8 Вопрос. Постоя́нный ток, dc (англ. Direct current — постоянный ток) — электрический ток, параметры, свойства, и направление которого не изменяются (в различных смыслах) со временем.

Не переменный ток, то есть ток, не меняющий своего направления со временем и не имеющий частоты (то есть для него частота f=0).

Постоянный ток как характеристика питания устройств — питание от источника с напряжением или током нулевой частоты (пример — двигатель постоянного тока).

Существуют источники постоянного тока, ток на выходе которых не зависит от времени и сопротивления нагрузки.

А) Силой тока называется физическая величина, равная отношению количества заряда, прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в системе СИ измеряется в Амперах.

По закону Ома сила тока I для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению U к участку цепи и обратно пропорциональна сопротивлению R проводника этого участка цепи :

Плотностью тока называется вектор, модуль которого равен отношению силы тока, протекающего через некоторую площадку, перпендикулярную направлению тока, к величине этой площадки, а направление вектора совпадает с направлением движения положительного заряда в токе.

Согласно закону Ома плотность тока в среде пропорциональна напряжённости электрического поля и проводимости среды :

Плотность тока в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.

Б) Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил (E_ex). В замкнутом контуре (L) тогда ЭДС будет равна:

, где dl — элемент длины контура.

ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в вольтах. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами тока вне самого источника равна нулю.

Простейшим источником постоянного тока является химический источник (гальванический элемент или аккумулятор), поскольку полярность такого источника не может самопроизвольно измениться.

Для получения постоянного тока используют также электрические машины — генераторы постоянного тока.

В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения постоянного тока используют выпрямитель. Далее для уменьшения пульсаций может быть использован сглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор тока или стабилизатор напряжения.

С) Между падением потенциала - напряжением U и силой тока в проводнике I существует функциональная зависимость , называемая вольтамперной характеристикой данного проводника (ВАХ). Вид этой зависимости для разных проводников и устройств может быть самым разнообразным.

Как показывает опыт, для многих проводящих материалов выполняется зависимость: ,

получившая название закона Ома (Ohm G., 1787-1854) для однородного участка цепи.

Коэффициент пропорциональности R называется сопротивлением проводника. Сопротивление однородного проводника (

зависит от материала, из которого он изготовлен, его формы, размеров, а также от температуры.

Размерность сопротивления: [R] = . Кратные единицы измерения: 1кОм = 10³Ом ; 1Мом = 10⁶Ом.

ρ – удельное сопротивление. Размерность ρ в СИ: [ρ] = Ом∙м.

Для многих веществ зависимость сопротивления от температуры в широком интервале температур вблизи Т≈300К определяется эмпирической зависимостью от температуры их удельного сопротивления:

,

где α – температурный коэффициент сопротивления; - значение при .

Д) Последовательное и параллельное соединения в электротехнике — два основных способа соединения элементов электрической цепи. При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так, что включающий их участок цепи не имеет ни одного узла. При параллельном соединении все входящие в цепь элементы объединены двумя узлами и не имеют связей с другими узлами, если это не противоречит условию.

При последовательном соединении проводников сила тока во всех проводниках одинакова.

При параллельном соединении падение напряжения между двумя узлами, объединяющими элементы цепи, одинаково для всех элементов. При этом величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

Сопротивление проводников зависит от его размера.

Е) Закон Джоуля — Ленца 

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

Математически может быть выражен в следующей форме:

где w — мощность выделения тепла в единице объёма,  — плотность электрического тока,  — напряжённость электрического поля, σ — проводимость среды.

Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах

9 вопрос. Магнети́зм — форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. Наряду с электричеством, магнетизм — одно из проявлений электромагнитного взаимодействия. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

А) Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения^[1], магнитная составляющая электромагнитного поля^[2]

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени)

Б) Закон Ампера: сила, с которой магнитное поле действует на отрезок проводника в током (помещенный в это поле), численно равна произведению силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длине отрезка проводника и синуса угла между направлением силы

тока и вектором магнитной индукции.

Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.

Направление движения проводника зависит от направления тока в нем и от расположения полюсов магнита. При направлении тока от плюса к минусу проводник отклонится влево, а если поменять направление тока, то проводник отклонится вправо. Так же проводник может отклоняться в разные стороны в зависимости от расположения полюсов магнита. Практически, важное значение имеет вращение проводника с током в магнитном поле. Так, например, вращение катушки с током в магнитном поле используют в устройстве электрического двигателя.

В технических электродвигателях обмотка состоит из большого числа витков проволоки. Эти витки укладываются в пазы, сделанные вдоль боковой поверхности железного цилиндра. Этот цилиндр нужен для усиления магнитного поля.

КПД мощных электрических двигателей достигает 98%. Они нашли широкое применение на транспорте, в промышленности и т.д. Один из первых в мире электрических двигателей, пригодных для практического применения, был изобретен русским ученым Б. С. Якоби в 1834 г.

С) Сила Лоренца — сила, с которой, в рамках классической физики, электромагнитное поле действует на точечную заряженную частицу. Иногда, силой Лоренца называют силу, действующую на движущийся со скоростью заряд лишь со стороны магнитного поля, нередко же полную силу — со стороны электромагнитного поля вообще иначе говоря, со стороны электрического и магнитного полей в СИ:

Названа в честь голландского физика Хендрика Лоренца, который вывел выражение для этой силы в 1892 году. За три года до Лоренца правильное выражение было найдено Хевисайдом.

Частным случаем силы Лоренца является сила Ампера.