Электромагнитное поле в автомобиле

Электромагнитное поле

 

В электротехнике рассматриваются электромагнитные поля и их действие. Эти поля вы­зываются электрическими зарядами (в каждом случае состоящими из множества элементар­ных электрических зарядов). В физике, при рассмотрении совокупности электрического и магнитного полей, не установлено, что яв­ляется причиной, а что следствием. Статиче­ские заряды создают электрическое поле, в то время как движущиеся заряды — магнитное. Взаимосвязь электрического и магнитного по­лей со статическими и движущимися зарядами описывается уравнениями Максвелла. Вот о том, что представляет собой электромагнитное поле, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Присутствие поля обнаруживается благо­даря его силовому воздействию на другие электрические заряды. Сила, воздействую­щая на точечный электрический заряд Q в электрическом поле, называется силой Кулона. Она вызывает отталкивание между одноименными зарядами и притяжение между разноименными. Сила, возникающая в вакууме между двумя точечными электрическими за­рядами Q1 и Q2 при расстоянии а между ними, равна:

F = Q1·Q2/4π·ε0·a2

где:

εо=8,854-10-12 Ф/м — эта электрическая по­стоянная, также называемая диэлектрической проницаемостью вакуума.

 

 

Сила, воздействующая на заряд, движу­щийся в магнитном поле, называется силой Лоренца. Она же является причиной взаимо­действия двух параллельных проводников, по которым протекают токи I1 и I2. Сила притя­жения в вакууме между двумя параллельными проводниками длиной l, расположенными друг от друга на расстоянии а, равна:

F = μ0·I1·I2 ·l/2π·a

где: μо=1,257 10-6 Гн/м — это магнитная постоян­ная, также называемая магнитной проницае­мостью вакуума.

 

 

Электрическое поле

 

Сила, действующая на статический электри­ческий заряд, указывает на наличие элек­трического поля. Электростатическое поле описывается нижеследующими величинами.

Электрический потенциал φ(Р) и напряжение U

 

Электрический потенциал φ(Р) в точке Р- мера работы, требуемой для переноса заряда Q из исходной точки в точку Р:

φ(Р) = W(Р)/Q

Напряжение U- это разность потенциалов (от­носительно некоторой исходной точки) между двумя точками P1 и Р2:

U=φ(P1)-φ(P2)

Напряженность электрического поля Е

 

Напряженность электрического поля Е в точке Р зависит от ее положения в зоне дей­ствия заряда. Она описывается максимумом градиента потенциала в точке Р. Напряжен­ность электрического поля в точке, располо­женной на расстоянии а от положительного точечного заряда Q1 равна:

E = Q/4π·ε0·a2

Вектор напряженности электрического поля направлен от положительного точечного за­ряда Q1 На положительный заряд Q2 в точке Р в том же направлении, что и вектор напряжен­ности электрического поля, действует сила:

F = Q2 ·E

 

 

Электрическое поле и вещество

 

Электрическое поле в поляризованном (диэ­лектрическом) материале создает электриче­ский диполь (состоящий из положительного и отрицательного зарядов ±Q, расположенных на расстоянии а произведение a называется дипольным моментом). Дипольный момент в единицу объема называется электрической поляризованностью М. Электрическое смещение D, означающее плотность электрического по­тока смещения, определяется по формуле:

D = εE = ε0εrE = ε0E + M

где:

ε = ε0·εr — диэлектрическая постоянная:

ε0— электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума):

εr — диэлектрическая постоянная (относительная диэлектрическая проницаемость).

Для воздуха εr =1; другие вели­чины см. в разделе «Изоляционные материалы».

Параметр

we = 1/2 ED

называется плотностью энергии электриче­ского поля. При ее умножении на объем полу­чаем электрическую энергию электрического поля We.

 

 

Конденсатор

 

Устройство плоского конденсатораКонденсатором называется устройство, состоящее из двух металлических тел (электродов), разде­ленных между собой диэлектриком (рис. «Устройство плоского конденсатора» ). При прикла­дывании к конденсатору напряжения, электроды заряжаются одинаково сильно, но разноименно. Полученный в результате заряд Q равен:

Q = CU

где С-емкость конденсатора. Она зависит от геометрической формы электродов, расстояния между ними и диэлектрической проницае­мости диэлектрика.

 

Емкость C для проводников разного расположения

 

В таблице «Емкость C для проводников разного расположения» приведены емкости для разных типов конденсаторов и проводников с разным расположением. "Соединение конденсаторов" Емкость конденсаторов при последовательном и параллельном соединении определяется по формулам:

1/Ctotal 1/C1 + 1/C2 (последовательное соединение, рис. а, «Соединение конденсаторов» ),

Ctotal = С1 + С2 (параллельное соединение, рис. Ь, «Соединение конденсаторов» ).

На рис. 2 показан плоский конденсатор, со­стоящий из двух вставленных друг в друга конденсаторов, пластины которых соединены параллельно и действуют как электроды.

Энергия заряженного конденсатора (с за­рядом Q, напряжением U, емкостью С) равна:

W=1/2QU=Q2/2C=1/2CU2

 

 

Постоянный электрический ток и напряжение постоянного тока

 

Движущиеся заряды создают электрический ток, который характеризуется силой тока I, измеряемой в амперах. Для постоянного тока его направление и сила не зависят от времени. Электрическая система автомобиля, питается, с другой стороны, напряжением постоянного тока, которое также не зависит от времени. При этом электрический ток, протекающий в цепях системы электрооборудования автомобиля, обычно зависит от времени. Во многих случаях зависимый от времени электрический ток, как, на­пример постоянный ток, может быть управляем.

Направление электрического тока и его измерение

 

Направление электрического тока от поло­жительного полюса источника тока к отрица­тельному обозначается как положительное (в действительности Измерение электрического тока и напряженияэлектроны перемещаются от отрицательного полюса к положительному).

Измерение электрического тока производится амперметром (А), включенным в электрическую цепь последовательно; напряжение измеряется вольтметром (V), подключаемым параллельно тем точкам электрической цепи, напряжение между которыми надо измерить (рис. «Измерение электрического тока и напряжения» ).

Принятое направление электрического тока и напряжения показывается стрелкой. В соответствии с этой ориентацией, напря­жению и электрическому току присваивается знак. В случае положительного напряжения и электрического тока, стрелка указывает направление от положительного полюса (+) к отрицательному (-).

Закон Ома

 

Закон Ома описывает зависимость между напряжением U и силой тока / в твердых и жидких электрических проводниках:

U=RI

Коэффициент пропорциональности R назы­вается омическим сопротивлением, которое измеряется в Омах (Ом). Величина, обратная сопротивлению, называется электрической про­водимостью G, измеряемой в Сименсах (См):

G=1/R

Омическое сопротивление

 

Омическое сопротивление материала зависит от его вида и размеров.

Для твердого провода:

R = ρl/q = l/qσ

где:

ρ — удельное сопротивление, Ом·мм2/м;

σ =1/ρ — электропроводность, м/(Ом·мм2);

l-длина провода, м;

q-площадь поперечного сечения провода, мм2.

Для трубы (изнутри наружу):

R = ln(r2/r1)· 1/2π·l·σ

где:

l — длина трубы, м;

r2, r1— наружный и внутренний радиусы трубы, м.

Сопротивление металлов с повышением тем­пературы увеличивается:

RT=R20[1+(T-20 °С)]

где:

RT — сопротивление при температуре Т;

R20 сопротивление при температуре 20 °С;

а-температурный коэффициент, [1/К] (=[1/°С]);

T-температура, [°С].

 

 

Работа и мощность

 

В резисторе, через который проходит элек­трический ток, совершается работа, которая за время t преобразуется в теплоту или другой вид энергии (с омическим сопротивлением R, напряжением U и силой тока I):

W = UIt=RI2t

При этом мощность равна:

Р= UI=RI2.

Законы Кирхгофа

 

Первый закон Кирхгофа: закон электрического тока

Для каждой точки (узла) разветвления сумма втекающих электрических токов равна сумме вытекающих из этой точки электрических токов.

Второй закон Кирхгофа: закон напряжения

Для любого замкнутого контура разветвлён­ной цепи сумма всех падений напряжений на участках цепи равна сумме электродвижущих сил источников в этом контуре.

Электрические цепи постоянного тока

 

Цепь с потребителем

 

Цепь с потреблением

U=(Ra + Rl)I  

где:

Ra омическое сопротивление потребителя;

Rl сопротивление линии.

 

 

 

Цепь заряда аккумуляторной батареи

 

U-U0 = (Rv + Rl)I 

Цепь заряда аккумуляторной батареигде:

U — напряжение сети;

U0 — напряжение на батарее при разомкнутой цепи (электродвижущая сила);

Rv — добавочное сопротивление;

Rl — внутреннее сопротивление батареи.

Условие заряда: U>U0

 

Последовательное соединение резисторов

 

Последовательное соединение резисторов

Rtotal = R1 +R2

U = U1 +U2

 

В обоих резисторах — одинаковая сила тока I (первый закон Кирхгофа).

 

1/Rtotal = 1/R1 +1/R или Gtotal = G1 +G2

 

Параллельное соединение резисторов

 

Параллельное соединение резисторов

I = I1+I2 ; I1/I2 = R1/R2  

 

Напряжение U на всех резисторах одинаково (второй закон Кирхгофа).

 

Измерение сопротивления

 

Сопротивление можно установить измерением электрического тока или напряжения, а также не­посредственным измерением с использованием омметра или измерительного моста. Четырехпроводное измерение напряженияИзмеритель­ные мосты используются, например, в датчиках давления — при подключении тензодатчиков.

Широко используется четырехпроводный метод измерения сопротивления, особо малых значений (рис. «Четырехпроводное измерение напряжения» ). Для того чтобы пре­дотвратить погрешность из-за влияния пере­ходного сопротивления в точках подключения, используются две пары проводов. По одной паре на измеряемое сопротивление подается небольшой электрический ток. С помощью другой пары с измеряемого сопротивления на вольтметр подается падение напряжения. При подсоединении проводов к выводам из­меряемого двухполюсника токовые провода не касаются проводов напряжения, так что переходные сопротивления в местах контактов не включаются в измерительную цепь.

 

 

Переменный электрический ток

 

Зависимости, используемые при описании постоянного электрического тока и постоян­ного напряжения, также применимы в более или менее измененной форме и к переменным электрическому току и напряжению. В частно­сти, закон Ома и законы Кирхгофа могут при­меняться без изменений.

Заряд и разряд конденсатора

 

Когда электрический ток проходит через кондинсатор, его заряд Q изменяется:

I = dQ/dt

Таким образом, существует связь между си­лой тока I и напряжением U на конденсаторе емкостью С:

I = d(CU)/dt

В этом случае сила тока I подводится к пласти­нам конденсатора, имеющим заряд Q, между которыми существует напряжение U.

Векторная диаграмма конденсаторПримеры (емкость С постоянна с течением времени):

  • напряжение постоянного тока U: —> сила тока I=0;
  • напряжение начала разряда U постоян­ная сила тока I: —> напряжение U=U0+It;
  • напряжение гармоническое (сину­соидальное), описываемое формулой U·sint): —> электрический ток косинусоидальный, описываемый формулой:  I=ω·C·û·cost) = ω·C·û·sin(ωt + π/2) , где:

Процесс заряда конденсатораω=2π — угловая частота, зависящая от частоты f,

û — амплитуда напряжения.

Действующие значения и uff = û/√2 и ieff = î /√2 также используются вместо амплитуд.

При протекании через конденсатор пере­менного (гармонического) электрического тока векторы электрического тока и напря­жения сдвинуты на угол φ = π/2. Это свойство иллюстрирует векторная диаграмма (рис. «Векторная диаграмма конденсатор» ).

На рис. 10 показана электрическая цепь, в которой конденсатор заряжается через сопротивление, установленное со стороны источника напряжения постоянного тока U0 (рис. «Процесс заряда конденсатора» ), или разряжается через сопротивление. Решающим фактором заряда и разряда конденсатора является постоянная времени τ=RC.

 

Процесс заряда 

 

I=(U0/R)·el/τ ; U = U(1-el/τ )

Процесс разряда

 

I=(U0/R)·el/τ ; U=Uel/τ

где:

U0-напряжение заряда или напряжения начала разряда;

I-зарядная или разрядная сила тока;

I0= U0/R сила тока начала заряда;

R-зарядное или разрядное сопротивление;

U напряжение на конденсаторе.

Зарядный и разрядный электрические токи противоположно направлены.

В следующей статье я расскажу о магнитном поле в автомобиле.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *