Что такое теоретическая электротехника

Современная наука и техника неразрывно связаны с развитием учения об электромагнитных явлениях. Это объясняется тем, что электромагнитные явления лежат в основе почти всех физических процессов, даже тех, которые на первый взгляд не имеют никакого отношения к электромагнитным (например, оптические, химические и_т. п.). Основные законы электромагнитных явлений были изучены уже к концу прошлого столетия.

В двадцатом столетии изучение их было значительно углублено и расширено. В результате появились разделы теоретической, математической и экспериментальной физики, электроника, электротехника, высокочастотная техника, квантовая электродинамика и др. Все эти науки основываются на некоторых общих законах и при изучении их применяются общие методы анализа и расчета.

Электротехника как наука, занимающаяся разработкой вопросов практического использования законов электромагнитных явлений, в свою очередь, развилась в ряд самостоятельных дисциплин. Так, выделились теория и конструирование машин (генераторов, двигателей) и трансформаторов, электростанции и системы, передача электрической энергии на расстояние, вопросы защиты, электрические измерения, электрическая сварка и т. д.

В каждой из этих дисциплин появился большой круг теоретических и практических вопросов, решение которых имеет не только частное, но и общее значение. В задачу теоретической электротехники входят разработка и исследование общих основ практического использования законов электромагнитного поля, анализ и синтез электрических и магнитных цепей, разработка и обобщение методов расчета.

Электротехника — наука о практическом использовании физических явлений, связанных с движением заряженных частиц. Очевидно, что полное представление об этих явлениях можно получить при рассмотрении движения частиц в микромире и целых систем — тел, которые состоят из этих частиц. Рассмотрение явлений в масштабах систем; в которых данное явление есть результат действия огромного числа частиц, называется макроскопическим.

Всесторонним изучением электрических явлений как в макро-, так и в микромире занимается атомная физика. В практике очень часто приходится сталкиваться с явлениями, которые можно рассматривать, не внося сколь-либо заметной ошибки, макроскопически, т. е. не учитывать дискретности зарядов.

В электротехнике при изучении электрических явлений не учитывают атомистического строения вещества и исходят из представления о непрерывном протяжении зарядов электричества. При таком макроскопическом рассмотрении явлений применимы операции дифференцирования и интегрирования. И лишь в тех случаях, когда требуется объяснение природы физического процесса, теоретическая электротехника обращается к атомистическому строению вещества.

При изучении отдельных зависимостей приходится прибегать к рассмотрению явлений, ограниченных крайне малыми длинами, поверхностями или объемами. В этом случае, если и рассматриваются очень малые размеры и области, то предполагается, что они включают в себя большое количество молекул вещества и поэтому проявляется макроскопический эффект их действия.

Такой способ рассмотрения явлений облегчает задачу установления физических законов, так как они легко могут быть проверены при помощи более простых средств исследования, чем это требуется при изучении внутреннего строения вещества.

Электрические явления относятся к тем явлениям, которые не могут быть познаны непосредственно, поэтому электротехника обращается к более понятным человеку аналогиям, В частности, для описания явлений и закономерностей в электрических цепях, электростатических и магнитных полях прибегают к аналогиям в области гидродинамики.

Законы гидродинамики математически были абстрагированы и развиты в разделе математики, называющемся векторным анализом. Использование этого анализа для установления закономерностей в электротехнике оказалось очень плодотворным.

Вакуум или вещество, в котором рассматриваются те или иные явления, назовем средой. В зависимости от условий среда может быть однородной, неоднородной, изотропной и анизотропной.

Однородной называется среда, обладающая одинаковыми физическими свойствами во всех элементах объема; среда, в отдельных элементах объема которой свойства разные,, называется неоднородной. Среда, обладающая одинаковыми свойствами во всех точках по всем направлениям, называется изотропной. Соответственно, среды с различными свойствами в разных направлениях называются анизотропными.

При рассмотрении явлений в теоретической электротехнике широко используется принцип наложения, или суперпозиции. Этот принцип применим, когда соотношения между величинами, характеризующими изучаемое явление, не зависят от интенсивности происходящих в нем процессов, т. е. имеют линейный характер (их значения, производные и интегралы входят в эти соотношения в первой степени).

Согласно принципу наложения любое следствие, вызванное одновременным действием нескольких однородных причин, может быть определено сложением следствий, вызываемых в той же обстановке каждой из этих причин в отдельности, при этом предполагается отсутствие действия других причин.

Использование принципа наложения позволяет обобщить результаты, полученные для простых случаев, на более сложные случаи и, наоборот, расчленить сложную задачу на несколько более простых.