Интеграл напряжения по длине

1.4. Электрическое напряжение. Разность электрических потенциалов

Если частица с зарядом q переносится в электрическом поле вдоль некоторого пути, то действующие на нее силы поля совершают работу. Отношение этой работы к переносимому заряду представляет физическую величину, называемую электрическим напряжением. При перемещении частицы по пути dl (рис. 1.1) силы поля совершают работу

Через обозначен вектор, равный по величине элементу пути dl и направленный по касательной к пути в сторону перемещения заряженной частицы. Угол a есть угол между векторами и .

Работа, совершаемая силами поля при перемещении частицы вдоль всего пути от точки А до точки В (рис. 1.1), равна

Она пропорциональна линейному интегралу напряженности поля вдоль заданного пути. Этот линейный интеграл равен электрическому напряжению вдоль заданного пути от А до В. Принято обозначать напряжение буквой u.

Таким образом, электрическое напряжение представляет собой физическую величину, характеризующую электрическое поле вдоль рассматриваемого пути и равную линейному интегралу напряженности электрического поля вдоль этого пути.

Единицей напряжения является вольт (В).

Из сказанного вытекает, что значение напряженности электрического поля равно падению напряжения, отнесенного к единице длины линии напряженности поля.

Рассмотрим теперь величины, именуемые электрическим потенциалом и разностью электрических потенциалов.

В электростатическом поле линейный интеграл напряженности поля по любому замкнутому контуру равен нулю:

или в дифференциальной форме

,

где l – контур интегрирования. Величина, стоящая в левой части последнего уравнения называется вихрем или ротором.

Это важное свойство электростатического поля вытекает из принципа сохранения энергии.

Условие (1.3) или (1.4) говорит о том, что в электростатическом поле линейный интеграл от вектора напряженности поля, взятый от любой точки А до любой точки В, не зависит от выбора пути интегрирования и полностью определяется в заданном поле положением точек А и В. Это обстоятельство позволяет ввести понятие о потенциале электростатического поля. Потенциал электростатического поля в точке А определяется как линейный интеграл вектора , взятый от точки А до некоторой точки Р

.

Потенциал в точке Р равен нулю.

Линейный интеграл вектора напряженности поля вдоль некоторого пути от точки А до точки В есть разность потенциалов в точках А и В:

.

Источник

напряжение электрическое

НАПРЯЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ — работа по перемещению единичного электрич. заряда, определяемая интегралом напряжённости эфф. электрич. поля E э (включающего сторонние поля) вдоль заданного контура g, соединяющего две точки (1, 2) токовой цепи или иной эл—динамич. системы:

Измеряется H. э. в СИ в вольтах (1 B = 1 Дж/А . с), в СГСЭ — в г 1/2 см 1/2 с -1 (1СГСЭ = 300 В).

Понятие о H. э. ввёл Г. Ом (G. Ohm), предложивший в 1827 гидродинамич. модель электрич. тока для объяснения открытого им эмпирич. закона (см. Ома закон ).Аналог перепада давлений между двумя точками цепи Ом назвал напряжением. В своих опытах Ом имел дело только с пассивными участками цепи, не включающими эдс, поэтому H. э. совпадало с разностью потенциалов между двумя точками цепи и измерялось по показаниям электроскопа, подключённого к этим точкам. В дальнейшем понятие Н.э. было обобщено на электрич. цепи и системы, включающие активные элементы (электролитич. ванны, электромоторы, аккумуляторы, генераторы, контакты разнородных металлов и полупроводников, проводники с неоднородным распределением темп-ры и т. д.). Термин «Н. э.» применяется при описании процессов в цепях не только постоянного, но и переменного тока, в линиях передач и антеннах.

В потенц. эл—статич. полях (E = —f) H. э. между точками 1, 2 не зависит от пути интегрирования в (1) и совпадает с разностью потенциалов: u 12 = j 1 — f 2 . В общем случае необходимо указывать контур g в (1).

Вклад в H. э. непотепциальных полей (вихревых и сторонних) принято относить к электродвижущей силе [g]:

На практике, однако, вместо точного указания контура интегрирования g обычно пользуются поясняющими словами. Так, говорят о приложенном к элементу цепи (двухполюснику) H. э., о H. э. на зажимах (клеммах, подводящих проводах) того или иного устройства, о H. э. на входе (плече) многополюсника, понимая под этим H. э. вдоль кривой, огибающей устройство, т. е. чаще всего разность потенциалов между его полюсами. Если контур g выбран внутри проводников цепи, то говорят о падении H. э. на участке цепи или двухполюснике.

