eng
Содержание
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ. СИСТЕМА СИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
Часть 1. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЕГО ПЕРЕМЕННЫЕ
Глава 1. ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО?
1.1.
Частицы, электрические заряды и носители зарядов
1.2.
Явление проводимости. Электрический ток
1.3.
Электрический потенциал заряда
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
2.1.
Двухполюсники
2.2.
Теоремы об электрических цепях
Глава 3. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
3.1.
Электрическое поле и электрическая индукция
3.2.
Электрический потенциал
3.3.
Принцип действия конденсатора
Глава 4. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ – ФЕРРОМАГНЕТИЗМ
4.1.
Магнитное поле
4.2.
Магнитная индукция
4.3.
Немагнитные среды
4.4.
Ферромагнитные среды
4.5.
Поток магнитной индукции
4.6.
Магнитное сопротивление идеальной магнитной цепи
4.7.
Поток самоиндукции
4.8.
Цепи с переменным потоком
Глава 5. УСТАНОВИВШИЕСЯ СИНУСОИДАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В
ОДНОФАЗНЫХ СИСТЕМАХ
5.1.
Свойства синусоидальных величин
5.2.
Установившиеся синусоидальные процессы. Методы расчетов
5.3.
Полные комплексные сопротивления и проводимость двухполюсника
5.4.
Мощности. Коэффициент мощности
5.5.
Добротность. Последовательно-параллельное преобразование
5.6.
Резонансные цепи
5.7.
Частотные свойства. Комплексная передаточная функция
Глава 6. УСТАНОВИВШИЕСЯ СИНУСОИДАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ В
ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЯХ
6.1.
Трехфазные установки. Определения
6.2.
Соединения
6.3.
Мощности. Коэффициент мощности
Глава 7. ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ. СРЕДНЕЕ И ДЕЙСТВУЮЩЕЕ
ЗНАЧЕНИЯ
7.1.
Динамический режим
7.2.
Среднее значение
7.3.
Действующее значение
7.4.
Разложение периодического сигнала
7.5.
Свойства сигнала
Глава 8. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС. РЯДЫ ФУРЬЕ
8.1.
Ряды Фурье
8.2.
Физический смысл периодических процессов
8.3.
Графическое представление спектров
8.4.
Некоторые классические сигналы
Глава 9. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЕ
9.1.
Линейная система
9.2.
Общий принцип исследования переходных процессов
9.3.
Линейная система первого порядка
9.4.
Линейная система второго порядка
Глава 10. СИМВОЛИЧЕСКИЙ МЕТОД. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛАПЛАСА
10.1.
Функция воздействия
10.2.
Единичные импульсы Дирака
10.3.
Преобразование Лапласа
10.4.
Исследование линейной системы
10.5.
Линейная система первого порядка
10.6.
Линейная система второго порядка
Часть 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
Глава 11. СОПРОТИВЛЕНИЯ
11.1.
Основная модель
11.2.
Ограничения и допущения
11.3.
Переменные и подстроечные сопротивления. Потенциометры
Глава 12. КОНДЕНСАТОРЫ
12.1.
Основная модель
12.2.
Ограничения и допущения
Глава 13. ИНДУКТИВНО НЕСВЯЗАННЫЕ КАТУШКИ
13.1.
Основная модель
13.2.
Ограничения и допущения
Глава 14. ИНДУКТИВНО СВЯЗАННЫЕ КАТУШКИ
14.1.
Основная модель
14.2.
Ограничения и допущения
Глава 15. ТРАНСФОРМАТОРЫ
15.1.
Введение
15.2.
Идеальный трансформатор (И.Т.)
15.3.
Трансформатор без потерь и рассеяния (Т.Б.П.Р.)
15.4.
Трансформатор с рассеянием и потерями в меди
15.5.
Трансформатор с рассеянием магнитного потока, потерями в меди и в железе
15.6.
Трансформатор Каппа
15.7.
Реальный трансформатор. Нелинейности.
Глава 16. ДИОДЫ
16.1.
Диоды с PN-переходом
16.2.
Особенности некоторых диодов
Глава 17. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
17.1.
Условные обозначение. Устройство
17.2.
NPN-транзистор
17.3.
PNP- транзистор
17.4.
Специальные транзисторы
Глава 18. MOП-ТРАНЗИСТОРЫ
18.1.
Условные обозначения. Устройство
18.2.
N-канальный обогащенный полевой транзистор
18.3.
P-канальный обогащенный полевой транзистор
18.4.
Обедненный полевой MOП-транзистор
18.5.
Логический уровень полевого транзистора
18.6.
Полевой MOП-транзистор для измерения тока
18.7.
Полевой МОП-транзистор с быстрым диодом
18.8.
Биполярный транзистор с изолированным затвором
Глава 19. ТИРИСТОРЫ
19.1.
Управляемые выпрямители (УВ)
19.2.
Двухоперационные тиристоры
19.3.
Семистор
19.4.
Импульсный диод
19.5.
Проблемы внедрения тиристоров и семисторов
Глава 20. ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
20.1.
Общие вопросы
20.2.
Светодиоды
20.3.
Диоды LASER
20.4.
Фотодиоды
20.5.
Фототранзисторы
20.6.
Солнечные батареи
20.7.
Оптроны
Глава 21. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
21.1.
Условное обозначение. Структура
21.2.
Простейшая идеальная модель
21.3.
Ограничения и допущения
Глава 22. АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ
22.1.
Условные обозначения. Описание
22.2
Элементарная модель. Идеальная модель
22.3.
Ограничения и допущения
Глава 23. ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ
23.1.
Электрические аналоги тепловой модели
23.2.
Пути тепловых потерь
23.3.
Статическая тепловая модель (непрерывная)
23.4.
Динамическая тепловая модель (переходная)
23.5.
Составляющие охлаждения
Часть 3. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Глава 24. АНАЛОГОВЫЕ ФИЛЬТРЫ
24.1.
Назначение. Идеальные фильтры
24.2.
Элементарные передаточные функции
24.3.
Аппроксимация идеальных аналоговых фильтров
24.4.
