1.1 Введение в электротехнику и электрооборудование
1.1 Введение в электротехнику и электрооборудование:
Электрический ток и его характеристики.
Электрический ток используется во множестве современных технологий. Чтобы понять, что это такое, можно представить ток воды, бегущий по трубам с определенной скоростью. В этом случае роль воды исполняет электрический заряд, под скоростью понимается его сила, а функцию трубы выполняет проводник — среда, вещество или материал, способные проводить электрический ток.
Электрический ток — это упорядоченное передвижение частиц, являющихся носителями электрического заряда.
Источники электрического тока бывают:
1. Механическими. Это генераторы, которые при помощи падающей воды, газового или парового потока преобразуют механическую энергию в электрическую.
2. Тепловыми. В этом случае ток возникает из-за разности температур двух контактирующих термопар — чем больше разность, тем сильнее ток.
3. Световыми. Здесь речь идет о превращении энергии света в электричество при помощи солнечных батарей.
4. Химическими, основанными на особенностях взаимодействия разных элементов.
Во всех случаях для существования постоянного тока необходимо наличие свободных зарядов, электрического поля, обеспечивающего их движение, замкнутой электрической цепи. В каждом источнике происходит работа по разделению отрицательно и положительно заряженных частиц, скапливающихся на его полюсах.
Виды тока, классификация
В физике различают следующие виды тока:
• постоянный — не меняющий величину, направление во времени;
• переменный — меняющий свои параметры;
• периодический — повторяющий свои мгновенные значения через определенные временные промежутки в одинаковой последовательности;
• синусоидальный — изменяющий свою величину по синусоидальному закону;
• высокой частоты;
• пульсирующий.
Если речь идет о движении макроскопических заряженных тел (к примеру, дождевых капель), то ток принято называть конвекционным. Если же имеется в виду движение заряженных частиц внутри макроскопических тел, то говорят о токе проводимости.
Примечание:
У электриков существуют такие понятия, как однофазный, двухфазный и трехфазный ток, а также двухфазная сеть или трехфазная система электроснабжения. Фазой называют провод, находящийся под напряжением переменного тока относительно заземленного или общего провода. От количества фаз зависит название.
Параметры и характеристики электрического тока
Электрическому току свойственны такие характеристики, как сила, плотность, мощность, частота.
Определение:
Сила — это физическая величина, отображающая отношение прошедшего за некоторое время количества заряда к величине этого временного промежутка.
Определение:
Плотность — это физическая величина. Отображает отношение силы тока, проходящего через перпендикулярно расположенное сечение, к площади этого сечения.
Определение:
Мощность — характеристика, показывающая, какая работа была выполнена током за конкретный промежуток времени.
Определение:
Частота — это свойство переменного тока, скорость, с которой он меняет свое направление.
Также существует понятие напряжения. Обозначение применяется для определения работы, совершаемой единичным положительным зарядом в момент перемещения вдоль цепи.
Важный параметр — сопротивление. Оно отображает способность проводника препятствовать прохождению через него заряженных частиц.
Примечание:
Исторически сложилось представление о том, что направление тока всегда совпадает с направлением передвижения положительных зарядов. Если носителями в проводнике являются только отрицательные заряды, как, к примеру, происходит в металле, то за направление тока принимают направление, противоположное движению отрицательных зарядов.
Поведение электрического тока в различных средах.
Ток может проходить через разные вещества: металлы, сплавы, газы. Условием для его возникновения является присутствие заряженных частиц, которые могут быть ионами или электронами.
В металлах
Строение металлов напоминает кристаллическую решетку. В ее «узлах» находятся положительные ионы, в пространстве между ними — свободные электроны. Электрическое поле, созданное в металле, заставляет упорядоченно двигаться свободные электроны. Поэтому принято говорить о том, что ток в металлах являет собой упорядоченное движение свободных электронов.
Примечание:
Траекторию движения электронов нельзя назвать прямолинейной. Она сложна, зависит от их взаимодействия с другими частицами.
В электролитах
Определение:
Электролиты — это растворы щелочей, кислот или солей, способные проводить электрический ток.
В процессе растворения в воде молекулы этих веществ разделяются на отрицательные и положительные ионы. Явление распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы называется электролитической диссоциацией.
При отсутствии электрического поля все ионы передвигаются хаотично. При его наличии положительные будут тяготеть к отрицательному полюсу источника тока. Отрицательные — к положительному. Поэтому физики говорят о том, что ток в электролитах представляет собой движение разнозаряженных ионов в противоположных направлениях.
В газах
В обычных условиях газ не способен проводить электричество. Он является диэлектриком или изолятором. Но при изменении условий окружающей среды — под воздействием радиоактивного излучения или при нагреве — газ может стать проводником.
Определение:
Ток, возникающий в газах в результате ионизации, называют газовым разрядом.
Газовый разряд может быть:
• несамостоятельным — существующим только при условии воздействия внешних сил;
• самостоятельным — продолжающим существование даже после нейтрализации внешних воздействий.
Самостоятельные разряды делятся на:
• тлеющие, формирующие свечение;
• тихие, не образующие света и звука;
• искровой, генерирующий большое количество электричества за краткий временной промежуток;
• дуговой, подразумевающий колебания силы тока от 10 до 100 А;
• коронный.
Коронный разряд возникает при резком изменении напряженности поля.
Измерения силы электрического тока, формулы
В международной системе единицей измерения силы тока является ампер, который обозначается буквой А. Для определения точного значения применяют специальный прибор амперметр. Его подключают к разрыву цепи на том участке, где необходимо произвести замер.
Формула нахождения силы тока выглядит так:
Источник: graficart.ru
Уравнения для определения остальных физических величин:
Напряжение и его виды.
