1.2.1. Электродинамические силы в электрических аппаратах

Работа любого электрического или электронного аппарата сопровождается электромагнитными явлениями. При рассмотрении электромагнитных явлений принято выделять две стороны – электрическую и магнитную, между которыми существует тесная связь. В соответствии с этим выделяют и две стороны электромагнитного поля – электрическое и магнитное поле.

Электромагнитное поле – это особый вид материи (вещества), отличающийся непрерывным распределением в пространстве, обнаруживающий дискретность структуры (кванты излученного электромагнитного поля) и характеризующийся способностью оказывать на заряженные частицы силовое воздействие, зависящее от их скорости. Всякая заряженная частица окружена электромагнитным полем, составляющим с ней одно целое. Электромагнитное поле может существовать и в свободном, отдельном от заряженных частиц состоянии в виде движущихся со скоростью, близкой к скорости света, фотонов или электромагнитных волн. Электромагнитное поле является носителем определенного количества энергии, которая способна преобразовываться в другие виды энергии – механического движения, тепловую и так далее. Являясь носителем энергии, это поле обладает и определенной массой, которая может быть определена из общей связи полной энергиии полной массы, причемм/с – скорость света в пустоте. Однако плотность этой массы из-за большого значенияв обычных электромагнитных полях весьма невелика. Поэтому на практике этой характеристикой поля обычно не интересуются, сосредотачивая внимание на силовой стороне проявлений энергии поля.

Электрическое поле – это одна из сторон электромагнитного поля, обусловленная электрическими зарядами и изменением магнитного поля, оказывающая силовое воздействие на неподвижные заряженные тела и частицы. В случае, когда заряженные тела имеют точечные размеры, величина этой силы определяется по закону Кулона:

, (1.2.1)

где – точечные заряды;– расстояние между зарядами;– постоянная, называемая абсолютной диэлектрической проницаемостью.

Направление силы можно определить по картине линий напряженности электрического поля (рис. 1.2.1).

а) б)

Рис. 1.2.1. Картина линий напряженности электрического поля: а – одного заряда;

б – двух зарядов

Напряженность электрического поля есть векторная величина, сонаправленная с силой, действующей на неподвижное положительно заряженное тело единичным зарядоми помещенное в данную точку электрического поля:

, (1.2.2)

Магнитное поле – одна из двух сторон электромагнитного поля, обусловленная движущимися заряженными частицами и изменением электрического поля, оказывающая силовое воздействие на движущиеся заряженные частицы, и выявляемая по силовому воздействию, направленному нормально к направлению движения частиц и пропорциональному их скорости. Движение зарядов является электрическим током. При этом оказывается, что на проводник с током, расположенный в магнитном поле действует сила , величина которой пропорциональна току(или заряду), а направление перпендикулярно оси проводника. В общем случае силаопределяется из соотношения:

, (1.2.3)

или

, (1.2.4)

где – знак векторного умножения,– вектор, имеющий длину, равную длине отрезка проводника, и направленный по оси проводника в направлении тока;– заряд в объеме проводника, движущийся вдоль его оси со скоростью;– векторная величина магнитной индукции.

Если направление проводника с током выбрано таким образом, что сила оказывается максимальной по величине (когда векторы,,взаимно перпендикулярны), то величина магнитной индукции находится как:

, (1.2.5)

или

. (1.2.6)

По правилу правого винта на рис. 1.2.2 построена картина магнитного поля, а именно линии магнитной индукции, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором B.

а) б)

Рис. 1.2.2. Картина магнитного поля: а – линейного проводника с током;

б – кольцевого проводника с током

Выделение из электромагнитного поля электрического и магнитного полей оказывается удобным для методических и практических целей. Например, когда фактически проявляется только одна из этих сторон, как в случае электростатического поля. Но в общем случае эти две стороны связаны и проявляются совместно. Так на движущуюся в электрическом поле частицу с зарядом и скоростьюдействует сила Лоренца:

. (1.2.7)

Одна из составляющих которой обуславливается электрическим, а другая– магнитным полем. Действие силиразлично. Сила, обусловленная электрическим полем, может изменять как направление вектора скорости, так и его величину, а, следовательно, и кинетическую энергию частицы. Сила, обусловленная магнитным полем, направлена всегда перпендикулярно вектору скорости частицы и изменяет только направление движения частицы.