Эталонная частота. Неискажающий фильтр
Глава 25. УСИЛЕНИЕ И АНАЛОГОВЫЕ ОПЕРАЦИИ
25.1.
Общие вопросы. Определения
25.2.
Усиление по напряжению
25.3.
Усиление по току
25.4.
Преобразование ток-напряжение (полное переходное сопротивление)
25.5.
Преобразование напряжение-ток (полная переходная проводимость)
25.6.
Дифференциальное усиление
25.7.
Усиление мощности
25.8.
Согласование сопротивление
25.9.
Другие аналоговые операции с сигналами
Глава 26. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ
26.1.
Введение
26.2.
Дифференциальное исчисление. Чувствительность
26.3.
Приближенные расчеты методом малых приращений
26.4.
Ошибки. Погрешности. Допуски
26.5.
Калибровка
Глава 27. ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ.
ГЕНЕРАТОРЫ КОЛЕБАНИЙ
27.1.
Принцип построения замкнутых систем. Обратная связь
27.2.
Ввод обратной связи через усилитель
27.3.
Генераторы синусоидальных колебаний
Глава 28. АНАЛОГОВОЕ СРАВНЕНИЕ
28.1.
Сравнение сигналов
28.2.
Гистерезисное сравнение
28.3.
Сравнение в окне
Глава 29. ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
29.1.
Ждущий мультивибратор
29.2.
Несинхронизированный мультивибратор
29.3.
Запаздывание. Выдержка времени
29.4.
Практические соображения
Глава 30. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
30.1.
Определения
30.2.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
30.3.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
30.4.
Используемые в ЦАП и АЦП коды
30.5.
Описания ЦАП и АЦП
Часть 4. СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Глава 31. НЕУПРАВЛЯЕМОЕ ВЫПРЯМЛЕНИЕ
31.1.
Однофазное однополупериодное выпрямление
31.2.
Однофазное двухполупериодное выпрямление
31.3.
Однополупериодное трехфазное выпрямление
31.4.
Мостовая схема трехфазного двухполупериодного выпрямления
31.5.
Основные характеристики схем выпрямления
Глава 32. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
32.1.
Однофазное однополупериодное выпрямление
32.2.
Однофазное двухполупериодное выпрямление
32.3.
Трехфазное однополупериодное выпрямление
32.4.
Трехфазное двухполупериодное выпрямление
32.5.
Коэффициент мощности выпрямителя
32.6.
Критерии выбора
Глава 33. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
33.1.
Последовательный вольтопонижающий регулятор
33.2.
Параллельный вольтоповышающий регулятор
33.3.
Регулятор с индуктивным накоплением
33.4.
Двухквадрантный или полумостовой регулятор
33.5.
Четырехквадрантный или мостовой преобразователь
Глава 34. ИСТОЧНИКИ ИМПУЛЬСНОГО ПИТАНИЯ
34.1.
Преобразователи без гальванической развязки
34.2.
Преобразователи с гальванической развязкой
Глава 35. СТАТИЧЕСКИЕ РЕЛЕ. ПЛАВНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ
35.1.
Статические реле
35.2.
Плавные регуляторы
Глава 36. НЕЗАВИСИМЫЕ ИНВЕРТОРЫ
36.1.
Основной принцип построения
36.2.
Мостовой инвертор напряжения
36.3.
Принцип построения трехфазных инверторов
Часть 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Глава 37. ЭНЕРГЕТИКА (НАГРУЗКИ.СРАВНИТЕЛЬНАЯ
ОЦЕНКА ДВИГАТЕЛЕЙ)
37.1.
Энергетический баланс
37.2.
Работа силы. Работа момента
37.3.
Уравнение движения
37.4.
Момент инерции твердого тела относительно оси вращения
37.5.
Идеальные характеристики нагрузок
37.6.
Сравнительная оценка двигателей
Глава 38. ТРАНСФОРМАТОРЫ ПРИ СИНУСОИДАЛЬНОМ ПИТАНИИ
И ПОСТОЯННОЙ ЧАСТОТЕ
38.1.
Использование. Принципиальная схема. Принцип действия
38.2.
Идеальный трансформатор
38.3.
Реальный трансформатор
38.4.
Трехфазный трансформатор
Глава 39. ВРАЩАЮЩИЕСЯ ПОЛЯ
39.1.
Вращающиеся машины переменного тока
39.2.
Распределение магнитного поля в зазоре
39.3.
Создание вращающегося поля
39.4.
Однофазная обмотка
39.5.
Двухфазная обмотка
Глава 40. ТРЕХФАЗНЫЕ СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ
40.1.
Устройство. Принцип действия. Возбуждение
40.2.
Трехфазный генератор
40.3.
Синхронный двигатель
40.4.
Бесконтактный двигатель
40.5.
Использование синхронных машин
Глава 41. ТРЕХФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
41.1.
Устройство. Принцип действия. Скольжение
41.2.
Баланс мощностей. КПД
41.3.
Модель и характеристики
41.4.
Пуск
41.5.
Регулирование скорости
41.6.
Обратимость. Торможение
41.7.
Асинхронный однофазный двигатель
Глава 42. ШАГОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
42.1.
Принцип действия и определения
42.2.
Свойства
42.3.
Каскад мощности
42.4.
Статический и динамический режимы
42.5.
Использование
Глава 43. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
43.1.
Основы
43.2.
Двигатель независимого возбуждения
43.3.
Двигатель последовательного возбуждения
ПРЕДИСЛОВИЕ
Этот труд представляет собой единство справочных материалов и методов электротехники, излагаемых в 43-х главах, тематически разделенных на 5 частей:
• электричество и его переменные (физические явления, законы электричества, синусоидальные и периодические процессы, частотные и временные отклики и т.д.);
• электронные компоненты (от сопротивлений до операционных усилителей, индуктивно связанные катушки, тиристоры и фотоэлементы, их модели и предельные свойства, тепловое рассеяние);
• электронные устройства (фильтры, усилители, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т.д.);
• силовая электроника (выпрямители, преобразователи постоянного тока, импульсные источники питания, плавные регуляторы, инверторы);
• электрические машины (трансформаторы, двигатели: синхронные, асинхронные, шаговые, постоянного тока).
Многочисленные примеры приводятся в форме вопросов-ответов.
Учебник предназначен для студентов, в том числе после получения степени бакалавра. Он обеспечивает связь знаний среднего и высшего образований. Возможными являются многие уровни изучения. Многие формулировки воспринимаются к окончанию среднего и к началу первого цикла специального образования; прочие – в последующем.
Этот труд адресован:
- студентам институтов технических университетов, бакалаврам, подготовительным курсам, школам инженеров, специализациям по электротехнике, электронике, промышленной информатике;
- вольным слушателям, для которых самостоятельное образование является необходимостью;
- действующим профессионалам-исследователям моделей и методов.
ВЕЛИЧИНЫ. ЕДИНИЦЫ. НАИМЕНОВАНИЯ В СИ
Величина Единица
Обозначение Название Обозначение Наименование
a Ускорение м/с2 Метр на секунду в квадрате
B Магнитная индукция Тл Тесла
C Электрическая емкость Ф Фарада
Термическая емкость Дж/К Джоуль на кельвин
E Напряженность
электрического поля В/м Вольт на метр
f Частота Гц Герц
F Сила Н Ньютон
Fм Магнитодвижущая сила А Ампер
Диэлектрическая
проницаемость Ф/м Фарада на метр
G Электрическая проводимость См Сименс
H Напряженность магнитного поля А/м Ампер на метр
i, I Электрический ток А Ампер
l, L Длина м Метр
L Собственная индуктивность Гн Генри
m Масса кг Килограмм
Магнитная проницаемость Гн/м Генри на метр
M Момент силы Нм Ньютонметр
М Взаимная индуктивность Гн Генри
p, P Мощность, тепловой поток Вт Ватт
q, Q Количество электричества, электрический заряд Кл Кулон
Q Реактивная мощность вар Вольт-ампер
реактивный
r, R Сопротивление электрическое Ом Ом
RTh, R
Сопротивление термическое К/Вт Кельвин на ватт
S Кажущаяся мощность ВА Вольт-ампер
- XIII –
t Время с Секунда
T,
Температура К,
Кельвин, градус Цельсия
u, U Разность потенциалов, напряжение В Вольт
v, V Электрический потенциал В Вольт
v Скорость м/с Метр в секунду
w, W Энергия, работа, количество теплоты Дж Джоуль
Угловое ускорение рад/с Радиан в секунду
Поток магнитной индукции Вб Вебер
Длина волны м Метр
Угловая скорость рад/с Радиан в секунду
Приставки к наименованиям единиц в системе СИ
Приставка Множитель Приставка Множитель
Символ Название Символ Название
Э экса 1018 д деци 10-1
П пента 1015 с санти 10-2
Т тера 1012 м мили 10-3
Г гига 109 мк микро 10-6
М мега 106 н нано 10-9
к кило 103 п пико 10-12
г гекто 102 ф фемто 10-15
да дека 10 а атто 10-18
Децибелы. Отношение двух величин можно выразить либо простым частным, либо логарифмом этого частного. Чаще всего используют десятичный логарифм, обозначаемый как log10 или проще log.
- Отношение мощностей, выраженное в белах1 (Б), определяется как:
.
- Отношение мощностей, выраженное в децибелах (дБ), определяется как:
1. Graham Bell (1847 – 1922).
10 , где 1 Б = 10 дБ.
Полагая, что p2 и p1 являются мощностями рассеяния в двух сопротивлениях, равных R0, получим:
и ,
откуда следует:
.
- Следовательно, обобщая, получим отношение напряжений u2 к u1 и отношение токов i2 к i1, выраженные в децибелах, в виде:
20 и 20 .
Предшествующие определения дают относительные уровни p2 по отношению к p1, u2 по отношению к u1, i2 по отношению к i1. Для получения абсолютных уровней следует условно зафиксировать эталонное значение.
- Для эталонной мощности 1 Вт мощность p = p(t), выраженная в децибелах по отношению к 1 Вт (дБ Вт), определится как
p(дБ Вт) = 10 log .
- Для эталонной мощности 1 Вт мощность p = p(t), выраженная в децибелах по отношению к 1 Вт (дБ Вт), определится как
.
- Для эталонного напряжения 1 В напряжение u = u(t), выраженное в децибелах по отношению к 1 В (дБ В), определится выражением:
.
- Соотношение между (дБ мВт) и (дБ В). Пусть u – напряжение на зажимах сопротивления R0, рассеиваемая мощность составит , откуда
p(дБ мВт) = u(дБ В) – 10 log ,
где Pср (дБ мВт) – средняя мощность в децибелах по отношению к 1 мВт;
Uд (дБ В) – действующее значение напряжения в децибелах по отношению к 1 В.
Для R0 = 600 Ом p(дБ мВт) u(дБ В) + 2,22;
R0 = 50 Ом p(дБ мВт) u(дБ В) + 13,01.
- Для напряжения, отличного от В 0,775 В, напряжение u = u(t), выраженное по отношении к нему в децибелах, составит:
.
Примечание: В телефонии полное эталонное сопротивление исторически было определено в Европе как чистое сопротивление в 600 Ом (в США 900 Ом), которое грубо соответствует среднему полному сопротивлению абонентской линии в частотной полосе пропускания от 300 до 3400 Гц. Тогда для эталонной мощности 1 мВт получим значение действующего эталонного напряжения , откуда следует определение децибел напряжения.
- Соотношение между (дБ мВт) и (дБ u). Пусть u – напряжение на зажимах сопротивления R, мощность рассеяния составляет p = u2/R, откуда
.
Для R0 = 600 Ом p(дБ мВт) = u(дБ u);
R0 = 150 Ом p(дБ мВт) u(дБ u) + 6,02.
- Соотношение между (дБ u) и (дБ В):
.
ЧАСТЬ 1
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЕГО ПЕРЕМЕННЫЕ
ГЛАВА 1
ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ?
1.1 ЧАСТИЦЫ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ И НОСИТЕЛИ
ЗАРЯДОВ
(Развитие темы см. гл. 3: Электростатика)
1.1.1 Частицы и электрические заряды (табл. 1.1)
Таблица 1.1
Частицы и заряды
Частицы Массы Электрически
заряды, Кл Примечания
Электрон me
9,109∙10-31 кг qe = -e
- 1,602∙10-19 Кл Масса очень мала. Электрический
Заряд отрицательный.
