к оглавлению Реальная физика: электромагнетизм

Elektrotechnik fuer Grundlagen der Elektronik

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Данный раздел физики, охватывающий знания о статическом электричестве, электрических токах и магнитных явлениях является основополагающим для электротехники и электроники, и изучает физические явления, возникающие при распределении и движении электрических зарядов.

Основополагающая причинно-следственная связь в электромагнитных явлениях такова: неравномерное распределение зарядов вызывает электрическое поле; изменение положения зарядов, их движение – это электрический ток, который вызывает магнитное поле; изменение тока вызывает излучение электромагнитного поля.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

В электростатике рассматриваются явления, связанные с покоящимися электрическими зарядами. Наличие сил, действующих между такими зарядами, было отмечено еще во времена Гомера. Слово “электричество” происходит от греческого elektron (янтарь), поскольку первые описанные в истории наблюдения электризации трением связаны именно с этим материалом. В 1733 Ш. Дюфе (1698–1739) открыл, что существуют электрические заряды двух типов. Заряды одного типа образуются на сургуче, если его натирать шерстяной тканью, заряды другого типа – на стекле, если его натирать шелком. Одинаковые заряды отталкиваются, разные – притягиваются. Заряды разных типов, соединяясь, нейтрализуют друг друга. В 1750 Б. Франклин (1706–1790) разработал теорию электрических явлений, основанную на предположении, что все материалы содержат некую “электрическую жидкость”. Он полагал, что при трении двух материалов друг о друга часть этой электрической жидкости переходит с одного из них на другой (при этом общее количество электрической жидкости сохраняется). Избыток электрической жидкости в теле сообщает ему заряд одного типа, а ее недостаток проявляется как наличие заряда другого типа. Франклин решил, что при натирании сургуча шерстяной тканью шерсть отнимает у него некоторое количество электрической жидкости. Поэтому он назвал заряд сургуча отрицательным.

Взгляды Франклина очень близки современным представлениям, согласно которым электризация трением объясняется перетеканием электронов с одного из трущихся тел на другое. Но поскольку в действительности электроны перетекают с шерсти на сургуч, в сургуче возникает избыток, а не недостаток этой электрической жидкости, которая теперь отождествляется с электронами. У Франклина не было способа определить, в каком направлении перетекает электрическая жидкость, и его неудачному выбору мы обязаны тем, что заряды электронов оказались “отрицательными”. Хотя такой знак заряда вызывает некоторую путаницу у приступающих к изучению предмета, эта условность слишком прочно укоренилась в литературе, чтобы говорить об изменении знака заряда у электрона после того, как его свойства уже хорошо изучены.

С помощью крутильных весов, разработанных Г. Кавендишем (1731–1810), в 1785 Ш. Кулон (1736–1806) показал, что сила, действующая между двумя точечными электрическими зарядами, пропорциональна произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, а именно:

где F – сила, с которой заряд q отталкивает заряд того же знака q’, а r – расстояние между ними. Если знаки зарядов противоположны, то сила F отрицательна и заряды не отталкивают, а притягивают друг друга. Коэффициент пропорциональности K зависит от того, в каких единицах измеряются F, r, q и q’.

Единицы измерения заряда первоначально не существовало, но закон Кулона дает возможность ввести такую единицу. Этой единице измерения электрического заряда присвоено название “кулон” и сокращенное обозначение Кл, C. Один кулон (1 Кл) представляет собой заряд, который остается на первоначально электрически нейтральном теле после удаления с него 6,242*10¹⁸ электронов.

Если в формуле (1) заряды q и q’ выражены в кулонах, F – в ньютонах, а r – в метрах, то K = 8,9876*10⁹ H*м²/Кл², т.е. примерно 9*10⁹ Н*м²/Кл. Обычно вместо K используют константу e₀ = 1/4πK. Хотя при этом выражение для закона Кулона немного усложняется, это позволяет обходиться без множителя 4π в других формулах, которые применяются чаще закона Кулона.

