2.2. Закон Кулона и его проявления в электроэнергетических системах
Закон Кулона устанавливает фундаментальные принципы взаимодействия зарядов. Каждый из зарядов создаёт электрическое поле, оказывающее силовое воздействие на другой заряд, внесённый в это поле. Формулировка закона:
Сила взаимодействия между двумя точечными зарядами
пропорциональна значениям этих зарядов
и обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами зарядов.
В подсистеме МКСА системы СИ, при расположении зарядов в пустом бесконечном во всех измерениях пространстве, эта формулировка математически выглядит следующим образом:
.
Здесь: F- сила в ньютонах, q1 и q2 – заряды в кулонах, r – расстояние в метрах, ε0 – электрическая постоянная (см. 2.1.4).
В электроэнергетических установках и системах закон Кулона в явном виде заметно не проявляется и не применяется ввиду достаточно слабых сил F, называемых электростатическими. В быту мы часто сталкиваемся со слабыми электростатическими силами, наблюдая, например, прилипание к телу и другим предметам заряженной (наэлектризованной) одежды. Существуют вольтметры высокого напряжения, называемые «электростатическими», в которых перемещение индикатора по шкале напряжения производится за счёт «кулоновского» притяжения подвижной заряженной пластины прибора к неподвижной. В конденсаторах высокого переменного напряжения электростатические силы между заряженными обкладками, меняясь в соответствии с синусоидальным изменением напряжения (см. 2.6), создают динамические усилия, сокращающие срок службы изоляции. Можно предположить, что низкая грозовая облачность обусловлена притяжением отрицательного заряда облака к положительному заряду в земле.
2.3. Закон Ампера и его следствия. Проявления и использование закона Ампера в электроэнергетических системах
Закон Ампера устанавливает фундаментальные принципы взаимодействия движущихся зарядов или электрических токов. Каждый из токов, протекающих по прямолинейному проводнику, создаёт магнитное поле, оказывающее силовое воздействие на другой проводник с током, внесённый в это поле. Формулировка закона:
Сила взаимодействия между двумя токами, протекающими по бесконечно тонким прямолинейным проводникам, находящимся на определённом расстоянии друг от
друга, пропорциональна значениям этих токов, длине совместного следования
проводников, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между проводниками.
В подсистеме МКСА системы СИ, при расположении проводов в пустом бесконечном во всех измерениях пространстве, эта формулировка математически выглядит следующим образом:
.
Здесь ΔF сила в ньютонах, действующая между отрезками проводников длиной Δl метров; I1 и I2 – токи в амперах, протекающие по проводникам; r- расстояние между проводниками в метрах; μ0 – магнитная постоянная (см.2.1.5).
Так как один из проводников можно считать источником магнитного поля, то чаще используется другая формулировка закона Ампера:
Сила, действующая на проводник с током, помещённый в магнитное поле
с определённой индукцией, пропорциональна току, протекающему по проводнику, индукции внешнего поля и длине проводника.
Эта же формулировка выражается формулой:
F = IBL,
Где F – сила в ньютонах; I – ток в амперах, B – индукция внешнего поля в теслах (см. 2.4) ; L – длина проводника в метрах.
Для того чтобы определить направление силы, используется правило левой руки: если расположить ладонь таким образом, чтобы вектор магнитной индукции «входил в ладонь», а четыре пальца (кроме большого) были направлены по току, то направление отставленного в сторону большого пальца покажет направление вектора силы.
Закон Ампера действует во всех электрических машинах. Роторы электрических двигателей вращаются силами магнитного поля. Большие токи в трансформаторах вызывают амперовское взаимодействие между витками обмоток, что часто приводит к повреждению изоляции. Короткие замыкания в электрической сети, вызывающие большие токи, приводят к схлёстыванию проводов воздушных линий и могут вызвать поломку опорных изоляторов жёстких токопроводов на подстанциях.