Протон mп
16726∙10-31 кг qп = +e
+1,602∙10-19 Кл Масса в 1836,15 раз больше массы
электрона. Электрический заряд
положительный.
Нейтрон mн
16749∙10-31 кг Электрического
заряда нет Он обеспечивает устойчивость
атомных ядер; имеется во всех ядрах,
кроме водорода. Масса в 1838,68 раз
больше массы электрона.
Фотон Массы нет Электрического
Заряда нет Частица света. Перемещается
в вакууме со скоростью
с 299792 км/час.
После открытия электрона стало очевидным существование многих частиц: протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро; фотоны, составляющие свечение всего исходящего при расщеплении атомного ядра: нейтрино, мюоны, каоны, глюоны и т.д. (их около сотни).
1.1.2 Электростатические силы. Закон Кулона
• Притяжение и отталкивание двух электрических зарядов (рис. 1.1).
1. Два заряда одинакового знака
отталкиваются
2. Два заряда противоположных знаков
Притягиваются
Рис. 1.1 Притяжение и отталкивание двух электрических зарядов
- 3 –
• Модуль сил притяжения и отталкивания. Выраженный в ньютонах (Н) он определяется законом Кулона:
с единицами измерения ,
где - абсолютная проницаемость среды. В вакууме (и в почти сухом воздухе)
Ф/м.
Примечание: Теория распространения электромагнитных волн показывает, что константы (электрическая проницаемость вакуума), (магнитная проницаемость вакуума) и с (скорость света в вакууме) связаны соотношением . С тех пор, как скорость света в вакууме стала эталоном, электрическая проницаемость вакуума стала константой, точно определяемой как
,
где с = 299 792 458 м/с и (или Гн/м).
1.1.3 Электрическое поле
Сила , действующая на заряд Q, является следствием действия заряда q на расстоянии. Такая интерпретация приводит к новой записи закона Кулона:
с единицами измерения ,
где напряженность E вектора электрического поля определяется как
с единицами измерения .
Заряд Q позволяет определить наличие электрического поля (рис. 1.2).
1- Среда с проницаемостью
Рис. 1.2. Электрическое поле заряда q
- 4 –
1.2 ЯВЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
1.2.1 Электрический ток
• Электрический ток. Электрические заряды под воздействием электрического поля испытывают действие электростатических сил, они перемещаются. Поток зарядов через поверхность S называется электрическим током. Его обозначают как i, единица измерения – ампер (А).
с единицами измерения А= .
Примечание: Если поток зарядов постоянен, имеем .
• Плотность тока. Эта фундаментальная величина определяет значение тока через единицу поверхности:
с единицами измерения А/м2.
Вопрос: Зная, что голый медный проводник выдерживает плотность тока около J = 5 A/мм2, выбрать минимальное сечение проводника Sмин, необходимое для питание электроплиты, потребляющей номинальный ток Iном = 30 А.
Ответ: = 6 мм2.
Скорость зарядов. Закон Ома
- В вакууме под действием электростатических сил заряды достигают обычно скоростей порядка нескольких тысяч м/с (катодные трубки).
- Из-за трудностей проложить себе путь между атомами или молекулами в материи носители зарядов, подверженные тепловым колебаниям, быстро достигают очень маленькой предельной скорости в несколько мм/с (в меди). Закон Ома объясняет наличие такой скорости, используя вектор плотности тока .
1) В микроскопической форме ( - вектор плотности тока; - проводимость материала): с единицами измерения А/м2 = (Ом-1м-1)(В/м).
2) В макроскопической форме (I – ток, U – напряжение на зажимах проводника, l – его длина, S – его сечение, - удельное сопротивление материала):
. Тогда закон Ома запишется в виде:
U = RI с единицами измерения В = Ом∙А при .
Примечание: Чтобы существовал ток I, среда должна обладать свободными зарядами (проводимость ), подверженными воздействию со стороны поля (рис. 1.3).
1 – среда
Рис. 1.3 Электрическая проводимость
1.2.2 Свободные и связанные заряды
Атомы представляют собой ядро, окруженное электронным облаком (рис. 1.4).
1 - Ион
2 – Носитель положительного заряда анион: положительный ион
Рис. 1.4 Атом - ион
Чтобы получить электрический заряд, нужно от атома отделить один или несколько электронов. Это может быть реализовано несколькими способами:
1) Посредством внешней энергии.
- Механически – трением, например, воздуха о кузов автомобиля.
- Электрически – сильное электрическое поле может извлечь электрон из атома (диод Зенера).
- Термически – тепловое движение атомов и молекул в газе может вызвать их ионизацию (плазма).
2) Сближением атомов (кристаллы, поликристаллы). Хотя кристаллические решетки обязаны силой своего сцепления объединению их электронов, они не всегда являются проводниками. Различают проводники, полупроводники и изоляторы.
1.2.3 Электрические среды
• Проводники. Большое количество электронов свободно для перемещения внутри металла (рис. 1.5).
1 –поток свободных электронов
в фиксированной ионной решетке
Рис. 1.5 Проводники
Проводимость металла очень велика. Эта проводимость выражается в функции подвижности носителей и их концентрации n.
с единицами измерения Ом--1м-1 = .
Пример 1.2.1
Проводимость меди составляет Ом-1м-1.
• Полупроводники. Это монокристаллы высокой чистоты, в которых только некоторые атомы освобождают один электрон при температуре окружающей среды (T 300 К). Обычно один электрон на более чем 100 миллионов атомов ( рис. 1.6). Атомы полупроводниковых кристаллов принадлежат IV колонке периодической таблицы элементов.
1 – свободный электронный и ионный поток
в фиксированной атомной решетке
Рис. 1.6 Полупроводник
Проводимость обеспечивается электронами (отрицательные носители) и положительными ионами одновременно, Ионы при этом как бы перемещаются, поскольку вследствие постоянного теплового движения электроны покидают атом, образуя ион и т.д. Эти положительнее ионы называются дырками (положительные
носители). Проводимость полупроводников представляет собой сумму двух проводимостей:
- Проводимость положительными носителями (слабая) : дырки перемещаются труднее, чем электроны.
- Электронная проводимость (более сильная) .
По большому счету проводимость много слабее, чем у металлов, так как носителей зарядов меньше (число положительных зарядов такое же, как и отрицательных).
Вопрос: Для чистого кремния при температуре окружающей среды ( ) имеем:
Рассчитать проводимость.
Ответ: Ом-1м-1.
• Диэлектрики. В них нет свободных электронов (рис. 1.7) при температуре окружающей среды ( ). Проводимость практически нулевая.
1. Свободных электронов в атомной решетке нет
Рис. 1.7 Диэлектрики
1.2.4 Влияние температуры
• Проводники. Повышение теплового движения с ростом температуры затрудняет движение электрических зарядов. Поэтому с ростом температуры проводимость проводников уменьшается и определяется как ,
где - проводимость при 0 ; - температура в ; - отрицательный температурный коэффициент в .
• Полупроводники. Напротив, в полупроводниковых материалах при температуре окружающей среды тепловое движение имеет иное последствие. Оно создает новые свободные заряды (пары электрон-дырка). Поэтому при средней температуре проявляется свойство обратное, чем в проводниках: проводимость повышается экспоненциально с ростом температуры.
- У германия проводимость удваивается примерно каждые 10 .
- У кремния проводимость удваивается примерно каждые 6 .
Такое повышение проводимости происходит экспоненциально и преобразует эти полупроводники в проводники приблизительно при 120 для германия и 200 для кремния! Диоды, транзисторы и интегральные схемы при этих температурах теряют свои специфические свойства.
1.2.5 Частотные свойства. Поверхностный эффект в проводнике
При переменном токе электромагнитные явления вытесняют заряды с центра проводника. Это называется поверхностным эффектом. Ток в проводнике становится неоднородным. На периферии он больше, чем в центре (рис. 1.8).
Глубина проникновения тока определяется как
,
где - магнитная проницаемость вакуума; - относительная магнитная проницаемость материала (безразмерная); , Ом-1∙м-1 - проводимость материала; f , Гц – частота.
1 – Цилиндрический проводник радиуса r
2 – График плотности тока
Рис. 1.8 Поверхностный эффект в проводнике
Вопрос: Рассчитать глубину проникновения тока в медном проводнике: ( и ) при 50 Гц.
Ответ: По формуле e 9,2 мм. Для ограничения этого эффекта используют многопроволочные проводники, для передачи энергии используют многокабельные линии. Кабели высокой надежности также много проволочные.
Примечание: С ростом частоты глубина проникновения уменьшается.
1.3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ЗАРЯДА
(Развитие темы см. гл. 3)
1.3.1 Цель
Рассматриваемый заряд q (рис. 1.9) создает электрическое поле, вектор напряженности которого . Для упрощения он заменяется скалярной величиной, связанной с работой, которую следует выполнить для переноса пробного заряда Q из бесконечности на расстояние r от рассматриваемого заряда q. Эта величина называется электрическим потенциалом и обозначается V.
Примечание: Соответственно определению потенциал на бесконечном расстоянии равен нулю: .
1 – Среда с проницаемостью
2 – V: электрический потенциал
3 – r: расстояние
Рис. 1.9 Электрический потенциал
1.3.2 Работа при переносе заряда Q на расстояние r от заряда q
- Элементарная работа dW при переносе заряда Q из расстояния r в (r-dr). При этом предполагается постоянство силы.
dW = -Fdr = -QEdr с единицами измерения Дж = Н∙м = Кл .
- Работа W при переносе заряда Q из точки A в точку B. Интегрируя В пределах от A до B, получим:
с единицами измерения Дж = Кл .
Полагая dV = -E(r) dr, интеграл запишется в виде:
с единицами измерения Дж = Кл∙В.
- Работа W при переносе заряда Q из бесконечности на расстояние М.
с единицами измерения Дж = Кл∙В.
1.3.3 Электрический потенциал
Из предыдущих результатов следует:
с единицами измерения В = Дж/Кл.
Функция определяет работу при переносе единицы заряда из бесконечности в точку М (рис. 1.10). Величину VМ называют электрическим потенциалом точки М, созданным рассматриваемым зарядом q.
1 – Эквипотенциальные поверхности, созданные зарядом q, находящимся в центре.
2 – Вектор напряженности электрического поля - это нормаль к сферическим поверхностям.
3 – Энергия
4 – Траектория заряда Q
5 – Бесконечность
Рис. 1.10 Работа электрической силы
Примечания:
- Как только заряд освободится от приложенного к нему возмущения, он, естественно, вернется в бесконечность, затратив накопленную энергию. Его потенциал снизится до нуля.
- Электрический потенциал является величиной, отражающей значение потенциальной энергии, накопленной зарядом Q, когда он располагается на расстоянии r от заряда q. Она не зависит от заряда Q! Это фундаментальное энергетическое понятие.
1.3.4 Разность электрических потенциалов. Электрическое напряжение
Протекание тока в цепи может быть только путем энергетического обмена с внешней средой (рис. 1.11). Таким образом, носители зарядов способны передать
энергию Q(VB – VA) во внешнюю среду. Напряжение определяется разностью потенциалов UBA = VB – VA.
1. – Внешняя среда
2. – Энергетический обмен с внешней средой
3. – Двухполюсник
4. – Потенциал
5. – Разность потенциалов
6. – Электрическое напряжение
Рис. 1.11 Потенциал – разность потенциалов – напряжение
Примечание: Следует понимать, что при прохождении в электрической цепи носители заряда изменяют свой потенциал (энергию), обычно уменьшая.
Этот труд представляет собой единство справочных материалов и методов электротехники, излагаемых в 43-х главах, тематически разделенных на 5 частей:
• электричество и его переменные (физические явления, законы электричества, синусоидальные и периодические процессы, частотные и временные отклики и т.д.);
• электронные компоненты (от сопротивлений до операционных усилителей, индуктивно связанные катушки, тиристоры и фотоэлементы, их модели и предельные свойства, тепловое рассеяние);
• электронные устройства (фильтры, усилители, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т.д.);
• силовая электроника (выпрямители, преобразователи постоянного тока, импульсные источники питания, плавные регуляторы, инверторы);
• электрические машины (трансформаторы, двигатели: синхронные, асинхронные, шаговые, постоянного тока).
Многочисленные примеры приводятся в форме вопросов-ответов.
Учебник предназначен для студентов, в том числе после получения степени бакалавра. Он обеспечивает связь знаний среднего и высшего образований. Возможными являются многие уровни изучения. Многие формулировки воспринимаются к окончанию среднего и к началу первого цикла специального образования; прочие – в последующем.
Этот труд адресован:
- студентам институтов технических университетов, бакалаврам, подготовительным курсам, школам инженеров, специализациям по электротехнике, электронике, промышленной информатике;
- вольным слушателям, для которых самостоятельное образование является необходимостью;
- действующим профессионалам-исследователям моделей и методов.
ВЕЛИЧИНЫ. ЕДИНИЦЫ. НАИМЕНОВАНИЯ В СИ
Величина Единица
Обозначение Название Обозначение Наименование
a Ускорение м/с2 Метр на секунду в квадрате
B Магнитная индукция Тл Тесла
C Электрическая емкость Ф Фарада
Термическая емкость Дж/К Джоуль на кельвин
E Напряженность
электрического поля В/м Вольт на метр
f Частота Гц Герц
F Сила Н Ньютон
Fм Магнитодвижущая сила А Ампер
Диэлектрическая
проницаемость Ф/м Фарада на метр
G Электрическая проводимость См Сименс
H Напряженность магнитного поля А/м Ампер на метр
i, I Электрический ток А Ампер
l, L Длина м Метр
L Собственная индуктивность Гн Генри
m Масса кг Килограмм
Магнитная проницаемость Гн/м Генри на метр
M Момент силы Нм Ньютонметр
М Взаимная индуктивность Гн Генри
p, P Мощность, тепловой поток Вт Ватт
q, Q Количество электричества, электрический заряд Кл Кулон
Q Реактивная мощность вар Вольт-ампер
реактивный
r, R Сопротивление электрическое Ом Ом
RTh, R
Сопротивление термическое К/Вт Кельвин на ватт
S Кажущаяся мощность ВА Вольт-ампер
- XIII –
t Время с Секунда
T,
Температура К,
Кельвин, градус Цельсия
u, U Разность потенциалов, напряжение В Вольт
v, V Электрический потенциал В Вольт
v Скорость м/с Метр в секунду
w, W Энергия, работа, количество теплоты Дж Джоуль
Угловое ускорение рад/с Радиан в секунду
Поток магнитной индукции Вб Вебер
Длина волны м Метр
Угловая скорость рад/с Радиан в секунду
Приставки к наименованиям единиц в системе СИ
Приставка Множитель Приставка Множитель
Символ Название Символ Название
Э экса 1018 д деци 10-1
П пента 1015 с санти 10-2
Т тера 1012 м мили 10-3
Г гига 109 мк микро 10-6
М мега 106 н нано 10-9
к кило 103 п пико 10-12
г гекто 102 ф фемто 10-15
да дека 10 а атто 10-18
Децибелы. Отношение двух величин можно выразить либо простым частным, либо логарифмом этого частного. Чаще всего используют десятичный логарифм, обозначаемый как log10 или проще log.
- Отношение мощностей, выраженное в белах1 (Б), определяется как:
.
- Отношение мощностей, выраженное в децибелах (дБ), определяется как:
1. Graham Bell (1847 – 1922).
10 , где 1 Б = 10 дБ.
Полагая, что p2 и p1 являются мощностями рассеяния в двух сопротивлениях, равных R0, получим:
и ,
откуда следует:
.
- Следовательно, обобщая, получим отношение напряжений u2 к u1 и отношение токов i2 к i1, выраженные в децибелах, в виде:
20 и 20 .
Предшествующие определения дают относительные уровни p2 по отношению к p1, u2 по отношению к u1, i2 по отношению к i1. Для получения абсолютных уровней следует условно зафиксировать эталонное значение.
- Для эталонной мощности 1 Вт мощность p = p(t), выраженная в децибелах по отношению к 1 Вт (дБ Вт), определится как
p(дБ Вт) = 10 log .
- Для эталонной мощности 1 Вт мощность p = p(t), выраженная в децибелах по отношению к 1 Вт (дБ Вт), определится как
.
- Для эталонного напряжения 1 В напряжение u = u(t), выраженное в децибелах по отношению к 1 В (дБ В), определится выражением:
.
- Соотношение между (дБ мВт) и (дБ В). Пусть u – напряжение на зажимах сопротивления R0, рассеиваемая мощность составит , откуда
p(дБ мВт) = u(дБ В) – 10 log ,
где Pср (дБ мВт) – средняя мощность в децибелах по отношению к 1 мВт;
Uд (дБ В) – действующее значение напряжения в децибелах по отношению к 1 В.
Для R0 = 600 Ом p(дБ мВт) u(дБ В) + 2,22;
R0 = 50 Ом p(дБ мВт) u(дБ В) + 13,01.
- Для напряжения, отличного от В 0,775 В, напряжение u = u(t), выраженное по отношении к нему в децибелах, составит:
.
Примечание: В телефонии полное эталонное сопротивление исторически было определено в Европе как чистое сопротивление в 600 Ом (в США 900 Ом), которое грубо соответствует среднему полному сопротивлению абонентской линии в частотной полосе пропускания от 300 до 3400 Гц. Тогда для эталонной мощности 1 мВт получим значение действующего эталонного напряжения , откуда следует определение децибел напряжения.
- Соотношение между (дБ мВт) и (дБ u). Пусть u – напряжение на зажимах сопротивления R, мощность рассеяния составляет p = u2/R, откуда
.
Для R0 = 600 Ом p(дБ мВт) = u(дБ u);
R0 = 150 Ом p(дБ мВт) u(дБ u) + 6,02.
- Соотношение между (дБ u) и (дБ В):
.
