Введение

Настоящее учебное пособие написано в соответствии с рабочими программами дисциплин «Основы электротехники», «Электротехника и электроника» и соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта среднего профессионального образования.

Написано множество учебников и учебных пособий известными в нашей стране авторами. Особый вклад в развитие курсов по электротехнике внесен преподавателями и учеными петербургской и московской научных школ. Однако большинство существующих учебников и учебных пособий рассчитаны на использование студентами электротехнических и радиотехнических специальностей, будущими инженерами по проектированию и эксплуатации электротехнических устройств и радиоэлектронной аппаратуры. Основная же задача специалистов по программному обеспечению — построение математических моделей сложных электротехнических (радиотехнических) объектов и создание информационного и программного обеспечения для их проектирования. Поэтому в учебном пособии особое внимание уделено вопросам математического описания элементов электрических цепей и процессов, протекающих в них (математическим моделям), а также вопросам применения ЭВМ для анализа электрических цепей.

В конце каждого раздела учебного пособия помещены контрольные вопросы и тесты для самоконтроля.

Основные понятия и законы теории электромагнитного поля и теории электрических и магнитных цепей

Электромагнитное поле как особый вид материи

В технических устройствах, связанных с передачей и преобразованием энергии или различных сигналов, носителей информации, широко применяется понятие электромагнитного поля.

Электромагнитное поле (ЭМП) представляет собой «... все пространство или его часть, в каждой точке которого существуют взаимосвязанные электрические и магнитные поля, которые описываются фундаментальной системой уравнений Максвелла» [1].

В наиболее общем случае под электромагнитным полем понимают особый вид материи, характеризующийся силовым воздействием на пробный электрический заряд q, двигающийся со скоростью и

F = qE + g[v х 5],

(1-1)

где Ё - вектор напряженности электрического поля;

В - вектор магнитной индукции;

v - вектор скорости;

[у х 5] - векторное произведение векторов у и В ([у х5] = |у| • |2?|sina, где a - угол между векторами у и В ).

Во всех точках пространства ЭМП определяется двумя взаимноперпендикулярными векторами - вектором напряженности электрического поля (?) и вектором напряженности магнитного поля (Я), поэтому процессы, связанные с ЭМП, требуют его описания во времени и в пространстве.

Частным случаем ЭМП, параметры которого изменяются в пространстве и во времени по периодическому закону, является электромагнитная волна (ЭМВ). При гармоническом законе изменения электрического и магнитного полей ЭМВ характеризуется фронтом, длиной волны X (рисунок 1.1), фазовой скоростью v^, групповой скоростью угр распространения в свободном пространстве, неоднородной среде и в волноводах.

Временное распределение напряженностей полей

Рисунок 1.1- Временное распределение напряженностей полей

Как известно из курса физики, в состав атомов и молекул различных веществ входят элементарные заряженные частицы с положительным элементарным электрическим зарядом (протон, позитрон) и отрицательным элементарным электрическим зарядом (электрон). Эти частицы находятся в непрерывном движении и окружены электромагнитным полем, которое в зависимости от характера движения частиц может проявляться в виде электрического или магнитного поля.

Как следует из определения, ЭМП элементарных заряженных частиц проявляется в силовом воздействии на другие заряженные частицы, причем это воздействие носит векторный характер.

Численные значения элементарных электрических зарядов электрона и протона равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. Условно отрицательный знак приписывается заряду электрона, а положительный -заряду протона. При этом заряд электрона составляет qe = 1,6-10 19 Кл.

Любая заряженная частица, содержащая один или несколько элементарных электрических зарядов, является носителем заряда. В частности, носителями заряда являются электрон (в проводниках, газах, полупроводниках), ион (в электролитах, газах), «дырка» (в полупроводниках). Электрический заряд элементарной частицы, как и сама частица, занимает только некоторую ограниченную область пространства. В пространстве, окружающем эту область, существует связанное с обладающей зарядом частицей электромагнитное поле. Если же в некотором объеме пространства расположены несколько элементарных частиц, то связанные с ними ЭМП находятся в постоянном взаимодействии.

Вокруг элементарной частицы вещества, обладающей зарядом, всегда существует ЭМП, т. е. такую частицу нельзя мыслить без ее ЭМП. В отличие от этого ЭМП может существовать в свободном состоянии, отделенное от частицы (например, фотон, ЭМП, излученное антенной в пространство). Таким образом, ЭМП может существовать в свободном пространстве, в том числе в пустоте. ЭМП в свободном состоянии, не связанное с частицами вещества, распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны (ЭМВ). Длина волны А, в пространстве соответствует одному периоду колебания электрического (магнитного) поля (рисунок 1.1) и связана с циклической частотой f электромагнитной волны соотношением

л=4, (1.2)

где с - скорость распространения ЭМП.

В пустоте при отсутствии сильных гравитационных полей ЭМП распространяется со скоростью, примерно равной с = 3-Ю8 м/с. В любом веществе (в том числе в воздухе) скорость распространения ЭМП всегда меньше величины с.

В общем случае ЭМП как векторное поле характеризуется векторами:

- Е - напряженности электрического поля, В/м;

  • - Ь - электрической индукции, Кл/м2;
  • - Н - напряженности магнитного поля, А/м;
  • - В - магнитной индукции, Тл;
  • - Jnp - плотности тока проводимости, А/м2.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >