Рассмотрим другую сторону взаимодействия сил на заряд.

Согласно третьему закону Ньютона, сил без противосил не бывает. Поэтому, как только мы определили, что на положительный единичный заряд действует сила взаимодействия с электрическим полем, так сразу же следует рассмотреть и противосилу. Это будет сила, не принадлежащая данному электрическому полю. Это сила, действующая на заряд со стороны среды. В электричестве они называются сторонние силы Fc.
Сторонние силы могут иметь самую разную природу: механическую, электрическую, химическую, электромагнитную и так далее и тому подобную.

Соответственно, можно рассмотреть и работу этих сил.

 

2.12. Электродвижущая сила (ЭДС)

Электродвижущая сила (ЭДС) — это работа сторонних сил при перемещении положительного единичного электрического заряда из точки (от клеммы) “а” в точку (к клемме) “b”. ЭДС обычно обозначают Е. Часто ЭДС с обратным знаком удобно называть противоэдс. Таким образом, ЭДС — это совсем не сила, двигающая электричество, как часто ссылаются на слова этого названия, появившегося в самом начале представления об электрических явлениях, когда люди имели дело, как правило, с простейшими потребителями типа нагревателей. Во-первых, это не сила, а работа сил. Во-вторых, сил, всегда направленных против сил, действующих на заряд, со стороны данного электрического поля.

По аналогии с напряжением можно определить Е в интегральной форме так:

.

 

2.13. Закон равновесия ЭДС

Если к цепи приложено напряжение, то в ней ВСЕГДА возникает равная и противоположно приложенная ЭДС, U=-E (удобно ЭДС с обратным знаком назвать противоэдс, но специального (своего) символа, к сожалению, понятие пртивоэдс не имеет).

Доказательство.

В силу закона Ньютона Fe=-Fc.

Проинтегрируем последнее равенство.

. (*)

По определению

, . (**)

Заменим в равенстве (*) первый и последний интегралы на равноценные символы из (**). Получим U = –E, что и требовалось доказать.

Этот закон играет такую же роль в электричестве, как и закон Ньютона в механике. По сути дела, это закон сохранения работы в электричестве. Работа электрического поля отдается в равном количестве среде, и, наоборот, среда может в равной степени отдавать работу электричеству, если заряд движется от “b” к “a” (против сил поля).

Так же, как в механике, можно сказать, что всякое движение, в том числе и ток как направленное движение зарядов, будет таким, чтобы закон равновесия ЭДС был выполнен непременно.

Итак, ток и механическое движение электрических машин всегда будет таким, чтобы закон равновесия ЭДС имел место. Направление движения электрических зарядов никакого отношения ни к напряжению, ни к ЭДС не имеет. Это надо знать, и к этому надо привыкнуть вообще, и в электромеханике особенно. Направление движения зарядов, то есть тока, определяется только равенством механических сил и противосил, механических моментов и противомоментов, напряжения и противоэдс. Ток является неким Х, уравнивающим силы и противосилы, моменты и противомоменты, напряжения и противоэдс в уравнениях, отражающих всеобщий НЬЮТОНОВСКИЙ закон единства противоположностей.

Ток зависит не столько от напряжения, сколько от среды, характерной для цепи тока. Среди множества различных сред, создающих ЭДС, существует три типовых среды, которые и рассмотрим ниже.

 

2.14. Емкостная среда

Первая среда — емкостная среда. Это среда, в которой ЭДС создается за счет электрических зарядов (создание своего стороннего электрического поля). Например, на обкладках конденсатора накапливаются электрические заряды, которые создают свое собственное поле, стороннее по отношению к действующему электрическому полю.

 

Рис. 18. Образ емкостной среды

Коэффициент С носит название емкости. Емкость измеряется в фарадах. Одна фарада соответствует такому конденсатору, у которого при заряде в 1 кулон появляется ЭДС, численно равная одному вольту. Это большая величина емкости. Обычно в паспорте конденсатора указывается его емкость в микрофарадах, то есть в миллионных долях от фарады. Поэтому при расчетах надо переводить микрофарады в фарады, деля паспортные величины на 10⁶.

 

2.15. Индуктивная среда

Вторая cреда — индуктивная cреда. Это cреда, в которой возникает ЭДС за счет изменения магнитного потока, и она пропорциональна скорости этого изменения с обратным знаком. Это свойство открыл Максвелл. Поэтому в его честь закон носит его имя.

Закона Максвелла гласит: в любом контуре при изменении магнитного потока возникает ЭДС, это и есть ЭДС индуктивной среды.

 

 

Рис. 19. Наглядное представление возникновения ЭДС
и напряжения в электрическом контуре

 

Рассмотрим этот фундаментальный рисунок более подробно. Видим контур, выделенный жирной линией. Его пронизывает магнитный поток сверху вниз. Ориентируем контур относительно магнитного потока. Магнитный поток в данном случае — вектор, направленный сверху вниз. Принято направление ориентации считать так. Положительным направление контура считается таким, чтобы со стороны заостренного конца стрелки вектора обход контура был бы виден против часовой стрелки. Это направление показано около слова «контур». Тогда ЭДС будет направлена против направления контура, а напряжение — по обходу контура.

