Основы электротехники — начинаем путь в мир электричества

Описание дисциплины «Теоретические основы электротехники»

В зачётках студентов, получающих технические специальности, можно увидеть загадочную аббревиатуру «ТОЭ». Это как раз и есть нужная нам наука.

Датой рождения электротехники можно считать период начала XIX века, когда был изобретён первый источник постоянного тока. Матерью «новорождённой» отрасли знаний стала физика. Последующие открытия в области электричества и магнетизма обогатили эту науку новыми фактами и понятиями, имевшими важное практическое значение.

Свой современный вид, как самостоятельная отрасль, она приняла в конце XIX века, и с тех пор входит в учебную программу технических ВУЗов и активно взаимодействует с другими дисциплинами. Так, для успешного изучения электротехники необходимо иметь теоретический багаж знаний из школьного курса физики, химии и математики. В свою очередь, на ТОЭ базируются такие важные дисциплины, как:

  • электроника и радиоэлектроника;
  • электромеханика;
  • энергетика, светотехника и др.

Центральным объектом внимания электротехники является, конечно, ток и его характеристики. Далее теория рассказывает об электромагнитных полях, их свойствах и практическом применении. В заключительной части дисциплины освещаются устройства, в которых трудятся энергичные электрончики. Осиливший эту науку многое поймёт в окружающем мире.

Каково значение электротехники в наше время? Без знания данной дисциплины нельзя обойтись электротехническим работникам:

  • электрику;
  • монтёру;
  • энергетику.

Вездесущность электричества делает его изучение необходимым и простому обывателю, чтобы быть грамотным человеком и уметь применять свои знания в повседневной жизни.

История

Основная статья: История электротехники

Основы для развития электротехники заложили обширные экспериментальные исследования и создание теорий электричества и магнетизма. Широкое практическое применение электричества стало возможно только в XIX веке с появлением вольтова столба, что позволило как найти приложение открытым законам, так и углубить исследования. В этот период вся электротехника базировалась на постоянном токе.

В конце XIX века, с преодолением проблемы передачи электроэнергии на большие расстояния за счёт использования переменного тока и созданием трёхфазного электродвигателя, электричество повсеместно внедряется в промышленность, а электротехника приобретает современный вид, включающий множество разделов, и оказывает влияние на смежные отрасли науки и техники[4].

Закон Кулона. Принцип суперпозиции

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов изучает раздел физики названный электростатикой, в основе которой фактически лежит закон Кулона, который был выведен на основе многочисленных опытов. Данный закон, также как и единица электрического заряда были названы в честь французского физика Шарля Кулона.

Кулон проводя свои опыты установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими электрическим зарядами подчиняется следующим правилам:

  • сила пропорциональна величине каждого заряда;
  • сила обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними;
  • направление действия силы направленно вдоль прямой соединяющей заряды;
  • сила представляет собой притяжение, если тела заряжены противоположно, и отталкивание в случае одноимённых зарядов.

Таким образом, закон Кулона выражается следующей формулой

2016122803.png

где q1, q2 – величина электрических зарядов,

r – расстояние между двумя зарядами,

k – коэффициент пропорциональности, равный k = 1/(4πε) = 9 * 109 Кл2/(Н*м2), где ε – электрическая постоянная, ε = 8,85 * 10-12 Кл2/(Н*м2).

Замечу, что ранее электрическая постоянная ε0 называлась диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемостью вакуума.

Закон-Кулона.png Рисунок иллюстрирующий закон Кулона.

Закон Кулона проявляется, нет только при взаимодействии двух зарядов, но и что чаще встречается системы из нескольких зарядов. В этом случае закон Кулона дополняется ещё одним существенным фактором, который называется «принципом наложения» или принципом суперпозиции.

В основе принципа суперпозиции лежит два правила:

  • воздействие на заряженную частицу нескольких сил есть векторная сумма воздействий этих сил;
  • любое сложное движение состоит из нескольких простых движений.

Принцип суперпозиции, на мой взгляд, проще всего изобразить графически

Изображение, поясняющее принцип суперпозиции.

На рисунке показаны три заряда: -q1, +q2, +q3. Для того чтобы вычислить силу Fобщ, которая действует на заряд -q1, необходимо вычислить по закону Кулона силы взаимодействия F1 и F2 между -q1, +q2 и -q1, +q3. Затем получившиеся силы сложить по правилу сложения векторов. В данном случае Fобщ вычисляется как диагональ параллелограмма по следующему выражению

где α – угол между векторами F1 и F2.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля

Всякое взаимодействие между зарядами, называемое также кулоновским взаимодействием (по названию закона Кулона) происходит при помощи электростатического поля, которое является неизменяющимся по времени электрическим полем неподвижных зарядов. Электрическое поле является частью электромагнитного поля и создаётся оно электрическим зарядами или заряженными телами. Электрическое поле воздействует на заряды и заряженные тела независимо от того движутся ли они или находятся в состоянии покоя.

Одним из фундаментальных понятий электрического поля является его напряженность, которая определяется как отношение силы действующей на заряд в электрическом поле к величине этого заряда. Для раскрытия данного понятия необходимо ввести такое понятие как «пробный заряд».

«Пробным зарядом», называется такой заряд, который не участвует в создании электрического поля, а также имеет очень маленькую величину и поэтому своим присутствием не вызывает перераспределение зарядов в пространстве, тем самым не искажая электрическое поле создаваемое электрическим зарядами.

Напряженность-электрического-поля.png Заряд в электрическом поле.

Таким образом, если внести «пробный заряд» q в точку, находящуюся на некотором расстоянии от заряда q, то на «пробный заряд» qП будет действовать некоторая сила F, обусловленная присутствием заряда q. Отношение силы F действующей на пробный заряд, в соответствии с законом Кулона, к величине «пробного заряда», называется напряженностью электрического поля. Напряженность электрического поля обозначается Е и имеет разрядность Н/Кл

2016122805.png

Оптимальное решение

Чтобы самостоятельно изучить электротехнику, потребуется время, терпение, а также правильный подбор источников информации. Несомненно, лучшее решение – использовать различные методы обучения: видео, книги и журналы. Если есть возможность – запишитесь на специализированные курсы, там за счет обучающей организации будет предоставлена возможность попрактиковаться.

Elektriki.jpg

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий