітних явищ є проявом існування, руху і взаємодії електричних зарядів. Розрізняють два види елект­ричних зарядів, які умовно називають позитивними «+» та негатив­ними «-». Останні названі на честь електрона - елементарної нега­тивно зарядженої частинки, заряд електрона е = 1,601-10^-19 Кл.

Електричне поле характеризується векторною величиною - напруженістю електричного поля Е. Чисельно ця величина дорівнює відношенню сили, що діє на заряджену час­тинку, до її заряду і має напрямок сили, що діє на частинку з позитивним зарядом, тобто .

Це поле характеризується векторними величинами: напруженістю магнітного поля Н і пов'язаною з нею магнітною індукцією В. Чисельно магнітна індукція дорівнює відношенню сили F_M до добутку заряду q і швидкості V частинки, тобто , якщо напрямок швидкості такий, що ця сила максимальна. Вектор магнітної індукції перпендикулярний до векторів сили F_M і швидкості V, а його напрямок при цьому збігається з поступовим переміщенням правого гвинта при його обертанні від напрямку сили до напрямку швидкості частинки із позитивним зарядом. У підсумку перелічені величини поєднує формула F_M = q[V-В].

У природному стані різні матеріальні тіла є електрично ней­тральними, тобто елементарні позитивні та негативні заряди рів­номірно розподілені в їхньому об'ємі і врівноважують один одного. Щоб вивільнити заряди різних знаків і примусити їх рухатися в заданому напрямку, треба витратити енергію. Сили, які розділя­ють заряди різних знаків, долаючи електростатичні сили тяжіння між ними, називаються сторонніми. Походження сторонніх сил може бути різним: в електромеханічних генераторах це механічні сили, що передаються через вихрове електричне поле, яке виникає при зміні магнітного поля з часом, або це сили Лоренса, які діють з боку магнітного поля на електрони в проводнику, який рухається; в гальванічних елементах - це хімічні сили; сторонні сили можуть бути безпосереднім проявом теплових процесів, механічного тиску, контактних явищ між різними матеріалами тощо.

Для опису електромагнітних полів і процесів введено цілий ряд формальних фізичних величин. Поряд зі вже згаданими величи­нами виняткову роль мають також наступні електричні величини.

За напрямок струму прийма­ють напрямок руху позитивно заряджених частинок. Якщо струм створюється негативно зарядженими частинками (наприклад, електронами), то напрямок струму вважають протилежним напрямку їхнього руху. Кількісно електричний струм характери­зується скалярною величиною - силою струму І і векторною величиною - густиною електричного струму J. Сила струму дорівнює відношенню абсолютного значення електричного заряду dq, який проходить за малий проміжок часу dt крізь визначену поверхню (наприклад, крізь поперечний переріз провідника), до значення dt;тобто І = dq/dt.

Для опису потенціальної енергетичної здатності електричного поля слугує скалярна величина - електричний потенціал φ. Потенціал даної точки поля є відношенням роботи А, яку може виконати поле, переміщуючи заряд q із даної точки в нескінченно віддалену точку, до самого заряду, тобто φ = А/q. Нескінченно від­далену точку беруть там, де електричне поле відсутнє і де, отже, потенціал дорівнює нулю.