Электричество и электрическая железная дорога. Конспект лекций по физике

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

 Уральский государственный университет путей сообщения

Челябинский институт путей сообщения

Кафедра Естественнонаучных дисциплин

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

и

электрическая железная дорога

конспект лекций по физике

Челябинск.

2012

УДК 532 (07)

ЗЛЕКТРИЧЕСТВО. Учебное пособие по физике для студентов института путей сообщения.

Учебное пособие представляет собой курс лекций по физике.  Пособие написано в соответствии с программой для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.  Однако, в отличие от Общего курса физики в данном учебном пособии дополнительно рассмотрены вопросы применения физических законов к процессам на электрическом железнодорожном транспорте.  Такие как, принцип работы тяговых электродвигателей, закон Ома для электрической железной дороги, регулирование скорости поезда, система электромагнитной подвески и работа линейного асинхронного двигателя экипажа ВСНТ.

Все формулы и решения задач приведены в Международной системе единиц СИ..

Автор:   А. В. Шушарин, ст. преподаватель кафедры ЕНД,

Рецензенты:  В. Л. Федяев, доцент, зам. директора ЧИПС, канд. техн. наук;

М.А. Круглова, доцент, канд. пед. наук.

Печатается по решению научно-методического Совета

Челябинского института путей сообщения

Филиал Уральского государственного университета путей сообщения

Челябинский институт путей сообщения,  2012.

Жизнь современного человека невозможно представить без применения электричества.  Всё, что необходимо для удовлетворения материальных и духовных потребностей осуществляется с помощью электрической энергии. Объясняется это тем, что электрическая энергия сравнительно  просто превращается в другие виды используемой человеком энергии: механическую, тепловую, химическую, световую. Кроме того, электроэнергию, в отличие от других видов энергии, можно передавать на огромные расстояния от электростанций до потребителя.

Представление об электрических явлениях должен иметь каждый человек. Знание курса электричества необходимо студенту при изучении технических дисциплин. Знание курса необходимо инженеру–транспортнику для компетентного решения технических проблем.

1. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ,  НАПРЯЖЕННОСТЬ

1. Электростатика изучает взаимодействие неподвижных электрических  зарядов.

Экспериментально в 17 веке установлено, что в природе существует два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные заряды. По современным представлениям известно, что тела состоят из атомов, в которых положительный заряд протонов в ядре атома  компенсируется отрицательным зарядом такого же числа электронов оболочки атома. Электроны могут сравнительно легко перемещаться, например, при трении тел. Следовательно, отрицательный заряд тела обусловлен избытком  электронов, а положительный – недостатком электронов по сравнению с числом протонов.     Электрический заряд тел или частиц  является дискретным, кратным элементарному заряду электрона –1,6∙10^-19 Кл.

2. В электрически изолированной системе тел  алгебраическая сумма зарядов тел постоянна. Это закон сохранения электрического заряда. Он обусловлен постоянством числа протонов и электронов в телах.

3. Единственным экспериментальным законом электростатики является закон Кулона для силы взаимодействия точечных зарядов (рис.1.1). 

Сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.   Одноименные заряды отталкиваются,  разноименные – притягиваются.

                                                      1.1

Здесь  ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, учитывает ослабление взаимодействия электрических зарядов явлением поляризации среды, ε₀ = 8,65∙10^-12 Ф/м – электрическая постоянная, коэффициент пропорциональности между механическими и электрическими единицами. Заряженное тело можно считать точечным, если его размеры много меньше расстояний между телами.

4. Взаимодействие между неподвижными заряженными телами осуществляется посредством электростатического поля. Это одна из форм существования материи. Электрические заряды изменяют состояние окружающей среды, создают электростатическое поле, которое обнаруживается по действию на другой заряд, внесенный в поле. Отношение силы к величине внесенного заряда является силовой характеристикой поля, называемой напряженностью

 .                                                      1.2

Направление вектора напряженности совпадает с вектором силы, действующей на положительный заряд, внесенный в данную точку поля.

Внесем в поле точечного электрического заряда q=q₁небольшой пробный заряд.  Сила, действующая на пробный заряд, определяется законом Кулона. Поделим формулу силы  (1.1) на величину пробного заряда q_пр=q₂  и после сокращения получим формулу напряженности поля, создаваемого точечным зарядом  q

.                                                     1.3

Здесь r– длина радиус-вектора  от заряда до точки наблюдения. Пробный заряд должен быть настолько мал, чтобы не искажать распределения зарядов на теле – источнике поля.