Id: 289514

Физические основы электротехники. Изд. стереотип.

URSS. 2021. 512 с. ISBN 978-5-9519-2312-7.
  • Онлайн-книга

Аннотация

Вниманию читателей предлагается книга выдающегося ученого-электротехника, академика АН СССР В. Ф. Миткевича, содержащая фундаментальный курс по физическим основам электротехники. По мнению автора, обширная область электромеханики, интересы которой он имеет в виду, является по существу областью практических приложений физических свойств магнитного потока, который играет роль основного фактора во всех электромеханических устройствах. В приложении... (Подробнее)


Оглавление
ОглавлениеIII
Предисловие к третьему изданиюVII
Предисловие ко второму изданиюVII
Предисловие к первому изданиюXI
Глава I. Магнитный поток11
§ 1. Общая характеристика магнитного поля11
§ 2. Основные определения и соотношения16
§ 3. Магнитный поток27
§ 4. Принцип непрерывности магнитного потока. Опыты Фарадея29
§ 5. Анализ опытов Фарадея33
§ 6. Математическая формулировка принципа непрерывности потока34
§ 7. Формулировка закона электромагнитной индукции38
§ 8. Вопрос об условиях тождественности фарадеевской и максвеловской формулировок закона электромагнитной индукции41
§ 9. Случай изменяемого контура44
§ 10. Общий вывод по вопросу о законе электромагнитной индукции46
§ 11. О преобразованиях магнитного потока47
§ 12. Механизм перерезывания магнитных линий проводником55
§ 13. Преобразования магнитного потока в трансформаторе61
§ 14. Роль магнитных экранов62
§ 15. Проблема бесколлекторной машины постоянного тока69
§ 16. Закон магнитной цепи77
§ 17. Линейный интеграл магнитной силы. Закон магнитодвижущей силы78
§ 18. Вывод точной формулировки закона магнитной цепи84
§ 19. Приближенное выражение закона магнитной цепи85
§ 20. Энергия магнитного потока87
§ 21. Энергия магнитной линии (единичной трубки магнитной индукции)91
§ 22. Тяжение магнитных линий93
§ 23. Подъемная сила магнита96
§ 24. Отрывной пермеаметр97
§ 25. Природа электромагнитной силы99
§ 26. Боковой распор магнитных линий101
§ 27. Преломление магнитных линий103
§ 28. Принцип инерции магнитного потока108
§ 29. Формулировка принципа инерции магнитного потока. Флюксметр114
Г лава II. Магнитные свойства вещества119
§ 30. Роль вещества в магнитном процессе119
§ 31. Фиктивность "магнитных масс"120
§ 32. Общая характеристика магнитных материалов124
§ 33. Магнитный цикл126
§ 34. Гистерезисная петля как характеристика магнитного материала130
§ 35. Потери на гистерезис131
§ 36. Расчет потерь на гистерезис и формула Штейнметца135
§ 37. Гипотеза вращающихся элементарных магнитов137
§ 38. Магнитное насыщение145
§ 39. Влияние сотрясений на магнитные свойства147
§ 40. Влияние температурных условий на магнитные свойства вещества151
§ 41. Магнитная вязкость157
§ 42. Изменение размеров тел при намагничении158
§ 43. Гистерезис вращения160
§ 44. Некоторые магнитные свойства железа и его сплавов161
Глава III. Электрическое смещение166
§ 45. Общая характеристика электромагнитных процессов166
§ 46. Непрерывность электрического тока169
§ 47. Электрическое смещению. Основные положения Максвелла170
§ 43. Мера электрического смещения175
§ 49. Ток смещения175
§ 50. Теорема Максвелла177
§ 51. Природа электрического смещения179
§ 52. Пояснения к теореме Максвелла. Выводы из основной формулировки181
§ 53. Математическая формулировка принципа непрерывности тока182
§ 54. Механическая аналогия184
§ 55. Непрерывность тока в случае электрической конвекции187
§ 56. Сложные примеры непрерывности тока190
Глава IV. Электрическое поле196
§ 57. Связь электрического поля с электромагнитными процессами. Область электростатики196
§ 58. Закон Кулона и вытекающие из него определения и соотношения198
§ 59. Электродвижущая сила и разность потенциалов. Закон электродвижущей силы207
§ 60. Электрическая деформация среды212
§ 61. Линии смещения213
§ 62. Трубки смещения213
§ 63. Фарадеевские трубки216
§ 64. Фарадеевская трубка и количество электричества, с нею связанное217
§ 65. Вторая формулировка теоремы Максвелла218