Электростатические машины и лейденская банка

Машину для получения статического заряда большой величины путем трения изобрел примерно в 1660 О. Герике (1602-1686), описавший ее в книге "Новые опыты о пустом пространстве" ("De vacuo spatio", 1672). Вскоре появились другие варианты такой машины. В 1745 Э. Клейст из Каммина и независимо от него П. Мушенбрук из Лейдена обнаружили, что стеклянную посудину, выложенную изнутри и снаружи проводящим материалом, можно использовать для накопления и хранения электрического заряда. Стеклянные банки, выложенные изнутри и снаружи оловянной фольгой - так называемые лейденские банки - были первыми электрическими конденсаторами. Франклин показал, что при зарядке лейденской банки наружное покрытие из оловянной фольги (наружная обкладка) приобретает заряд одного знака, а внутренняя обкладка - равный по величине заряд противоположного знака. Если обе заряженные обкладки приводятся в соприкосновение или соединяются проводником, то заряды полностью исчезают, что свидетельствует об их взаимной нейтрализации. Отсюда следует, что заряды свободно перемещаются по металлу, но не могут перемещаться по стеклу. Материалы типа металлов, по которым заряды передвигаются свободно, были названы проводниками, а материалы типа стекла, через которые заряды не проходят, - изоляторами (диэлектриками).

Диэлектрики

Идеальный диэлектрик – это материал, внутренние электрические заряды которого связаны настолько прочно, что он не способен проводить электрический ток. Поэтому он может служить хорошим изолятором. Хотя идеальных диэлектриков в природе не существует, проводимость многих изоляционных материалов при комнатной температуре не превышает 10^–23 проводимости меди; во многих случаях такую проводимость можно считать равной нулю.

Диэлектрическая проницаемость

Одним из важнейших параметров диэлектрика является его диэлектрическая проницаемость.

Существует три физические единицы диэлектрической проницаемости, однозначно связанные между собой.

Диэлектрическая проницаемость эфира, диэлектрическая постоянная, ε₀ - константа, характеризующая степень силового взаимодействия электрических зарядов в вакууме (свободном от вещества космическом эфире), равная 10⁷/(4πc² [Фарад/метр]).

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества, ε - безразмерный коэффициент, показывающий, во сколько раз силовое взаимодействие электрических зарядов в данном веществе меньше такового в вакууме (эфире).

Абсолютная диэлектрическая проницаемость, ε_a - произведение относительной диэлектрической проницаемости вещества ε на диэлектрическую проницаемость эфира ε₀ [Фарад/метр].

Значение диэлектрической проницаемости различных веществ приведены в таблице ниже.

