ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрическое поле и электрический ток

Первопричиной всех электрических явлений в природе является электрический заряд. Простейшими электрическими зарядами можно считать электроны, которые содержатся в каждом атоме любого вещества. Электрическим зарядом обладает и протон — ядро атома, причем электроны и протоны имеют заряды разного знака: протоны — положительные, а электроны — отрицательные. В соответствии с законом Кулона положительные и отрицательные заряды притягиваются друг к другу с определенной силой.

Помимо протонов и электронов, электрическими зарядами могут обладать ионы, соответственно положительные и отрицательные. Носителями зарядов в полупроводниковых приборах являются электроны и дырки, т.е. вакантные валентные уровни атомов полупроводника.

Носители зарядов, т.е. заряженные частицы, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, создают электрическое поле. Так, два заряда разных знаков, размещенные па расстоянии / друг от друга, создают электрическое поле (рис. 1.1.1), основной характеристикой каждой точки которого является векторная величина — напряженность электрического поля Е, равная силе Т, действующей на единичный положительный заряд д, расположенный в точке наблюдения: Приближенная картина топографии напряженности электрического поля двух зарядов, полученная в программе МаЙюас!

Рис. 1.1.1. Приближенная картина топографии напряженности электрического поля двух зарядов, полученная в программе МаЙюас!

Единицей электрического заряда является кулон (К), а напряженности электрического поля — вольт на метр (В/м). Другой характеристикой электрического поля является скалярная величина — потенциал данной точки. Он определяется значением заряда <7 и расстоянием г до него от точки наблюдения поля:

где к = 1/(4ле0) — постоянный коэффициент.

Поскольку такие поля однозначно определяются значениями потенциала в различных точках, они называются потенциальными. В электротехнике большое значение имеет разность потенциалов, например, между двумя точками и и Ь:а - (р/;.

Единицей потенциала и разности потенциалов является вольт (В). Он численно равен работе в 1 джоуль, произведенной при перемещении заряда в 1 кулон против сил поля из данной точки, имеющей потенциал 1 вольт, в бесконечность.

Если в электрическое ноле поместить образец из проводящего материала (проводника), например из металла, то в нем под действием поля будут перемещаться свободные заряды — электроны. Движение электрических зарядов создает электрический ток, называемый током проводимости, который равен скорости переноса электрического заряда через выделенную площадку:

Другое определение тока проводимости — поток вектора плотности тока J через площадку 5:

Единицей электрического тока является ампер (Л), он соответствует перемещению заряда в 1 кулон за 1 с. Ток проводимости в каждой точке проводника характеризуется плотностью тока

где а — удельная электрическая проводимость материала.

Если электрическое поле создается в диэлектрике, то в нем возникают процессы поляризации, вызывающие ток смещения гсм. Полный ток при наличии проводимости и тока смещения

Если электрическое поле не изменяется во времени, то гсм = 0.

Причиной длительного существования тока является электродвижущая сила, которая возникает в результате преобразования в электрическую энергию неэлектрической: химической, тепловой, световой или механической. В процессе преобразования энергии происходит разделение зарядов разных знаков под действием сил неэлектрического происхождения, которые называются сторонними. Для количественного описания сторонних сил вводят понятие напряженности стороннего электрического поля Екоторая численно равна сторонней силе, действующей на единичный положительный заряд. В этом случае ЭДС е определяется линейным интегралом от напряженности стороннего электрического поля:

Электродвижущая сила может возникать и вследствие явления электромагнитной индукции, вызванного изменением магнитного потока Ф через площадку 5 контура. При этом не важно, связано ли это изменение с движением контура или с изменением магнитной индукции В. Из закона электромагнитной индукции следует, что

Напряжение между точками а и Ь рассматриваемой среды равно линейному интегралу от напряженности электрического ноля:

где ?кул — кулоновская (безвихревая, потенциальная) составляющая напряженности электрического поля, которая, в отличие отЕст, удовлетворяет условию

Электрическое поле, не удовлетворяющее этому условию, называется вихревым. В безвихревом (потенциальном) иоле работа по переносу заряда из точки а в точку Ь не зависит от формы пути и равна разности потенциалов:

Таким образом, для поля, характеризуемого напряженностью Е = ?КЛ1, электрическое напряжение совпадает с разностью потенциалов. Единицей ЭДС и напряжения, так же как и разности потенциалов, является вольт.

Упражнение 1.1.1. Ток проводимости

При каких условиях возникнет ток проводимости? Варианты ответов:

  • 1) напряженность электрического поля нс равна нулю;
  • 2) электрическая проводимость нс равна нулю;
  • 3) электрическая проводимость равна нулю и есть переменная поляризация;
  • 4) напряженность электрического поля и электрическая проводимость не

равны нулю;

5) есть переменная поляризация и электрическая проводимость не равна нулю.

Упражнение 1.1.2. Основная единица тока

Как кратко обозначается основная единица измерения тока? Варианты ответов: 1) В; 2) А; 3) Ом; 4) Вт; 5) кА.

Во многих практических случаях электрическое и магнитное поля требуется учитывать лишь в отдельных элементах: в генерирующих, приемных и вспомогательных устройствах. При этом используют интегральные скалярные величины: ЭДС, разность потенциалов, напряжение и ток. Векторныеже величины, характеризующие электрическое и магнитное поля в каждой его точке (напряженность электрического поля, электрическое смещение, магнитная индукция и напряженность магнитного ноля, плотность тока), для расчета и анализа электромагнитных процессов, происходящих в этих элементах, обычно не рассматриваются.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >