Общие понятия. 1.1.1. Электромагнитное поле

1.1.1. Электромагнитное поле

Все наблюдаемые или изучаемые электротехнические процессы являются тем или иным проявлением действия электромагнитного поля, которое, в свою очередь, является определенным видом материи.

Электротехника как наука занимается изучением электромагнитного поля, спосо-бов получения и преобразования электрической энергии, т. е. изучением практического применения электромагнитных явлений.

Электромагнитное поле как вид материи характеризуется непрерывным распреде-лением в пространстве, обладает энергией и массой, следовательно, и инерцией. Элек-тромагнитное поле может быть получено за счет других видов материи и само может быть преобразовано в другие виды материи. Электромагнитное поле имеет кажущуюся противоречивость проявления – в виде непрерывного, сплошного и в виде отдельных частиц – корпускул. Электромагнитное поле действует с определенной механической силой на неподвижные и движущиеся электрические заряды, а в пространстве распро-страняется со скоростью света.

У человека нет такого органа, который мог бы воспринимать (осязать) электромаг-нитное поле, за исключением таких его форм, как свет и тепло. В результате этого элек-тромагнитное поле воспринимается как нечто абстрактное, воображаемое людьми, что создает определенную трудность при изучении электромагнитного поля.

Материя имеет две формы существования: в виде вещества и в виде поля (электро-магнитного, гравитационного, ядерного). Элементарной частицей многих веществ, имеющей все признаки данного вещества, является молекула. У целого ряда веществ та-кой частицей является атом. Различных веществ и молекул очень много. Различных эле-ментов, а следовательно, атомов на сегодняшний день больше ста.

Элементарной частицей электромагнитного поля является фотон, который имеет все признаки данного электромагнитного поля. Атомы различных элементов имеют раз-личные признаки и свойства. Аналогично этому фотоны различных электромагнитных полей отличаются друг от друга.

Электромагнитное поле проявляет себя с двух сторон: с одной стороны, в виде электрического поля, с другой – в виде магнитного поля. Электромагнитное поле нельзя рассматривать как смесь или соединение электрического и магнитного полей. Электри-ческое и магнитное поля являются как бы сторонами одной и той же медали – электро-магнитного поля.

Всякая материя (или ее частица) обладает массой и энергией. Масса любого тела не является величиной неизменной, так как она зависит от скорости движения тела – ма-терии. При относительно малых скоростях движения масса движущегося тела и масса тела, находящегося в покое, не отличаются друг от друга. При скоростях, близких к ско-рости света, масса движения имеет такой же порядок, как и масса покоя. Есть и такие формы материи, у которых отсутствует масса покоя. Так, фотон не обладает массой по-коя, а имеет только массу движения.

Известно, что материя не исчезает, а переходит из одной формы существования в другую. Примером преобразования одного вещества в другое является любая химиче-ская реакция.

Электромагнитное поле как вид материи качественно отличается от вещества, но оно может быть преобразовано в вещество и возникнуть за счет вещества. Так, фотон гамма-лучей, приблизившись к ядру атома вещества, под действием ядерных сил пере-

ходит в вещественные частицы – электрон и позитрон. Позитрон, соединяясь с ближай-шим электроном, образует два фотона электромагнитного поля – свет.

Электромагнитное поле проницаемо, т. е. в одном и том же объеме может быть не-сколько электромагнитных полей.

Электромагнитное поле обладает свойством прерывности и непрерывности. На первый взгляд кажется, что эти свойства исключают одно другое, но это не так. Некото-рые вещества также обладают этими, как будто противоположными, свойствами.

Свойство прерывности (корпускулярности) электромагнитного поля состоит в том, что оно проявляет себя как совокупность элементарных частиц – фотонов. Но ведь и ка-ждый газ проявляет себя как совокупность элементарных частиц – молекул.

Непрерывность электромагнитного поля обусловлена следующим. К примеру, то-чечный источник (излучатель) электромагнитного поля мощностью в 100 Вт, работаю-щий при частоте в 1 МГц, за 1 с излучает 4,8 · 1016фотонов через 1 см2шаровой поверх-ности радиусом в 5 км. Естественно, что при таких условиях весьма трудно заметить корпускулярность электромагнитного поля, поэтому оно воспринимается как нечто не-прерывное, сплошное. Но подобным же свойством обладают некоторые вещества, на-пример газы. В 1 см3при атмосферном давлении содержится примерно столько же мо-лекул, сколько проходит фотонов через 1 см2поверхности в вышеприведенном примере. Газ тоже проявляет себя в виде сплошного, непрерывного – каждую его молекулу труд-но заметить.

Электромагнитное поле является определенным видом материи и обладает массой и энергией. Согласно известному закону, между массой и энергией любого ма-териального тела существует зависимость, выражаемая формулой

A = mc 2,

где А – энергия материального тела; m – масса материального тела;

c = 3×108 – скорость света.

г

Так, генератор Братской электростанции, имеющий мощность 225 тыс. кВт, вы-деляет за 1 с A = 225×106 Дж энергии, а за год A = 225×106×3 600×24×365= 71×10 4Дж.

Масса электромагнитного поля, обладающего этой энергией, составит:

m =

= = = 78 г.

г

A ×103 71×1014×103 71×1017 С 2 (3×108)2 9×1016

1.1.2. Электрическое поле

Как указывалось выше, электрическое поле является одной из сторон электромаг-нитного поля. В ряде случаев проявляется только одна из сторон электромагнитного по-ля – электрическое поле. В таком случае говорят, что здесь есть электрическое поле. В разделе электростатики изучают электростатическое поле, т. е. поле, неподвижное для наблюдателя.

Характерной особенностью электростатического поля является то, что оно дейст-вует с определенной механической силой как на движущиеся, так и на неподвижные электрические заряды. Только электрическое поле может заставить двигаться электриче-ские заряды, находящиеся внутри твердого проводника.

Из курса физики известны различные способы электризации физических тел, т. е. способы, с помощью которых физическое тело приобретает избыток или недостаток числа электронов по сравнению с их числом в электрически нейтральных телах (трение одного тела о другое, помещение проводника в электролит, тепловое или световое воз-

действие, давление и пр.). Известно, что если есть электрический заряд, то в пространст-ве, окружающем этот заряд, имеется электрическое поле.

Это надо понимать так. В процессе электризации того или иного тела создается электрическое поле, связанное с этим телом. Центром поля является данное физическое тело (электрический заряд), а само поле занимает определенный объем около этого тела (заряда). Теоретически поле распространяется до бесконечности.

Электрическое поле в каждой точке характеризуется напряженностью E и потен-циалом j. Напряженность электрического поля – это силовая характеристика данной точки поля, а потенциал – ее энергетическая характеристика. Энергия электрического поля распределяется в пространстве, занимаемом электрическим полем.

Для отображения формы и других особенностей электрического поля введены электрические силовые линии. Это позволяет привлечь такое могучее оружие человека, как зрение, для понимания сложных абстрактных понятий об электрическом поле. В природе электрических силовых линий нет.

1.1.3. Магнитное поле

Магнитное поле является одной из сторон электромагнитного поля. Характерным признаком магнитного поля является то, что оно действует с определенной механиче-ской силой на движущиеся электрические заряды (на электрический ток). Направление силы действия магнитного поля на ток определяется правилом левой руки.

Магнитное поле в каждой точке характеризуется магнитной индукцией, которая является силовой характеристикой точки магнитного поля. Магнитная индукция измеря-ется в теслах (Тл) и численно равна механической силе, действующей на каждый метр прямолинейного проводника с силой тока 1 А, расположенного так, что эта сила макси-мальна. Магнитное поле обладает энергией, распределенной в пространстве, занимае-мом магнитным полем. Картину магнитного поля изображают при помощи магнитных силовых линий.

Дата добавления: 2014-10-15