Первокурсникам об электричестве. Учебное пособие

УДК 537(075.8) Ц 341

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. О. Н. Веселовский; д-р техн. наук, проф. А. И. Инкин

Работа подготовлена на кафедре Техники и электрофизики высоких напряжений для студентов I курса направления 130302 «Электроэнергетика и электротехника»

Целебровский Ю. В.

Ц 341 Первокурсникам об электричестве : учеб. пособие / Ю. В. Целебровский. – 3-е изд., испр. и доп. – Новосибирск :

Изд-во НГТУ, 2022. – 51 с. ISBN 978-5-7782-4747-5

В учебном пособии в краткой форме представлены фундаментальные законы и понятия электричества. Изложенный материал позволяет студентам I курса повторить, закрепить и систематизировать основные знания по электричеству, полученные в средней школе. Эти знания, будучи базовыми, создают основу для дальнейшего успешного освоения электроэнергетики и электротехники.

Учебное пособие может быть использовано для изучения курса «Введение в направление», а также при подготовке к изучению теоретических основ электротехники. Пособие может быть также полезно студентам других специальностей, изучающим общую электротехнику.

УДК 537(075.8)

...Истина, если она действительно есть истина, может и должна найти свое выражение в простых словах.

академик В.Ф. Миткевич

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Почти все, что написано в этой книжке, мы изучали в школе, в курсе физики. Как это часто бывает (в том числе было и у меня), что-то запоминается, а что-то пропускается или улетучивается. Школьные знания – это фундамент, и если в фундаменте не хватает каких-то «блоков», то университетские предметы окажутся без должной опоры. В итоге не выстроится стройного и устойчивого здания электротехнических знаний.

Какие блоки должны составлять фундамент электротехнических знаний? Я думаю, что необходимо знать как минимум:

исходные понятия, определяющие электромагнитные свойства материи;

три фундаментальных закона электричества;

примерно полтора десятка электротехнических понятий (вели-

чин);

основные взаимосвязи между величинами.

В оглавлении поименно названы эти понятия и законы.

Хотелось бы, чтобы читатель понимал все слова и термины, использованные в тексте. К сожалению, в знаниях по физике, химии, математике и другим предметам кое у кого бывают пробелы. Поэтому я постарался в тексте курсивом выделить те слова, которые некоторым студентам могут казаться незнакомыми, а чаще – не совсем понятными по своей сути. Для этих слов в конце книжки приведен словарь. Некоторые понятия поясняются в сносках, внизу страницы.

Схожие материалы сейчас не представляет трудностей найти в Интернете. Однако следует предостеречь студентов от безоговорочного доверия к точности и строгости этих материалов. В большинстве случаев в сетевых источниках понятия трактуются односторонне, часто встречаются неточности, а иногда и абсолютно неверное изложение. Обсуждению несхожестей материалов Интернета и данного пособия, замеченных студентами, я с удовольствием уделю время на лекциях, семинарах, а также при индивидуальной работе с каждым студентом, желающим стать настоящим специалистом.

5

а суммарный заряд – Q = 1,602176487·10–19 100 = 1,602176487·10–17 Кл.

При расстоянии между телами 1 м получим:

гравитационная сила притяжения Fm = 10–65 Н;

электрическая сила отталкивания Fq = 2,307 10–20 Н, т. е. в 2,307 1045 (2307 септиллионов) раз больше.

В нашем мире и в жизни человека закон Кулона играет очень большую роль. Этому можно привести множество примеров.

Так, прочность материалов обусловлена в общем случае силами молекулярного притяжения, имеющими кулоновскую природу. У твердых материалов эти силы больше, ибо у твердых тел расстояние между атомами и молекулами (r в математическом выражении закона Кулона) меньше, чем у газов и жидкостей. Большая прочность, например, металлов связана с тем, что свободные2 электроны, имеющиеся в металлах и образующие «электронный газ», притягиваются силами Кулона к положительным ионам кристаллической решетки металла. В общем случае все химические связи в веществе имеют кулоновскую природу, а их разрыв силами механическими или электрическими (кулоновскими) приводит к разрушению материала.

В источнике постоянного тока (батарея, аккумулятор) носители положительного и отрицательного зарядов разделены по разным электродам и притягиваются друг к другу. Но их встречному движению внутри батареи препятствует межэлектродное пространство (в аккумуляторах - электролит). При соединении электродов батареи (аккумулятора) внешним металлическим проводником, имеющим свободные электроны, последние начинают двигаться в соответствии с законом Кулона от отрицательного полюса к положительному, формируя то, что мы назы-

ваем электрическим током (см. ниже).

Электролиз, гальваническое покрытие металлов (в частности, оцинковка), коллоидные системы и явления в них (электроосмос, электрофорез и др.) – все это проявление закона Кулона.

Очень интересным и не до конца изученным процессом, причина которого также в законе Кулона, является формирование грозового облака, динамика его движения и, наконец, разряд молнии.

Полезно вспоминать и размышлять о законе Кулона, когда синтетическая одежда прилипает к телу, один лист бумаги притягивается к другому, капля воды на одних поверхностях остается каплей, а другими материалами впитывается и тому подобное.

2 Свободные – значит не принадлежащие конкретному атому, «обобществленные» всеми близлежащими ионами металла.

8

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, ПОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СМЕЩЕНИЯ

Поле сил, в котором действуют силы Кулона, называется электрическим полем. Силовые поля изображаются в виде силовых линий, касательныеккоторымвкаждойточкеопределяютнаправление векторасилы.

рез какую-либо поверхность, называют потоком электрического смещения. Поток электрического смещения через замкнутую поверхность равен заряду находящемуся в объеме, ограниченном этой поверхностью4. Поток электрического смещения – величина скалярная и измеряется в кулонах (Кл).

Каждая точка поля характеризуется векторной величиной, называемой плотностью потока электрического смещения D. Плотность потока электрического смещения – это отношение бесконечно малой доли этого потока ∂q к бесконечно малой площадке ∂S, перпендикуляр-

3Внесение заряженной частицы (тела) в поле искажает это поле.

4Это закон Гаусса.

9