Виды напряжения
Существует 2 вида напряжения. Первое — постоянное. Оно возникает в цепях постоянного тока. Второе — переменное. Появляется в цепях, в которых протекает синусоидальный либо переменный ток. В этом случае выделяют линейное и фазное напряжение. Линейное — это то, которое проходит между фазными проводами, а фазное — между фазным проводом и землей либо нейтралью. В РФ нормальная величина первого 380 В, а второго — 210–230 В.
Виды напряжения
Как определить
Есть официальная формула напряжения, которая выглядит так:
Формула напряжения
Но следует сказать, что в электротехнике она применения не имеет. Чтобы на практике рассчитать напряжение на участке цепи, используют формулу, выведенную через закон Ома:
Определение напряжения из закона Ома
Напряжение можно выразить еще и через мощность:
Вычисление через мощность
Величина напряжения зависит от способа соединения элементов электроцепи. Они могут соединяться друг с другом последовательно или параллельно. При последовательном соединении все элементы ставят в ряд.
Последовательное соединение
В этом случае напряжение можно найти по такой формуле:
Вычисление при последовательном соединении
При параллельном соединении все компоненты ставятся напротив друг друга.
Параллельное соединение
Тогда напряжение вычисляем следующим образом:
Формула для параллельного соединения
Из этого следует, что напряжение в резисторах и в источнике одинаково.
Сопротивление и его влияние на электрическую цепь
Сопротивление зависит от размеров проводника. ще один важный фактор, влияющий на величину сопротивления - это размеры самого проводника, по которому проходит электрический ток. Чем длиннее проводник и чем меньше его поперечное сечение, тем выше его сопротивление. Это можно объяснить тем, что при увеличении длины и уменьшении сечения возрастает количество столкновений электронов с атомами материала проводника, что затрудняет прохождение тока.
емпература тоже имеет значение На величину сопротивления влияет и температура проводника. При повышении температуры интенсивность теплового движения атомов возрастает, и они чаще сталкиваются с движущимися электронами. Это приводит к увеличению сопротивления большинства проводниковых материалов. Таким образом, подводя итог, от чего зависит сопротивление, можно сказать, что на него влияют: материал проводника, его размеры (длина и поперечное сечение) и температура. Как сопротивление влияет на ток и напряжение А теперь давайте разберемся, как сопротивление влияет на другие параметры электрической цепи - ток и напряжение. Все эти величины связаны законом Ома для участка цепи: U = I * R где U - напряжение, I - сила тока, R - сопротивление. Из этой формулы видно, что при неизменном напряжении, чем выше сопротивление, тем меньше сила тока. А чем ниже сопротивление, тем больше ток. Также из формулы следует, что одинаковый ток может протекать в цепях с разным напряжением, если их сопротивления тоже разные. Например, ток 1 А может протекать при напряжении 12 В и сопротивлении 12 Ом, а также при напряжении 24 В и сопротивлении 24 Ом.
Подбор оптимального сопротивления. При проектировании электрических цепей важно правильно подобрать сопротивление ее элементов. Это позволит обеспечить эффективную и безопасную работу всей системы. Для разных участков цепи может потребоваться разное по величине сопротивление. Например, для линии электропередачи, соединяющей источник питания и приемник, нужно выбрать минимально возможное сопротивление проводов. Это позволит свести к минимуму потери энергии в виде тепла на линии. А вот для обеспечения безопасности в некоторых местах цепи, наоборот, требуется увеличить сопротивление, чтобы ограничить силу тока в аварийных ситуациях. Применение резисторов. Для регулирования сопротивления в электрических цепях используются специальные элементы - резисторы. Это могут быть как простые резисторы с фиксированным сопротивлением, так и переменные резисторы (реостаты и потенциометры), позволяющие плавно менять величину сопротивления. Резисторы применяются для целого ряда задач: Ограничение тока в цепи и защита от перегрузок. Делители напряжения в измерительных приборах и датчиках. Установка нужного рабочего режима электронных устройств. Согласование выходного сопротивления источника с входным сопротивлением нагрузки. Таким образом, применение резисторов дает возможность точной настройки параметров электрической цепи для решения конкретных задач. Виды резисторов и их применение. Существует множество разновидностей резисторов, отличающихся принципом действия, конструкцией, диапазоном сопротивлений и областью применения. Проволочные резисторы изготавливаются из специальных сплавов в виде проволоки определенной длины и диаметра. Они отличаются компактностью и надежностью. Резисторы на пленке представляют собой тонкую пленку из резистивного материала, нанесенную на керамическую подложку. Используются в радиоэлектронной аппаратуре благодаря малым размерам и низкой стоимости. Варисторы имеют сопротивление, зависящее от приложенного к ним напряжения. Применяются для стабилизации и ограничения напряжения, защиты от перенапряжений. Терморезисторы и фоторезисторы меняют свое сопротивление в зависимости от температуры и освещенности соответственно. Используются в датчиках для измерения этих параметров. Таким образом, применение разных типов резисторов позволяет гибко решать широкий круг задач по регулированию параметров электрических цепей и сигналов в радиоэлектронной аппаратуре и системах автоматики. Последовательное и параллельное соединение резисторов. Для получения нужной величины сопротивления резисторы могут соединяться последовательно или параллельно. При последовательном соединении сопротивления резисторов складываются. Это позволяет получить большее общее сопротивление цепи. Параллельное соединение, наоборот, приводит к уменьшению полного сопротивления за счет сложения проводимостей отдельных резисторов. Комбинируя последовательное и параллельное соединение резисторов в сложных электрических цепях, инженеры могут добиться самых разных значений сопротивления для решения конкретных практических задач.