2.11. Связь понятий напряжения и давления в механике.
Рис.17
Механикам известно, что давление определяется, как отношение силы на площадь некоторой поверхности. Придадим этому понятию другую трактовку, характерную для движения рабочих масс аналогично току в электричестве. Для этого рассмотрим некий трубопровод длиной L. Известна сила и площадь трубопровода. Давление будетP=F/S. Умножим и разделим дробь наL.P=F/S=FL/SL. Это тождественное преобразование не меняющее выражение. Однако при этом трактовка изменилась. В числителе мы видим выражение для работы силы, а в знаменателе объем трубопровода. Получаем новую трактовку: давление – это работа сил по перемещению единичного объема материальной массы, которая аналогична трактовке напряжения. Именно поэтому мощность гидравлических механизмовNопределяется произведениемN=P•Q, гдеQ– расход – объем масс перетекающих в единицу времени. Это выражение аналогично электрической мощности – произведение напряжения на силу тока.
Рассмотрим другую сторону взаимодействия сил на заряд.
Согласно третьему закону Ньютона, сил без противосил не бывает. Поэтому, как только мы определили, что на положительный единичный заряд действует сила взаимодействия с электрическим полем, так сразу же следует рассмотреть и противосилу. Это будет сила, не принадлежащая данному электрическому полю. Это сила, действующая на заряд со стороны среды. В электричестве они называются сторонние силы Fc. Сторонние силы могут иметь самую различную природу: механическую, электрическую, химическую, электромагнитную и так далее и тому подобную.
Соответственно можно рассмотреть и работу этих сил.
2.12. Электродвижущая сила (эдс)
Электродвижущая сила (ЭДС) это работа сторонних сил(часто их называют противосилами, то есть сил среды, сил, имеющих обратное направление по отношению к рассматриваемой в данный момент силе) при перемещении положительного единичного электрического заряда из точки (от клеммы) “а” в точку (к клемме) “b”. ЭДС обычно обозначают Е. Часто ЭДС с обратным знаком удобно называть противоэдс. Таким образом ЭДС, это совсем не сила двигающая электричество, как часто ссылаются на слова этого названия, появившегося в самом начале представления об электрических явлениях, когда люди имели дело, как правило, с простейшими потребителями типа нагревателей. Во-первых, это не сила, а работа сил. Во-вторых, сил всегда направленных против сил, действующих на заряд, со стороны данного электрического поля.
По аналогии с напряжением можно определить Е в интегральной форме так:
2.13. Закон равновесия ЭДС.
Если к цепи приложено напряжение, то в ней ВСЕГДА возникает равная и противоположно приложенная ЭДС, U=-E(удобно ЭДС с обратным знаком назвать противоэдс, но специального (своего) символа, к сожалению, понятие пртивоэдс не имеет).
Доказательство.
В силу закона Ньютона Fe=-Fc.
Проинтегрируем последнее равенство.
=
=
.
(*)
По определению
,
.
(**)
Заменим в равенстве (*) первый и последний интегралы на равноценные символы из (**). ПолучимU=-E, что и требовалось доказать.
Этот закон играет такую же роль в электричестве, как и закон Ньютона в механике. По сути дела это закон сохранения работы в электричестве. Работа электрического поля отдается в равном количестве среде и, наоборот, среда может в равной степени отдавать работу электричеству, если заряд движется от “b” к “a” (против сил поля).
Так же, как в механике, можно сказать, что всякое движение, в том числе и ток, как направленное движение зарядов, будет таким, чтобы закон равновесия ЭДС был выполнен непременно.
Итак, ток всегда будет таким, чтобы закон равновесия ЭДС имел место.Направление движения электрических зарядов никакого отношения ни к напряжению, ни к ЭДС не имеет. Это надо знать и к этому надо привыкнуть вообще, и в электромеханике особенно. Направление движения зарядов, то есть тока, определяется только равенством механических сил и противосил, механических моментов и противомоментов, напряжения и противоэдс. Ток является неким Х, уравнивающим силы и противосилы, моменты и противомоменты, напряжения и противоэдс в уравнениях, отражающих всеобщий НЬЮТОНОВСКИЙ закон единства противоположностей.
Ток зависит не столько от напряжения, сколько от среды характерной для цепи тока. Среди множества различных сред, создающих ЭДС, существует три типовых среды, которые и рассмотрим ниже. 2.14. Емкостная среда
Первая среда - емкостная среда. Это среда, в которой ЭДС создается за счет электрических зарядов (создание своего стороннего электрического поля). Например, на обкладках конденсатора накапливаются электрические заряды, которые создают свое собственное поле стороннее по отношению к действующему электрическому полю.
Рис. 18
Коэффициент С носит название емкости. Емкость измеряется в Фарадах. Одна Фарада соответствует такому конденсатору, у которого при заряде в 1 кулон появляется ЭДС численно равная одному Вольту. Это большая величина емкости. Обычно в паспорте конденсатора указывается его емкость в микрофарадах, то есть в миллионных долях от Фарады. Поэтому при расчетах надо переводить микрофарады в Фарады, деля паспортные величины на 106.