3. Краткий теоретический материал по дисциплине «История электроэнергетики»

3.1. Определения, расчетные формулы и размерности некоторых электрических величин

Электрический ток – упорядоченное движение электрических зарядов.

Для его возникновения необходимо:

а) наличие свободных зарядов;

б) наличие электрического поля

Сила тока – величина, численно равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника в единицу времени.

В зависимости от силы тока его подразделяют:

а) на постоянный – не меняется ни по величине, ни по направлению (рис. 3.1);

I

0

+

Рис. 3.1. График постоянного тока

б) на пульсирующий – меняется по величине, но не изменяется по направлению (рис. 3.2);

Рис. 3.2. График пульсирующего тока

в) на переменный – меняется и по величине, и по направлению (рис. 3.3);

Рис. 3.3. График переменного тока

Примечание: на рисунках 3.1–3.3 «+» означает положительное направление оси.

Закон Ома: I=U/R, размерность А.

Плотность электрического тока – величина, численно равная силе электрического тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярную направлению тока.

Напряжение и потенциал электрического поля

Потенциал – скалярная характеристика электрического поля. Потенциал электрического поля в некоторой точке М численно равен работе сил электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из точки М в бесконечно удаленную точку, т.е. точку, где электрическое поле можно считать равным нулю.

Потенциал электрического поля есть величина, равная отношению потенциальной энергии точечного положительного заряда, помещенную в данную точку поля, к величине этого заряда

.

Потенциал электрического поля есть величина, равная отношению работы сил поля по перемещению точечного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность к этому заряду.

.

Потенциал электрического поля в бесконечности условно принят равным нулю.

=В.

Величина 1В равна потенциалу такой точки поля, в которой заряд в 1Кл обладает потенциальной энергией 1Дж.

Разностью потенциалов между двумя точками 1 и 2 называется физическая величина, численно равная работе сил электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

,

. (3.1)

Напряжением U на участке 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических и сторонних сил при перемещении единичного заряда на данном участке цепи.

. (3.2)

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, т.е. сторонние силы отсутствуют.

Если на участке источник отсутствует, то напряжение равно разности потенциалов: .

Электродвижущая сила

Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приведет к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил не электростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока, а силы – сторонними. Сторонние силы возникают за счет химической реакции (в батарейках, аккумуляторах) или за счет энергии электромагнитного поля и механической энергии в генераторах на электростанциях.

Сторонние силы совершают работу по перемещению электрических зарядов от отрицательного полюса источника к положительному. Физическая величина, определяемая этой работой, называется электродвижущей силой - Э.Д.С., действующей в цепи.

Сторонняя сила,

где Е_ст – напряженность поля сторонних сил,

Q_o – заряд, на который действуют сторонние силы.

Работа сторонних сил по перемещению заряда на участке цепи:

. (3.3)

Рассмотрим участок цепи, на которой есть источник электрической энергии (рис. 3.4). В общем случае напряжение численно равно работе, которую совершают силы суммарного поля обусловленного электрической и сторонней природой по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

Рис. 3.4. Источник электрической энергии

. (3.4)

Если на участке источник отсутствует, то (напряжение равно разностипотенциалов).

Для отличия переменных и постоянных величин при написании используют различные обозначения.