Итак, сделаем обобщения. В электрических машинах ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока со знаком минус. Это соотношение можно представить по-разному. Имеется некоторый магнитный поток, в котором движется проводник с некоторой скоростью. Или имеется некоторый проводник, относительно которого движется магнитный поток. Или имеется некоторый контур, в котором магнитный поток изменяется с некоторой скоростью. Наконец, в переменном токе имеется некоторый синусоидально изменяющийся поток, который изменяется с некоторой частотой. Поэтому остановимся на рис. 20 А, позволяющем наглядно видеть эти обобщения.

Рис. 20. ЭДС и напряжение в неизменном контуре

На рис. 20 видим слева некий идеализированный приемник, способный вырабатывать ЭДС, равную приложенному напряжению. Например, ротор идеализированной машины постоянного тока без момента на валу машины. Справа видим заторможенный стержень, находящийся в движущемся магнитном потоке. Приемник вместе с стержнем и шинами составляют контур. Сейчас все разгружено, поэтому никакого тока нет (поэтому мы не называем его контуром тока), но ЭДС в стержне есть, поскольку он движется в магнитном поле вправо. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки. Руку надо поставить так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь. Большой палец должен показывать направление движение проводника, в данном случае стержня, относительно магнитного поля. Стержень закреплен, а поле движется. Поэтому движение стержня относительно поля видим вправо. Туда же направлен и большой палец. Остальные пальцы ладони покажут направление ЭДС.

ЭДС без напряжения не бывает согласно с законом равновесия ЭДС. Поэтому тут же изображен вектор напряжения, но он уже ориентирован относительно шин, то есть относительно внешней части контура. Хотя это же напряжение действует и на сам стержень против ЭДС, что показано пунктиром. Необходимо на этом примере освоить практически диалектику природы электричества, выражающейся в данном случае в единстве противоположностей ЭДС и напряжения. Заметим, что через время dt контур наполнится еще одной силовой линией. Поэтому ту же картину можно трактовать и так: ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока внутри контура. Эти две трактовки (Фарадея и Максвелла), как видим, абсолютно идентичны. Более того, они справедливы и в том случае, если убрать все эти стержни, шины и другие физические элементы контуров. Трактовка та же даже в абсолютном вакууме или вдали от Земли в космическом пространстве. Иначе мы бы не могли связываться со спутниками и получать сигналы от других Миров. Однако это представление относится к другой области электромагнитных явлений — радиотехнике, которая освоена человечеством в XIX–XX векf[ и продолжает освоение сейчас (хотя бы на примере мобильной телефонной связи). Эта область знаний не предполагает изучение появления механических сил в производстве некоторой механической работы (скалярное произведение силы на перемещение). Она относится к обеспечению информатики.

Продолжим рассмотрение рис. 20. Что же происходит в это время с приемником (слева)& К нему приложено напряжение шин. Значит, в нем непременно должна образоваться равная и противоположная ЭДС. Если это ротор идеальной машины постоянного тока, то он начнет вращаться, чтобы выработать указанную ЭДС или, как удобно называть противоэдс равную напряжению. Поскольку было условлено, что машина идеальна и не нагружена тормозным моментом, то тока не будет. И во всех наших рассуждениях ток вообще не присутствовал. Что же будет, если потребитель (в нашем случае машина) не может выработать противоэдс, (ротор заторможен), но такую противоэдс выработает сам контур? В контуре появится ток, который вызовет полную компенсацию внешнего магнитного потока с тем, чтобы изменения магнитного потока внутри контура не было. Говорят в этом случае, что магнитный поток будет вытеснен из контура в окружающее пространство. Поскольку ток «выполнит свою задачу» в воздухе или в пустоте, то, возможно, он будет достаточно большой, так называемый ток короткого замыкания.

Из всех этих рассуждений сделаем следующие выводы:

1. Чтобы понять процесс в электрической цепи, надо понять «механизм» образования равновесия напряжения и ЭДС.

2. Ток является тем фактором, который наряду с другими физическими явлениями обеспечивает непременное равенство напряжения и противоэдс. «Ищите равенство напряжения и противоэдс, а ток или движение его обеспечит».

Продолжим наши рассуждения, вытекающие из третьего закона Ньютона, с помощью рис. 21.

 

 

Предположим, что «потребитель» превратился в источник ЭДС (слово «источник» было определено в разделе «Механика»), а стержень освободили от опоры. Но ЭДС без напряжения не бывает. Поэтому на шинах в силу закона равновесия ЭДС образуется напряжение, которое будет приложено к стержню, находящемуся на шинах. Стержень «должен» ответить противоэдс (-E). Но это может иметь место, если он начнет двигаться и через некоторое время dt займет место 2, а затем и 3.

При этом магнитный поток в контуре будет изменяться в сторону увеличения. Скорость движения будет определяться напряжением так, чтобы напряжение стало бы равным противоэдс. То есть U=-E=-(-dФ/dt)= = dФ/dt=BL*dx/dt=BLV. Причем движение идеального стержня будет происходить без всякого тока до тех пор, пока, как показано на рисунке, он не войдет в вязкую среду (положение 3). В этой среде скорость не изменится. Закон равновесия ЭДС и закон единства противоположностей для сил не может быть нарушен. Сразу же появится ток, который во взаимодействии с магнитным потоком скомпенсирует силу вязкой среды.

Цель этих рассуждений — дать основу для обобщения анализа работы судовых электрических механизмов, состоящую в том, что напряжение бязательно равно противоэдс, которая, в свою очередь, связана со скоростью изменения магнитного потока. Кроме того, обязательно необходимо выполнить равновесие механических сил и противосил.