В ряде случаев, когда эл—динамич. устройство (напр., электромотор) включает в себя подвижные проводники или когда сторонние силы являются результатом усреднённого воздействия пульсирующих микрополей на быстро осциллирующие носители заряда, падение H. э. U определяется как отношение работы, совершаемой в единицу времени над электрич. током I, к величине тока:

где е — напряжённость микроскопич. электрич. поля, i — плотность микротоков, интегрирование производится по объёму проводника V, <> — знак усреднения по быстрым движениям; = E, = j, но в общем случае . j> Ej, так, в движущихся со скоростью v проводниках . i> = E э . j = E· j + j . [uB]/с (В — индукция магн. поля). Определённое т. о. падение напряжения удовлетворяет закону Ома: U = RI, где R — сопротивление участка цепи.

В случае гармонич. процессов пользуются след. характеристиками: мгновенным значением H. э., u(t), определяемым соотношением (1); комплексной амплитудой H. э., [u(t)=Re(exp(iwt)>] и эфф. значением H. э., u 2 э = (t) = || 2 /2 (черта сверху означает усреднение по периоду колебаний T = 2p/w, w — циклич. частота). Для комплексных амплитуд H. э. и тока закон Ома обобщается в виде

где Z(w) — импеданс двухполюсника. Хотя по форме (2) совпадает с законом Ома, — и при этом не является комплексной амплитудой падения напряжения, а совпадает с комплексной амплитудой H. э. на подводящих проводах. В линиях передач под H. э. понимают интеграл (1) вдоль контура, соединяющего провода линии и лежащего в нормальном к линии сечении.

Измеряется H. э. с помощью вольтметра — гальванометра с большим дополнит. сопротивлением R B ; в идеале R B (электроскоп). Вольтметр измеряет падение H. э. на самом себе — U B (или при R B — разность потенциалов на своих клеммах). Чаще всего U В близко к разности потенциалов между точками подключения вольтметра к цепи, но не всегда. На рис., а изображён трансформатор, по первичной обмотке к-рого течёт линейно растущий во времени ток i. Вторичной обмоткой является виток с длиной l, сопротивлением R, по к-рому течёт пост. ток I. Вольтметр, подключённый к точкам 1, 2 витка (рис., б), покажет падение H. э. U 12 = RIl 12 /l, к-рое не равно ни эдс индукции 12 = RIq/2p, ни разности потенциалов j 1 -f 2 = = RI(l 12 /l— q/2p). В сомнительных случаях для сопоставления показаний вольтметра параметрам диаг-носцируемой цепи обращаются к Кирхгофа правилам.

Лит.: Tамм И. E., Основы теории электричества, 10 изд., M., 1989. M. А. Миллер, Г. В. Пермитин.

Источник

Интеграл напряжения по длине

Зная реакцию цепи на единичное возмущающее воздействие, т.е. функцию переходной проводимости или (и) переходную функцию по напряжению , можно найти реакцию цепи на воздействие произвольной формы. В основе метода – метода расчета с помощью интеграла Дюамеля – лежит принцип наложения.

При использовании интеграла Дюамеля для разделения переменной, по которой производится интегрирование, и переменной, определяющей момент времени, в который определяется ток в цепи, первую принято обозначать как , а вторую — как t.

Пусть в момент времени к цепи с нулевыми начальными условиями (пассивному двухполюснику ПД на рис. 1) подключается источник с напряжением произвольной формы. Для нахождения тока в цепи заменим исходную кривую ступенчатой (см. рис. 2), после чего с учетом, что цепь линейна, просуммируем токи от начального скачка напряжения и всех ступенек напряжения до момента t, вступающих в действие с запаздыванием по времени.

В момент времени t составляющая общего тока, определяемая начальным скачком напряжения , равна .

В момент времени имеет место скачок напряжения , который с учетом временного интервала от начала скачка до интересующего момента времени t обусловит составляющую тока .

Полный ток в момент времени t равен, очевидно, сумме всех составляющих тока от отдельных скачков напряжения с учетом , т.е.

.

Заменяя конечный интервал приращения времени на бесконечно малый, т.е. переходя от суммы к интегралу, запишем

.

(1)

Соотношение (1) называется интегралом Дюамеля.

Следует отметить, что с использованием интеграла Дюамеля можно определять также напряжение. При этом в (1) вместо переходной проводимости будет входить переходная функция по напряжению.

Последовательность расчета с использованием
интеграла Дюамеля

1. Определение функции (или ) для исследуемой цепи.
2. Запись выражения (или ) путем формальной замены t на .
3. Определение производной .
4. Подстановка найденных функций в (1) и интегрирование определенного интеграла.

В качестве примера использования интеграла Дюамеля определим ток в цепи рис. 3, рассчитанный в предыдущей лекции с использованием формулы включения.

Исходные данные для расчета: , , .

.

.

.

Полученный результат аналогичен выражению тока, определенному в предыдущей лекции на основе формулы включения.

Метод переменных состояния

Уравнения элекромагнитного состояния – это система уравнений, определяющих режим работы (состояние) электрической цепи.

Метод переменных состояния основывается на упорядоченном составлении и решении системы дифференциальных уравнений первого порядка, которые разрешены относительно производных, т.е. записаны в виде, наиболее удобном для применения численных методов интегрирования, реализуемых средствами вычислительной техники.

Количество переменных состояния, а следовательно, число уравнений состояния равно числу независимых накопителей энергии.

К уравнениям состояния выдвигаются два основных требования:

-возможность восстановления на основе переменных состояния (переменных, относительно которых записаны уравнения состояния) любых других переменных.

Первое требование удовлетворяется специальной методикой составления уравнений состояния, которая будет рассмотрена далее.

Для выполнения второго требования в качестве переменных состояния следует принять потокосцепления (токи в ветвях с индуктивными элементами) и заряды (напряжения) на конденсаторах. Действительно, зная закон изменения этих переменных во времени их всегда можно заменить источниками ЭДС и тока с известными параметрами. Остальная цепь оказывается резистивной, а следовательно, всегда рассчитывается при известных параметрах источников. Кроме того, начальные значения этих переменных относятся к независимым, т.е. в общем случае рассчитываются проще других.

При расчете методом переменных состояния, кроме самих уравнений состояния, связывающих первые производные и с самими переменными и и источниками внешних воздействий – ЭДС и тока, необходимо составить систему алгебраических уравнений, связывающих искомые величины с переменными состояния и источниками внешних воздействий.

Таким образом, полная система уравнений в матричной форме записи имеет вид

;

(2)

.

(3)

Здесь и — столбцовые матрицы соответственно переменных состояния и их первых производных по времени; — матрица-столбец источников внешних воздействий; — столбцовая матрица выходных (искомых) величин; — квадратная размерностью (где n – число переменных состояния) матрица параметров, называемая матрицей Якоби; — прямоугольная матрица связи между источниками и переменными состояния (количество строк равно n, а столбцов – числу источников m); — прямоугольная матрица связи переменных состояния с искомыми величинами (количество строк равно числу искомых величин к, а столбцов – n); — прямоугольная размерностью матрица связи входа с выходом.

Начальные условия для уравнения (2) задаются вектором начальных значений (0).

В качестве примера составления уравнений состояния рассмотрим цепь на рис. 4,а, в которой требуется определить токи и .

По законам Кирхгофа для данной цепи запишем

;

(4)

;

(5)

.

(6)

Поскольку с учетом соотношения (6) перепишем уравнения (4) и (5) в виде

или в матричной форме записи

Матричное уравнение вида (3) вытекает из соотношений (4) и (6):

Вектор начальных значений (0)= .

Непосредственное использование законов Кирхгофа при составлении уравнений состояния для сложных цепей может оказаться затруднительным. В этой связи используют специальную методику упорядоченного составления уравнений состояния.

Методика составления уравнений состояния

Эта методика включает в себя следующие основные этапы:

1. Составляется ориентированный граф схемы (см. рис. 4,б), на котором выделяется дерево, охватывающее все конденсаторы и источники напряжения (ЭДС). Резисторы включаются в дерево по необходимости: для охвата деревом всех узлов. В ветви связи включаются катушки индуктивности, источники тока и оставшиеся резисторы.

2. Осуществляется нумерация ветвей графа (и элементов в схеме), проводимая в следующей последовательности: первыми нумеруются участки графа (схемы) с конденсаторами, затем резисторами, включенными в дерево, следующими нумеруются ветви связи с резисторами и, наконец, ветви с индуктивными элементами (см. рис. 4,б).

3. Составляется таблица, описывающая соединение элементов в цепи. В первой строке таблицы (см. табл. 1) перечисляются емкостные и резистивные элементы дерева, а также источники напряжения (ЭДС). В первом столбце перечисляются резистивные и индуктивные элементы ветвей связи, а также источники тока.

Источник