Единицы измерения электрических и магнитных величин

Основные понятия и элементы электрической цепи

Электротехника – отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, обработки материалов, передачи информации и др. и охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электроэнергии в практической деятельности человека. Значение электротехники определяется возможностью концентрированного получения значительных количеств электроэнергии, сравнительной простотой ее передачи на большие расстояния и легкостью преобразования в энергию других видов.

Согласно современной теории строения вещества каждый атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Ядро заряжено положительным электричеством, а электроны – отрицательным. Те из электронов, которые расположены на крайних орбитах, связаны с ядром слабее, чем электроны, находящиеся на ближних к ядру орбитах. Под действием соседних атомов или вследствие других причин крайние атомы могут покинуть свои орбиты.

Атомы всех металлов имеют неустойчивые внешние электроны, которые легко покидают свои орбиты, чем и объясняется хорошая электропроводность металлов. Атомы других веществ прочно удерживают электроны около ядра и не дают им свободно уходить из атомов. Такие вещества плохо проводят электричество.

В обычном состоянии атомы металла, ионы, а также электроны находятся в беспорядочном тепловом движении. Если под действием тех или иных причин заставить свободные электроны смещаться в одном направлении, такое упорядоченное движение свободных электронов в металлических проводниках будет представлять собой электрический ток.

Положительный и отрицательный заряды равны между собой. Но если атомы тела начинают терять электроны, то положительный заряд тела становится больше (тело заряжается положительно). Если же тело получает электроны, то тело заряжается отрицательно. Таким образом, теряя или приобретая электроны, нейтральный в электрическом отношении атом становится заряженным. Такой атом называется ионом. Процесс превращения нейтрального атома в ион называется ионизацией.

Нагревая металл до высокой температуры, мы заставляем хаотически двигающиеся атомы металла двигаться еще быстрее. Электроны, которые ранее удерживались на орбитах атомов, теперь испускаются нагретым металлом в окружающее пространство (термоэлектронный эффект). Нейтральная молекула газа может быть ионизирована под действием высокой температуры, лучей Рентгена, ультрафиолетовых лучей, радиоактивных излучений, высокого напряжения, а также при ударе нейтральной молекулы быстролетящим электроном. Молекулы, веществ, попадая в растворитель, ослабляют внутреннюю связь и распадаются на положительные и отрицательные ионы.

Различие между диэлектриками и проводниками классическая физика видит в том, что в диэлектрике все электроны прочно удерживаются около ядра атома. В проводниках же имеется большое количество свободных электронов, упорядоченное движение которых вызывает электрический ток.

Квантовая физика, изучающая микроскопические тела и законы их движения, дает иное объяснение различию между диэлектриками и проводниками. Согласно квантовой теории как в диэлектрике, так и в проводнике существуют свободные электроны. Диэлектрики и проводники различаются между собой лишь заполненностью и относительным расположением энергетических уровней электронов. Это и составляет основу зонной теории электропроводимости. Полная энергия электронов, вращающихся вокруг ядра, тем больше, чем больше радиус орбиты. Электрон может находиться в строго определенном квантовом состоянии, причем другие электроны в этом состоянии находиться не могут. Если сообщить электрону извне определенное количество энергии, то он может перейти в новое, более высокое квантовое состояние. Сам электрон при этом и атом, в состав которого он входит, называются возбужденными. Переход электрона с высокого уровня на более низкий вызовет перескок электрона на орбиту меньшего радиуса. При этом энергия, которая была затрачена на перевод электрона в возбужденное состояние, будет отдана им в виде светового кванта определенной частоты или передана другому электрону. Переход электрона в иное квантовое состояние невозможен, если это квантовое состояние занято другим электроном. В твердом теле, состоящем из множества атомов, энергетические уровни отдельных атомов смещаются и, объединяясь, образуют энергетические зоны.

Различают заполненную (нормальную) зону, в которой находятся электрические заряды невозбужденного атома. Другой зоной является свободная зона (зона возбуждения), в которую могут попадать электроны возбужденного атома. Между заполненной и свободной зонами помещается запретная зона (зона недозволенных уровней). Ширина запрещенной зоны определяет электропроводность вещества. На рис. 1.1 показано расположение энергетических зон твердого тела. У проводников (металлов) заполненная и свободная зоны перекрываются, между ними нет запретной зоны (рис. 1.1,а). Поэтому электроны легко переходят из заполненной зоны в свободную и обеспечивают высокую электропроводность металлов.

У полупроводников ширина запретной зоны мала (рис. 1.1,б). Под действием внешних причин электроны могут преодолеть запретную зону и прейти из заполненной зоны в свободную. У диэлектриков (изоляторов) запретная зона широка (рис. 1.1,в), и переход электронов из заполненной зоны в свободную затруднен. Электропроводность у такого тела практически отсутствует.

Рисунок 1.1

Единицы измерения электрических и магнитных величин

Когерентная, или согласованная, Международная система единиц физических величин (СИ, SI) принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам. По этой системе предусмотрено семь основных единиц и две дополнительные. Все остальные физические величины могут быть получены как производные основных. Основные и дополнительные единицы системы СИ приведены в табл. 1.1.

Эталоном силы тока принят ампер – сила не изменяющегося во времени электрического тока, который, протекая в вакууме по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным один от другого на расстоянии 1м, создает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия 2*10^-7 Н.

Ом (Ом) – сопротивление, в котором при протекании через него тока в один ампер каждую секунду выделяется энергия в 1 джоуль.

Кулон (Кл) – единица количества электричества (электрического заряда), равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника при токе силой 1 А за время 1 с.

Электромагнитное поле – особая форма материи, которой присущ ряд свойств: электромагнитное поле непрерывно распределяется в пространстве, в вакууме распространяется со скоростью света и обладает способностью силового воздействия на заряженные частицы и токи, в процессе которого энергия поля преобразуется в другие виды энергии.

Таблица 1.1

Электрическое поле – одна из двух сторон электромагнитного поля, возбуждаемого электрическими зарядами и изменением магнитного поля и характеризуемого силовым воздействием на частицы, обладающие электрическим зарядом.

Оценка интенсивности электрического поля производится по механическим силам, с которыми поле действует на заряженные тела. За количественную меру поля принимают механическую силу, с которой поле в данной точке пространства действует на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку. Эта величина называется напряженностью электрического поля

, (1.1)

где Q – точечный заряд, создающий электрическое поле.

Размерность напряженности электрического поля

.

Напряжением называется скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности электрического поля. Разность потенциалов – напряжение в безвихревом электрическом поле, в котором напряжение не зависит от пути интегрирования.

Постоянное напряжение для участка проводника

. (1.2)

Основная единица напряжения в системе СИ – вольт (В).

В общем случае постоянный ток в проводящей среде представляет собой упорядоченное движение положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля. Принято считать направлением тока I направление движения положительных зарядов, т.е. направление, обратное направлению движения электронов в проводнике под действием электрического поля.

При расчете цепи действительные направления токов в ее элементах в общем случае заранее не известны. поэтому необходимо предварительно выбрать условные положительные направления токов во всех элементах цепи.

Положительное направление тока в элементе или в ветви выбирается произвольно и указывается стрелкой. Если при выбранных положительных направлениях токов в результате расчета режима работы цепи ток в данном элементе получится положительным, то действительное направление тока совпадает с выбранным. В противном случае действительное направление противоположно выбранному положительному.

Положительное направление напряжения на элементе схемы цепи также может быть выбрано произвольно и указывается стрелкой, но для участков цепи, не содержащих источников энергии, рекомендуется выбирать его совпадающим с положительным направлением тока.

Если выводы элемента обозначены (например, a и b) и стрелка направлена от вывода а к выводу b, то положительное направление означает, что определяется напряжение U = U_ab.

Аналогичное обозначение может быть принято и для тока. Например, обозначение I_ab указывает положительное направление тока в элементе цепи от вывода a к выводу b.