§ 66. Электризация через влияние. Теорема Фарадея220
§ 67. Энергия электрического поля223
§ 68. Механические проявления электрического поля227
§ 69. Преломление фарадеевских трубок230
§ 70. Электроемкость и диэлектрическая постоянная231
§ 71. Свойства диэлектриков236
Глава V. Природа электрического тока244
§ 72. Общие соображения о природе тока244
§ 73. Движение электричества внутри проводников248
§ 74. Участие электрического поля в процессе электрического тока249
§ 75. Участие магнитного поля в процессе электрического тока257
Глава VI. Прохождение электрического тока через газы и пустоту265
§ 76. Общие соображения265
§ 77. Ионы266
§ 78. Ионизирующие агенты269
§ 79. Заряд и масса иона273
§ 80. Влияние давления газа на характер разряда281
§ 81. Различные стадии прохождения тока через газы при атмосферном давлении282
§ 82. Основные соотношения, характеризующие ток через газы286
§ 83. Тихий разряд. Корона294
§ 84. Разрывной разряд298
§ 85. Вольтова дуга302
§ 86. Дуговые выпрямители314
§ 87. Различные стадии разряда через газы при малых давлениях320
§ 88. Прохождение электрического тока через пустоту322
§ 89. Пустотные электронные приборы327
§ 90. Заключение332
Глава VII. Электродинамика333
§ 91. Основные положения Максвелла333
§ 92. Вторая форма уравнений Лагранжа340
§ 93. Выражение для кинетической энергии в обобщенных координатах347
§ 94. Выбор обобщенных координат для электродинамической системы349
§ 95. Энергии Тm, Тe и Тme352
§ 96. Общее исследование сил, действующих в электродинамической системе353
§ 97. Электрокинетическая энергия366
§ 98. Электродвижущая сила самоиндукции368
§ 99. Коэффициент самоиндукции371
§ 100. Электродвижущая сила взаимной индукции381
§ 101. Коэффициент взаимной индукции384
§ 102. Связь между коэффициентами самоиндукциии взаимной индукции389
§ 103. Общие выражения для магнитных потоков, сцепляющихся с отдельными контурами системы393
§ 104. Общие выражения для электродвижущих сил, индуктируемых в отдельных цепях системы394
§ 105. Роль коротко замкнутой вторичной цепи396
§ 106. Действующие коэффициенты самоиндукции и взаимной индукции400
§ 107. Электромагнитная сила. Общие соображения408
§ 108. Условия возникновения электромагнитной силы413
§ 109. Случай сверхпроводящих контуров418
§ 110. Случай контура с током во внешнем магнитном поле422
§111. Основная роль бокового распора и продольного тяжения магнитных линий424
§112. Случай прямолинейного проводника во внешнем магнитном поле425
§ 113. Электромагнитные взаимодействия в асинхронном двигателе427
§114. Величина и направление электромагнитной силы в случае одного контура с током428
§ 115. Величина и направление силы электромагнитного взаимодействия двух контуров с током433
§ 116. Случай электромагнитного взаимодействия любого числа контуров с током435
§ 117. Электромагнитная сила, действующая на участок проводника с током, расположенный во внешнем магнитном поле436
Глава VIII. Движение электромагнитной энергии439
§ 118. Электромагнитное поле439
§ 119. Основные уравнения электромагнитного поля441
§ 120. Общий характер дифференциальных уравнений электромагнитного поля448
§ 121. Распространение электромагнитной энергии. Плоская волна449
§ 122. Скорость распространения электромагнитной энергии455
§ 123. Опытные данные, подтверждающие теорию Максвелла457
§ 124. Опыты Герца461
§ 125. Механизм движения электромагнитной энергии. Вектор Пойнтинга469
§ 126 Распространение тока в металлических массах. Поверхностный эффект477
Приложение. Размерности электрических и магнитных величин489
Предметный указатель494

ПРЕДИСЛОВИЕ К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ

Настоящее издание повторяет почти без изменений второе издание. Внесены лишь некоторые мелкие исправления, и в качестве введения помещена речь, читанная мною в торжественном годовом собрании Академии Наук СССР 2 февраля 1933 г., — „Основные воззрения современной физики". Содержание этой речи может быть рассматриваемо как добавочное разъяснение принятых мною в этом курсе принципиальных физических установок.

Август 1933 г.

В. Миткевич.


ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

В связи с выпуском второго издания курса „Физические Основы Электротехники" я считаю полезным сказать несколько слов для того, чтобы разъяснить мотивы, руководившие мною как в отношении общего характера этого курса, так и в отношении его плана.

Что касается общего характера такой книги, как физические основы технической дисциплины, то, по моему мнению, целесообразно более или менее строгое проведение некоторой определенной точки зрения на природу физических явлений, с которыми мы имеем дело в данной дисциплине. Это не только желательно, но даже необходимо, ибо таким образом можно помочь изучающему связать в одно, до известной степени стройное целое, всю сумму получаемых сведений. В противном случае ему трудно будет сознательно оперировать на практике с приобретенными формальными знаниями, в особенности в случаях, когда приходится сталкиваться с обстановкой, несколько отличающейся от привычной, нормальной.

Я полагаю, что выбор общей точки зрения, которую следует принять как базу при изложении курса, естественно вытекает из некоторого анализа наших основных физических представлений. В этом отношении наиболее простой и надежный путь состоит в том, чтобы попытаться ответить на нижеперечисленные вопросы, сформулированные применительно к преследуемой нами цели. Совокупность четких ответов на все эти вопросы в полной мере освещает сущность наших физических представлений.

Вопрос 1. Может ли физическое явление протекать вне пространства и времени?

Вопрос 2. Может ли физическое явление протекать без всякого участия в нем какой-либо физической субстанции, представляющей собою носителя свойств, обнаруживаемых в явлении?

Вопрос 3. Может ли физическая субстанция не иметь пространственного распределения?

Вопрос 4. Может ли физическая субстанция в целом или отдельные ее части, сколь бы малы они ни были, не занимать никакого объема?

Вопрос 5. Можно ли рассматривать энергию как нечто, не являющееся ни самостоятельной физической субстанцией, ни каким-либо состоянием или свойством некоторой физической субстанции?

Вопрос 6. Может ли энергия (в том или ином ее понимании) не иметь пространственного распределения?

Вопрос 7. Может ли какая-либо физическая субстанция или энергия возникнуть в некотором объеме из ничего или превратиться в ничто?

Вопрос 8. Может ли физическая субстанция или энергия возникнуть в объеме, в котором их не было, или прекратить существование в объеме, в котором они перед тем были, иначе, как путем пространственного перемещения извне внутрь этого объема или изнутри этого объема наружу?

Вопрос 9. Может ли некоторое тело (например, наэлектризованное) притти в движение в связи с приближением к нему другого тела (также, например, наэлектризованного), если при этом энергия ни в каком виде не притекает извне в объем, занимаемый первым телом?

Вопрос 10. Может ли точка зрения „асtio in distans", т.-е. „действия на расстоянии", рассматриваться не как математический метод, пригодный для формального описания какого-либо физического явления, а как основное воззрение, имеющее непосредственное отношение к существу физического явления?

Ответы на вышеперечисленные 10 вопросов предопределяют собою те принципиальные точки зрения, с которыми мы подходим к изучаемым физическим явлениям.

Ответ „да" на любой из 10 вопросов или недостаточно категорический ответ „нет" хотя бы на один из этих вопросов неизбежно приводит нас к допущению действия на расстоянии в качестве первичного физического явления. Отсюда берет начало один из путей рассмотрения природы явлений.

Отсюда же может, между прочим, проистекать и представление о реальном физическом мире как о пространстве, в котором соответственным образом распределены материальные точки, векторы сил и тому подобные, по существу, формально-математические символы. Ньютон широко пользовался точкой зрения действия на расстоянии при математическом рассмотрении явлений тяготения, но он считал ее совершенно неприемлемой и просто абсурдной в применении к анализу того, что происходит в действительности (см. § 1 настоящей книги). О. Д. Хвольсон в томе I своего Курса Физики в следующих словах выражает мнение по этому же поводу: „Термином „actio in distans", т.-е. „действие на расстоянии", обозначается одно из наиболее вредных учений, когда-либо господствовавших в физике и тормозивших ее развитие..."

Категорический и безоговорочный ответ „нет" на все 10 вопросов приводит нас к утверждению, что какие бы то ни было взаимодействия в природе совершаются не иначе, как при непосредственном участии среды, окружающей действующие друг на друга физические центры или физические системы. В области явлений магнитных и электрических мы таким путем приходим к фарадее-максвелловской точке зрения, которая и проводится в настоящем курсе с возможно большей последовательностью. Здесь, конечно, нет никакого противоречия тому, что понятия и термины, вытекающие из точки зрения действия на расстоянии, мы используем в математических формулировках и выводах, когда это оказывается, практически целесообразным, подобно, например, мнимым количествам, которые мы применяем, между прочим, в теории переменных токов.

Итак, я считаю точку зрения фарадее-максвелловскую единственно приемлемой в самом широком смысле этого слова; точку же зрения действия на расстоянии рассматриваю как допустимую только в области формально-математических построений.

Совершенная непримиримость этих двух точек зрения в отношении анализа природы магнитных и электрических явлений в полной мере выявилась во время трех диспутов о природе электрического тока, имевших место в 1930 году в стенах Ленинградского Политехнического Института (см. стенографический отчет в журнале „Электричество", 1930, №№ 3, 8 и 10). Вышеперечисленные 10 вопросов явились именно результатом этих диспутов и сформулированы мною с целью возможно глубже вскрыть истинные корни обнаружившихся разногласий.

Переходя к вопросу о принятом мною расположении материала, я полагаю, что центром тяжести курса „Физические Основы Электротехники" должно быть рассмотрение свойств электромагнитного комплекса вообще и того электромагнитного явления, которое мы называем электрическим током—в частности. Магнитное и электрическое поля, как таковые, являются лишь отдельными сторонами всякого электромагнитного комплекса, и изучение их следует, по моему мнению, вести в том порядке, который определяется их относительным значением в явлении электрического тока. Поэтому я и начинаю курс с рассмотрения физических свойств магнитного потока. Действительно, мы можем представить себе электрический ток в цепи при полном отсутствии электродвижущей силы, при отсутствии электрических сил в объеме проводника и каких бы то ни было разностей потенциалов между отдельными его сечениями, при отсутствии, наконец, обычного течения электронов в объеме проводника. Я имею в виду случай постоянного тока в сверхпроводящей цепи, т.-е. при r=0, когда все точки проводника имеют один и тот же потенциал и когда значения магнитной силы во всех точках внутри проводника строго сохраняются такими же, какими были до возбуждения тока в сверхпроводящей цепи (последнее вытекает из теории Максвелла.

Единственным, неизменным и безусловно всегда наблюдаемым признаком электрического тока является его магнитный поток самоиндукции. Представить себе электрический ток, не связанный с магнитным потоком, мы абсолютно не в состоянии. Быть может, даже наши обычные представления об электрическом токе, отраженные и в исторически сложившейся терминологии, ошибочны, как это именно предполагал Фарадей. Электрокинетическая энергия тока, протекающего по некоторой цепи, никоим образом не может быть подсчитана, если мы будем иметь дело только с объемом проводника. Наоборот, эта энергия полностью определяется путем рассмотрения того процесса,который совершается, вообще говоря, вне проводника, и она в точности равна как-раз магнитной энергии потока самоиндукции.

Сказанного, я полагаю, достаточно для обоснования принятого мною плана расположения материала в настоящем курсе. Можно добавить еще лишь следующее.

Обширная область электромеханики, интересы которой я особенно имел в виду, является по существу областью практических приложений физических свойств магнитного потока. Именно магнитный поток играет роль основного фактора во всех электромеханических устройствах и при всех расчетах, к ним относящихся, мы оперируем с магнитным потоком, а не с электронами, текущими в объеме проводника в случае сопротивления, не равного нулю. Не приходится говорить об электронной теории коммутации динамомашин, так как таковой не существует и едва ли было бы рационально пытаться ее создать. Было бы шагом назад, если бы мы стремились построить теорию расчета электрических генераторов и трансформаторов с электронной точки зрения и т. д.

Нельзя игнорировать и того, что самое представление об электроне претерпевает в настоящее время эволюцию. Электрон уже не мыслится как некоторый элементарный электрический шарик строго ограниченного диаметра: электрон теперь расплывается в окружающем пространстве и приобретает все более и более определенный характер какого-то элементарного электромагнитного комплекса. Мы наблюдаем в науке здоровые симптомы грядущей увязки формальных и фактических достижений электронной теории с фарадее-максвелловской точкой зрения.

В настоящем дополненном и пересмотренном издании устранен тот основной пробел, из-за которого в первом издании на заглавной странице значилось: „часть первая". Именно, я ввел теперь Главу, посвященную прохождению электрического тока через газы и пустоту. Из числа других изменений можно отметить выделение в особый параграф основных положений, касающихся преобразований магнитного потока.

В заключение считаю долгом поблагодарить друзей, своими ценными советами оказавших мне содействие при исправлении замеченных недочетов в старом издании. Особенно много помогли мне в этом отношении профессор П. Л. Калантаров и преподаватели Л. Э.-М. И.—Е. Я. Семичев, Л. Р. Нейман и А. Г. Лурье. Наконец, выражаю свою признательность Техническому Директору Издательства КУБУЧ Л. М. Сафроновичу за его заботы о техническом оформлении и скорейшем выпуске настоящего курса.

В. Миткевич.

Декабрь 1931 г.


ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

Настоящая книга является первою частью „Физических Основ Электротехники" и посвящена главным образом вопросам, имеющим непосредственное отношение к области электромеханики. В связи с этим магнитному потоку и его различным свойствам здесь уделено особенное внимание, при чем по мере возможности изложение сопровождается рассмотрением вероятного механизма основных явлений. Последнее имеет, по мнению автора, двоякое значение. Во-первых, пытливый ум изучающего редко довольствуется усвоением чисто формальных соотношений и ищет ответа на вопрос, как можно себе представить то, что происходит в действительности. Во-вторых, более или менее последовательное проведение определенной точки зрения на механизм явлений может в значительной степени облегчить в дальнейшем правильное использование приобретенных сведений. Благодаря стремлению автора придать изложению указанный характер, оно нередко носит, конечно, несколько субъективный оттенок. В целом ряде случаев, за отсутствием общепризнанной точки зрения, автору приходится излагать вероятный механизм явлений в том виде, как это ему представляется наиболее соответствующим действительности.

Автор предполагает, что читатель в достаточной мере знаком с учением о магнитных и электрических явлениях в объеме общего Курса Физики, обычно преподаваемого в высших технических школах. Однако, с целью облегчить чтение книги, в параграфах 2 и 58 даны краткие сводки основных определений и соотношений из данной области. С тою же целью в конце книги, в особом приложении, приведены данные о физических размерностях величин, характеризующих электромагнитные процессы.

Книга эта представляет собою результат записи лекций, читанных мною в Ленинградском Политехническом Институте имени М. И. Калинина в течение ряда последних лет по курсу, который вначале назывался „Специальным Курсом Электричества", а затем „Теоретическими Основами Электротехники, ч. 1". Запись с большою тщательностью повторно велась моими слушателями Е. А. Чернышевой, Е. Я. Семичевым и К. С. Стефановым. Составленные ими записки были просмотрены моим коллегой—преподавателем Политехнического Института П. Л. Калантаровым и, наконец, окончательно проредактированы мною. Выражаю мою большую благодарность всем упомянутым лицам, оказавшим весьма существенную помощь в деле подготовки настоящего курса к печати. Вместе с тем очень благодарю и моего слушателя Б. Б. Таунлея за его общее содействие по организации издания курса, а также за работу по составлению рисунков для этой книги.

Август 1927 г.

В. Миткевич.


Об авторе
Миткевич Владимир Федорович
Выдающийся ученый-электротехник, академик АН СССР. Родился в Минске. В 1895 г. окончил физико-математический факультет Петербургского университета. В 1896–1905 гг. работал в Петербургском горном институте, в 1902–1938 гг. — в Петербургском (позже Ленинградском) политехническом институте. Участвовал в разработке плана Государственной комиссии по электрификации России (план ГОЭЛРО). В 1921–1937 гг. возглавлял Особое техническое бюро по военным изобретениям Наркомата обороны СССР. С 1938 г. работал в учреждениях Академии наук СССР. С 1927 г. член-корреспондент, а с 1929 г. — действительный член АН СССР. Лауреат Ленинской премии (1929) и Сталинской премии (1943). Награжден орденом Ленина и другими орденами, а также медалями.

Основные труды В. Ф. Миткевича были посвящены изучению электромагнитных явлений, проблем проводной и беспроводной связи, передачи электрической энергии. Он первым предложил расщепление фаз для высоковольтных линий электропередачи; предложил для преобразования переменного тока в постоянный схему выпрямителя, широко известного как "двухполупериодный выпрямитель со средней точкой", и схему трехфазного выпрямителя. Исключительное научное и практическое значение имели его исследования природы электрической дуги. Он организовал первую в России лабораторию теоретических основ электротехники; по ее образцу создавались лаборатории в других электротехнических школах. Автор 17 научных монографий и учебников, в том числе курсов по теоретическим основам электротехники, а также свыше 120 статей и докладов в различных научно-технических журналах.