ЧАСТЬ 1
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЕГО ПЕРЕМЕННЫЕ
ГЛАВА 1
ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ?
1.1 ЧАСТИЦЫ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ И НОСИТЕЛИ
ЗАРЯДОВ
(Развитие темы см. гл. 3: Электростатика)
1.1.1 Частицы и электрические заряды (табл. 1.1)
Таблица 1.1
Частицы и заряды
Частицы Массы Электрически
заряды, Кл Примечания
Электрон me
9,109∙10-31 кг qe = -e
- 1,602∙10-19 Кл Масса очень мала. Электрический
Заряд отрицательный.
Протон mп
16726∙10-31 кг qп = +e
+1,602∙10-19 Кл Масса в 1836,15 раз больше массы
электрона. Электрический заряд
положительный.
Нейтрон mн
16749∙10-31 кг Электрического
заряда нет Он обеспечивает устойчивость
атомных ядер; имеется во всех ядрах,
кроме водорода. Масса в 1838,68 раз
больше массы электрона.
Фотон Массы нет Электрического
Заряда нет Частица света. Перемещается
в вакууме со скоростью
с 299792 км/час.
После открытия электрона стало очевидным существование многих частиц: протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро; фотоны, составляющие свечение всего исходящего при расщеплении атомного ядра: нейтрино, мюоны, каоны, глюоны и т.д. (их около сотни).
1.1.2 Электростатические силы. Закон Кулона
• Притяжение и отталкивание двух электрических зарядов (рис. 1.1).
1. Два заряда одинакового знака
отталкиваются
2. Два заряда противоположных знаков
Притягиваются
Рис. 1.1 Притяжение и отталкивание двух электрических зарядов
- 3 –
• Модуль сил притяжения и отталкивания. Выраженный в ньютонах (Н) он определяется законом Кулона:
с единицами измерения ,
где - абсолютная проницаемость среды. В вакууме (и в почти сухом воздухе)
Ф/м.
Примечание: Теория распространения электромагнитных волн показывает, что константы (электрическая проницаемость вакуума), (магнитная проницаемость вакуума) и с (скорость света в вакууме) связаны соотношением . С тех пор, как скорость света в вакууме стала эталоном, электрическая проницаемость вакуума стала константой, точно определяемой как
,
где с = 299 792 458 м/с и (или Гн/м).
1.1.3 Электрическое поле
Сила , действующая на заряд Q, является следствием действия заряда q на расстоянии. Такая интерпретация приводит к новой записи закона Кулона:
с единицами измерения ,
где напряженность E вектора электрического поля определяется как
с единицами измерения .
Заряд Q позволяет определить наличие электрического поля (рис. 1.2).
1- Среда с проницаемостью
Рис. 1.2. Электрическое поле заряда q
- 4 –
1.2 ЯВЛЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
1.2.1 Электрический ток
• Электрический ток. Электрические заряды под воздействием электрического поля испытывают действие электростатических сил, они перемещаются. Поток зарядов через поверхность S называется электрическим током. Его обозначают как i, единица измерения – ампер (А).
с единицами измерения А= .
Примечание: Если поток зарядов постоянен, имеем .
• Плотность тока. Эта фундаментальная величина определяет значение тока через единицу поверхности:
с единицами измерения А/м2.
Вопрос: Зная, что голый медный проводник выдерживает плотность тока около J = 5 A/мм2, выбрать минимальное сечение проводника Sмин, необходимое для питание электроплиты, потребляющей номинальный ток Iном = 30 А.
Ответ: = 6 мм2.
Скорость зарядов. Закон Ома
- В вакууме под действием электростатических сил заряды достигают обычно скоростей порядка нескольких тысяч м/с (катодные трубки).
- Из-за трудностей проложить себе путь между атомами или молекулами в материи носители зарядов, подверженные тепловым колебаниям, быстро достигают очень маленькой предельной скорости в несколько мм/с (в меди). Закон Ома объясняет наличие такой скорости, используя вектор плотности тока .
1) В микроскопической форме ( - вектор плотности тока; - проводимость материала): с единицами измерения А/м2 = (Ом-1м-1)(В/м).
2) В макроскопической форме (I – ток, U – напряжение на зажимах проводника, l – его длина, S – его сечение, - удельное сопротивление материала):
. Тогда закон Ома запишется в виде:
U = RI с единицами измерения В = Ом∙А при .
Примечание: Чтобы существовал ток I, среда должна обладать свободными зарядами (проводимость ), подверженными воздействию со стороны поля (рис. 1.3).
1 – среда
Рис. 1.3 Электрическая проводимость
1.2.2 Свободные и связанные заряды
Атомы представляют собой ядро, окруженное электронным облаком (рис. 1.4).
1 - Ион
2 – Носитель положительного заряда анион: положительный ион
Рис. 1.4 Атом - ион
Чтобы получить электрический заряд, нужно от атома отделить один или несколько электронов. Это может быть реализовано несколькими способами:
1) Посредством внешней энергии.
- Механически – трением, например, воздуха о кузов автомобиля.
- Электрически – сильное электрическое поле может извлечь электрон из атома (диод Зенера).
- Термически – тепловое движение атомов и молекул в газе может вызвать их ионизацию (плазма).
2) Сближением атомов (кристаллы, поликристаллы). Хотя кристаллические решетки обязаны силой своего сцепления объединению их электронов, они не всегда являются проводниками. Различают проводники, полупроводники и изоляторы.
1.2.3 Электрические среды
• Проводники. Большое количество электронов свободно для перемещения внутри металла (рис. 1.5).
1 –поток свободных электронов
в фиксированной ионной решетке
Рис. 1.5 Проводники
Проводимость металла очень велика. Эта проводимость выражается в функции подвижности носителей и их концентрации n.
с единицами измерения Ом--1м-1 = .
Пример 1.2.1
Проводимость меди составляет Ом-1м-1.
• Полупроводники. Это монокристаллы высокой чистоты, в которых только некоторые атомы освобождают один электрон при температуре окружающей среды (T 300 К). Обычно один электрон на более чем 100 миллионов атомов ( рис. 1.6). Атомы полупроводниковых кристаллов принадлежат IV колонке периодической таблицы элементов.
1 – свободный электронный и ионный поток
в фиксированной атомной решетке
Рис. 1.6 Полупроводник
Проводимость обеспечивается электронами (отрицательные носители) и положительными ионами одновременно, Ионы при этом как бы перемещаются, поскольку вследствие постоянного теплового движения электроны покидают атом, образуя ион и т.д. Эти положительнее ионы называются дырками (положительные
носители). Проводимость полупроводников представляет собой сумму двух проводимостей:
- Проводимость положительными носителями (слабая) : дырки перемещаются труднее, чем электроны.
- Электронная проводимость (более сильная) .
По большому счету проводимость много слабее, чем у металлов, так как носителей зарядов меньше (число положительных зарядов такое же, как и отрицательных).
Вопрос: Для чистого кремния при температуре окружающей среды ( ) имеем:
Рассчитать проводимость.
Ответ: Ом-1м-1.
• Диэлектрики. В них нет свободных электронов (рис. 1.7) при температуре окружающей среды ( ). Проводимость практически нулевая.
1. Свободных электронов в атомной решетке нет
Рис. 1.7 Диэлектрики
1.2.4 Влияние температуры
• Проводники. Повышение теплового движения с ростом температуры затрудняет движение электрических зарядов. Поэтому с ростом температуры проводимость проводников уменьшается и определяется как ,
где - проводимость при 0 ; - температура в ; - отрицательный температурный коэффициент в .
• Полупроводники. Напротив, в полупроводниковых материалах при температуре окружающей среды тепловое движение имеет иное последствие. Оно создает новые свободные заряды (пары электрон-дырка). Поэтому при средней температуре проявляется свойство обратное, чем в проводниках: проводимость повышается экспоненциально с ростом температуры.
- У германия проводимость удваивается примерно каждые 10 .
- У кремния проводимость удваивается примерно каждые 6 .
Такое повышение проводимости происходит экспоненциально и преобразует эти полупроводники в проводники приблизительно при 120 для германия и 200 для кремния! Диоды, транзисторы и интегральные схемы при этих температурах теряют свои специфические свойства.
1.2.5 Частотные свойства. Поверхностный эффект в проводнике
При переменном токе электромагнитные явления вытесняют заряды с центра проводника. Это называется поверхностным эффектом. Ток в проводнике становится неоднородным. На периферии он больше, чем в центре (рис. 1.8).
Глубина проникновения тока определяется как
,
где - магнитная проницаемость вакуума; - относительная магнитная проницаемость материала (безразмерная); , Ом-1∙м-1 - проводимость материала; f , Гц – частота.
1 – Цилиндрический проводник радиуса r
2 – График плотности тока
Рис. 1.8 Поверхностный эффект в проводнике
Вопрос: Рассчитать глубину проникновения тока в медном проводнике: ( и ) при 50 Гц.
Ответ: По формуле e 9,2 мм. Для ограничения этого эффекта используют многопроволочные проводники, для передачи энергии используют многокабельные линии. Кабели высокой надежности также много проволочные.
Примечание: С ростом частоты глубина проникновения уменьшается.
1.3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ЗАРЯДА
(Развитие темы см. гл. 3)
1.3.1 Цель
Рассматриваемый заряд q (рис. 1.9) создает электрическое поле, вектор напряженности которого . Для упрощения он заменяется скалярной величиной, связанной с работой, которую следует выполнить для переноса пробного заряда Q из бесконечности на расстояние r от рассматриваемого заряда q. Эта величина называется электрическим потенциалом и обозначается V.
Примечание: Соответственно определению потенциал на бесконечном расстоянии равен нулю: .
1 – Среда с проницаемостью
2 – V: электрический потенциал
3 – r: расстояние
Рис. 1.9 Электрический потенциал
1.3.2 Работа при переносе заряда Q на расстояние r от заряда q
- Элементарная работа dW при переносе заряда Q из расстояния r в (r-dr). При этом предполагается постоянство силы.
dW = -Fdr = -QEdr с единицами измерения Дж = Н∙м = Кл .
- Работа W при переносе заряда Q из точки A в точку B. Интегрируя В пределах от A до B, получим:
с единицами измерения Дж = Кл .
Полагая dV = -E(r) dr, интеграл запишется в виде:
с единицами измерения Дж = Кл∙В.
- Работа W при переносе заряда Q из бесконечности на расстояние М.
с единицами измерения Дж = Кл∙В.
1.3.3 Электрический потенциал
Из предыдущих результатов следует:
с единицами измерения В = Дж/Кл.
Функция определяет работу при переносе единицы заряда из бесконечности в точку М (рис. 1.10). Величину VМ называют электрическим потенциалом точки М, созданным рассматриваемым зарядом q.
1 – Эквипотенциальные поверхности, созданные зарядом q, находящимся в центре.
2 – Вектор напряженности электрического поля - это нормаль к сферическим поверхностям.
3 – Энергия
4 – Траектория заряда Q
5 – Бесконечность
Рис. 1.10 Работа электрической силы
Примечания:
- Как только заряд освободится от приложенного к нему возмущения, он, естественно, вернется в бесконечность, затратив накопленную энергию. Его потенциал снизится до нуля.
- Электрический потенциал является величиной, отражающей значение потенциальной энергии, накопленной зарядом Q, когда он располагается на расстоянии r от заряда q. Она не зависит от заряда Q! Это фундаментальное энергетическое понятие.
1.3.4 Разность электрических потенциалов. Электрическое напряжение
Протекание тока в цепи может быть только путем энергетического обмена с внешней средой (рис. 1.11). Таким образом, носители зарядов способны передать
энергию Q(VB – VA) во внешнюю среду. Напряжение определяется разностью потенциалов UBA = VB – VA.
1. – Внешняя среда
2. – Энергетический обмен с внешней средой
3. – Двухполюсник
4. – Потенциал
5. – Разность потенциалов
6. – Электрическое напряжение
Рис. 1.11 Потенциал – разность потенциалов – напряжение
Примечание: Следует понимать, что при прохождении в электрической цепи носители заряда изменяют свой потенциал (энергию), обычно уменьшая.