Физические основы электротехники в.1. Связь теории электрических и магнитных цепей с теорией электромагнитного поля

Промышленная революция рубежа XVIII-XIX веков, связан­ная с практическим освоением явлений электромагнетизма, потре­бовала массовой подготовки соответствующих инженерных кадров и обусловила необходимость создания специальных учебных дис­циплин для подготовки нового инженерного корпуса. Базисной дисциплиной в образовании инженеров электротехников, электро­механиков, электротехнологов и электроэнергетиков стала дисцип­лина «Теоретические основы электротехники» - сокращенно ТОЭ. Предметом изучения этой дисциплины стали электромагнитные яв­ления и процессы в устройствах и системах электротехники, элек­троэнергетики, электрофизики. Помимо самостоятельной ценности, ТОЭ дает фундаментальную основу знаний, единый язык и методо­логию, необходимую для усвоения материала других дисциплин в инженерном образовании по названным специализациям.

Начиналась дисциплина ТОЭ с двух курсов лекций - «Теория электрических и магнитных явлений», прочитанного В.Ф. Миткевичем в 1904 г. в Политехническом институте (С.-Петербург) и «Теория переменных токов», прочитанного в 1905 г. К.А. Кругом в Московском высшем техническом училище. В этих курсах, по сути, были сформулированы основные положения двух разделов ТОЭ - теории электромагнитного поля и теории электрических и магнит­ных цепей. Со времени появления этих курсов в учебные програм­мы высших учебных заведений, занимающихся подготовкой инже­неров названных специализаций, неизменно входит курс ТОЭ или отдельные его части, как, например, теория электрических и маг­нитных цепей. Теория электрических и магнитных цепей имеет ис­ключительно большое значение для практики, а в методическом отношении достаточно самостоятельна. Однако, являясь частью ТОЭ, она в своей основе содержит ряд допущений и предположе­ний, связанных с теорией электромагнитного поля; первичные ее понятия также описываются с использованием категорий электро­магнитного поля. Поэтому в настоящем введении описываются не­обходимые для полноценного восприятия последующих глав книги сведения из теории электромагнитного поля, хотя и в самом мини­мальном объеме, лишь частично дополняющие сведения из соот­ветствующего раздела школьного или вузовского курса физики. Подобное изложение физических основ электротехники призвано сыграть роль фундамента книги, и начать его необходимо со зна­комства с основными понятиями курса ТОЭ, а именно понятиями электромагнитного поля и электрической и магнитной цепи.

Электромагнитное поле - это особый вид материи (вещест­ва), отличающийся непрерывным распределением в пространстве, обнаруживающий дискретность структуры (кванты излученного электромагнитного поля) и характеризующийся способностью оказывать на заряженные частицы силовое воздействие, завися­щее от их скорости.

Заметим, что всякая заряженная частица окружена электро­магнитным полем, составляющим с ней одно целое. Однако элек­тромагнитное поле может существовать и в свободном, отдельном от заряженных частиц состоянии в виде движущихся со скоростью, близкой к скорости света, фотонов или электромагнитных волн. Электромагнитное поле является носителем определенного количе­ства энергии, которая способна преобразовываться в другие виды энергии - механического движения, тепловую и т.д. Являясь носи­телем энергии, это поле обладает и определенной массой, которая может быть определена из общей связи Е = mc² полной энергии Е и полной массы m, причем с = З*10⁸ м/с - скорость света в пустоте. Следует заметить, что плотность этой массы из-за большого значения с² в обычных электромагнитных полях весьма невелика. По­этому на практике этой характеристикой поля обычно не интере­суются, сосредотачивая внимание на силовой стороне проявлений энергии поля. В тех случаях, когда электромагнитное поле локализовано в совокупности устройств, предназначенных для прохождения элек­трических токов, говорят об электрических цепях. Строгие опреде­ления электрическим и магнитным цепям можно дать лишь позд­нее, когда будут введены, в частности, понятия токов, магнитных потоков и т.д., здесь же обратим внимание на отмеченную реализа­цию электромагнитных процессов в специальных устройствах в случаях, когда говорят об электрических и магнитных цепях.