Значения диэлектрической проницаемости различных веществ


Диэлектрик              ε          примечание
Эфир                    1       
Воздух                  1,0001959
Пенополистирол          1,03       
Бальза                  1,4
Гексан C6H14            1,89              
Цемент                  2,0
Бензин                  2       
Масло вазелиновое       2          Лампадное
Циклогексан C6H12       2,0              
Бумага                  2,0 - 3,5
Керосин                 2,1
Тефлон                  2,1       
Парафин                 2,0 - 2,3
Скипидар                2,2
Масло трансформаторное  2,2
1,4-Диоксан C4H8O2      2,21              
Бензол C6H6             2,23 - 2,27 (20°С - 25°С)             
Полиэтилен              2,25 - 2,4
Полипропилен            2,3
Толуол C7H8             2,3  - 2,4
Каучук                  2,4
Полистирол              2,4 - 2,6
Конденсаторная бумага   2,5 - 2,55       
Битум                   2,5 - 3
Янтарь                  2,6 - 2,8       
Дерево                  2,04 - 7,3  В зависимости от типа древесины
Резина мягкая           2,5
Эбонит                  2,5 - 4,0
Сероуглерод CS2         2,64              
Силиконовая резина      2,8
Полихлорвинил           2,9 - 3,0
Целлулоид               3,0
Плексиглас              3,4 - 3,5      
Оргстекло               3,5
Шеллак                  3,5
Кристаллическая сера    3,75 - 4,45   В соответствии с ориентацией
Плавленый кварц         3,8       
Стекло                  3,8 - 19      В зависимости от типа стекла
Кварц, Si02             3,5 - 4,5
Фанера                  4,0
Анизол C7H8O (метилфениловый эфир) 4,33              
Эпоксидные смолы отвержденные 4,4-4,8     (20°С)
Бетон                   4,5
Бакелит                 4,5
Фарфор                  4,4 - 4,7
Масло касторовое        4,6 - 4,8
Трихлорметан (хлороформ) CHCl3 4,81 - 4,64              
Хлористый водород HCl   4,97              
Гетинакс                5 - 6
Полиамид                5,0
Стеклотекстолит         5,5
Хлорбензол C6H5Cl       5,62              
Алмаз, С                5,7
Слюда                   5,7 - 11,5       
NaCl                    5,9          монокристалл, Кулинарные соли
Гидрат целлюлозы        6,0          (20°С)
Уксусная кислота C2H4O2 6,15 - 6,19              
Kaмeнная соль, NaCl     6,3
Полиуретаны             6,7-7,5      (20°С)
Анилин C6H7N            6,89                     
Резина                  7,0
Мрамор                  7,0 - 8       
Текстолит               7,5
LiF                     9          монокристалл       
Триметилметанол C4H10O  9,3              
Кремний, Si            11,7       
Трицианэтилцеллюлоза   13          (20°С)
Германий, Ge           16 - 16,4
Аммиак NH3 (жид.)      16,90            22,4 (-33°С)
Ацетофенон C8H8O       17,39              
Ацетон C3H6O           21,4 (20°С)     20,9 (25°С)             
Этанол C2H6O           25,0 (20°С)      24,30 (25°С)              
Метанол CH4O           32,63              
Нитробензол C6H5O2N    34,85 (25°С)      34,82 (30°С)       
Ацетонитрил C2H3N      38,0              
Нитрометан CH3O2N      38,6 (25°С)      35,9 (30°С)      
Муравьиная кислота CH2O2 57,0 (20°С)     58,0 (16°С)
Лёд, Н20                73          при —5°С
Вода                    81          при +20°C
Керамика конденсаторная 10 - 200     радиотехническая
Серная кислота H2SO4   101              
Формамид CH3ON         110 (20°С)              
Рутил, Ti02            170          вдоль оптической оси
Сегнетова соль         500
Метатитанат бария     2000
Титанат бария, ВаТi03 4000          при 20°С перпендикулярно оптической оси

Проводники

Кристаллическая структура и распределение электронов в твердых проводниках и диэлектриках сходны между собой. Основное различие заключается в том, что в диэлектрике все электроны прочно связаны с соответствующими ядрами, тогда как в проводнике имеются электроны, находящиеся во внешней оболочке атомов, которые могут свободно перемещаться по кристаллу. Такие электроны называют свободными электронами или электронами проводимости, поскольку они являются переносчиками электрического заряда. Число электронов проводимости, приходящихся на один атом металла, зависит от электронной структуры атомов и степени возмущения внешних электронных оболочек атома его соседями по кристаллической решетке. У элементов первой группы периодической системы элементов (лития, натрия, калия, меди, рубидия, серебра, цезия и золота) внутренние электронные оболочкизаполнены целиком, а во внешней оболочке имеется один-единственный электрон. Эксперимент подтвердил, что у этих металлов приходящееся на один атом число электронов проводимости приблизительно равно единице. Однако для большинства металлов других групп характерны в среднем дробные значения числа электронов проводимости в расчете на один атом. Например, у переходных элементов – никеля, кобальта, палладия, рения и большинства их сплавов – число электронов проводимости на один атом равно примерно 0,6. Число носителей тока в полупроводниках гораздо меньше. Например, в германии при комнатной температуре оно порядка 10^–9. Чрезвычайно малое число носителей в полупроводниках приводит к возникновению у них множества интересных свойств.

Тепловые колебания кристаллической решетки в металле поддерживают постоянное движение электронов проводимости, скорость которых при комнатной температуре достигает 10⁶ м/с. Поскольку это движение хаотично, оно не приводит к возникновению электрического тока. При наложении же электрического поля появляется небольшой общий дрейф. Этот дрейф свободных электронов в проводнике и представляет собой электрический ток. Поскольку электроны заряжены отрицательно, условное направление тока (как движение положительных зарядов) противоположно направлению их дрейфа.

Разность потенциалов

Для описания свойств конденсатора необходимо ввести понятие разности потенциалов. Если на одной обкладке конденсатора имеется положительный заряд, а на другой – отрицательный заряд той же величины, то для переноса дополнительной порции положительного заряда с отрицательной обкладки на положительную необходимо совершить работу против сил притяжения со стороны отрицательных зарядов и отталкивания положительных. Разность потенциалов между обкладками определяется как отношение работы по переносу пробного заряда к величине этого заряда; при этом предполагается, что пробный заряд значительно меньше заряда, находившегося первоначально на каждой из обкладок. Несколько видоизменив формулировку, можно дать определение разности потенциалов между любыми двумя точками, которыемогут находиться где угодно: на проводе с током, на разных обкладках конденсатора либо просто в пространстве. Это определение таково: разность потенциалов между двумя точками пространства равна отношению работы, затрачиваемой на перемещение пробного заряда из точки с более низким потенциалом в точку с более высоким потенциалом, к величине пробного заряда. Снова предполагается, что пробный заряд достаточно мал и не нарушает распределения зарядов, создающих измеряемую разность потенциалов. Разность потенциалов V измеряется в вольтах (В) при условии, что работа W выражена в джоулях (Дж), а пробный заряд q – в кулонах (Кл).

Постоянный ток

В 1780 Л. Гальвани (1737–1798) заметил, что заряд, подводимый от электростатической машины к лапке мертвой лягушки, заставляет лапку резко дергаться. Более того, лапки лягушки, закрепленной над железной пластинкой на латунной проволочке, введенной в ее спинной мозг, дергались всякий раз, как только касались пластинки. Гальвани правильно объяснил это тем, что электрические заряды, проходя по нервным волокнам, заставляют мышцы лягушки сокращаться. Это движение зарядов было названо гальваническим током.

После опытов, проводившихся Гальвани, Вольта (1745–1827) изобрел так называемый вольтов столб – гальваническую батарею из нескольких последовательно соединенных электрохимических элементов. Его батарея состояла из чередовавшихся медных и цинковых кружочков, разделенных влажной бумагой, и позволяла наблюдать те же явления, что и электростатическая машина.

Повторяя опыты Вольты, Никольсон и Карлейль в 1800 обнаружили, что посредством электрического тока можно нанести медь из раствора сульфата меди на медный проводник. У. Волластон (1766–1828) получил такие же результаты с помощью электростатической машины. М. Фарадей (1791–1867) показал в 1833, что масса элемента, получаемого с помощью электролиза, производимого данным количеством заряда, пропорциональна его атомной массе, деленной на валентность. Это положение ныне называют законом Фарадея для электролиза.

Поскольку электрический ток представляет собой перенос электрических зарядов, естественно определить единицу силы тока как заряд в кулонах, который ежесекундно проходит через данную площадку. Сила тока 1 Кл/с была названа ампером в честь А. Ампера (1775–1836), открывшего многие важные эффекты, связанные с действием электрического тока.

Источники постоянного тока и напряжения (ЭДС)

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

к оглавлению О реальных явлениях электромагнетизма Реальная физика: электромагнетизм

Знаете ли Вы, что, как не тужатся релятивисты, CMB (космическое микроволновое излучение) - прямое доказательство существования эфира, системы абсолютного отсчета в космосе, и, следовательно, опровержение Пуанкаре-эйнштейновского релятивизма, утверждающего, что все ИСО равноправны, а эфира нет. Это фоновое излучение пространства имеет свою абсолютную систему отсчета, а значит никакого релятивизма быть не может. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира