Глава I
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Современное учение об электричестве тесно связано с учением о строении вещества. Все вещества, как простые, так и сложные, состоят из молекул, а молекулы из атомов. Каждый атом имеет ядро, состоящее из протонов, нейтронов и других частиц. Вокруг ядра атома по определенным орбитам движутся электроны. Электроны притягиваются к ядру электрическими зарядами. Разноименные Электрические заряды взаимно притягиваются. Следовательно, заряды ядра и электронов должны быть разными по знаку. Условно принято считать заряд электронов отрицательным, а заряд ядра — положительным.
Рис. 1, Электрическое поле: положительного (а), отрицательного (б) и двух разноименных зарядов (в)
Носителями положительных зарядов в ядре атома являются протоны. Протон имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона.
В обычных условиях в достаточно большом элементе объема тела находится в среднем равное количество положительных и отрицательных электрических зарядов, поэтому тело является электрически нейтральным.
В электрически заряженном теле (или его участке) преобладают положительные или отрицательные заряды.
Электрически заряженные частицы вещества окружены электрическим полем. Электрическое поле — это пространство, в котором действуют электрические силы; оно неотделимо от заряда, существует вместе с ним и окружает его. Под действием сил электрического поля происходят взаимное притяжение и отталкивание зарядов. Линия, по которой перемещается положительный заряд под действием сил электрического поля, называется силовой линией. Электрическое поле изображается при помощи силовых линий (рис. 1).
Основной характеристикой электрического поля является напряженность, т. е. интенсивность поля. Напряженность равна силе, действующей на единицу положительного заряда (одного кулона) в данной точке поля. Так, если на положительный заряд q действует сила F, то напряжённость в данной точке ε = F/q.
Напряженность — векторная величина, т. е. она имеет значение и направление в пространстве. Если напряженность во всех точках поля одинакова, такое поле называется равномерным. При движении заряда в равномерном поле по направлению сил поля совершается работа А = Fl = qεl, где l — путь, F — сила. Работа по перемещению единицы положительного электричества между двумя точками называется напряжением:. U = A/q. Единицей напряжения является вольт (В)— напряжение между двумя точками, при перемещении между которыми заряда в один кулон (Кл) совершается работа в один джоуль (Дж). Следовательно, 1 Дж = В·Кл. Малые напряжения измеряют в милливольтах (1 мВ = 0,001 В), высокие — в киловольтах (1 кВ = 1000 В).
Напряжение через напряженность выражается зависимостью U = εl, из которой следует, что напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м).
При изучении различных энергетических процессов в силовых электрических полях пользуются вспомогательной величиной, представляющей собой работу энергии совместного поля двух (нескольких) зарядов по перемещению единичного заряда. Эта величина называется потенциалом и обозначается буквой φ.
В электрической цепи заряд q обладает некоторой потенциальной энергией. Перемещаясь вдоль цепи на расстояние I, заряд совершает работу, рапную произведению заряда, напряженности поля Еп и длины пути l:А = qЕ. Потенциальная энергия заряда уменьшается вследствие перехода его из точки, обладающей более высоким потенциалом, в точку с более низким потенциалом. Работа, совершаемая зарядом при переходе из точки а в точку b (рис. 2), равна произведению заряда на разность потенциалов между этими точками:
Отсюда напряжение между двумя точками равно разности потенциалов между ними.
Рис. 2. Работа заряда при изменении его потенциала
Все вещества в зависимости от их электрических свойств условно делятся на три категории: проводники, изоляторы(диэлектрики) и полупроводники.
Проводники бывают первого и второго рода. Проводники первого рода (твердые) обладают электронной проводимостью, И ток в них создается только движением электронов. В жидкостях и газах носителями зарядов являются положительные и отрицательные ионы. Движение положительных ионов по направлению поля и отрицательных — против направления поля создает электрический ток. Такие проводники обладают ионной проводимостью и называются проводниками второго рода. К ним относятся металлы, в которых возможно перемещение свободных электронов (слабая связь электронов с ядром) из сферы действия ядра одного атома в сферу действия другого.
В проводниках второго рода под действием растворителя молекулы вещества распадаются па положительные и отрицательные ионы, которые перемещаются в соответствующих направлениях. Это растворы кислот, солей.
Разделение зарядов внутри проводника на положительные и отрицательные прекращается, когда напряженность результирующего поля внутри проводящего тела окажется равной нулю. В этом случае все свободные заряды переместятся на поверхность тела. Это явление называется электростатической индукцией.
В веществах с малым количеством свободных электронов или ионов нет перемещения зарядов в заметных количествах. Такие вещества называются изоляторами (диэлектриками). К ним относятся газы, масла, лаки, материалы (кроме металлов и угля). Вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками, называются полупроводниками.
2. ПОСТОЯННЫЙ ТОК
Под действием внешнего электрического поля свободные электроны (ионы) перемещаются в определенном направлении. Направленное перемещение электронов и ионов называется электрическим током. Принято считать, что положительные ионы движутся по направлению тока, а электроны и отрицательные попы — против него. Для возникновения электрического тока должна быть создана замкнутая электрическая цепь. Электрическая цепь образуется из источников питания, в которых за счет преобразования различных видов энергии в электрическую возбуждается электродвижущая сила (ЭДС), и потребителей электрической энергии (где, наоборот, электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии), соединенных между собой проводниками.
По проводникам перемещаются заряженные частицы, т. е. проходит ток — передается электрическая энергия.
Неотъемлемым элементом электрической цепи являются вспомогательные аппараты, служащие для ее замыкания и размыкания. Графическое изображение электрической цепи, показывающее последовательность соединения отдельных элементов (источников питания, потребителей, вспомогательных аппаратов и др.) и отображающее свойства электрической цепи, называется схемой электрической цепи (рис. 3). В табл. 1 приведены условные обозначения некоторых основных элементов цепи.
Рис. 3. Простейшая электрическая схема
1. Основные элементы электрической цепи
Электрический ток определяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за 1 с. Если значение тока не изменяется с течением времени, такой ток называется постоянным и определяется выражением I= Q/t, где Q — заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время t.
Единицей измерения тока служит ампер (А). Ток в проводнике равен 1 А, если через его поперечное сечение за 1 с проходит электрический заряд, равный одному кулону (Кл). Кулон равен 6,3·1018 зарядов электрона. Более мелкими единицами тока является миллиампер (1 мА = 10-3 А) и микроампер (1 мкА= 10А).
Отношение тока I к площади поперечного сечения проводника S называется плотностью тока (А/мм2) и обозначается δ. При условии, что ток равномерно распределяется по сечению проводника, δ = I/s.
В замкнутой электрической цени ток возникает под действием электродвижущей силы (ЭДС) источника тока. На зажимах последнего создается разность потенциалов, которая сообщает свободным электронам проводника (ионам) энергию, необходимую для их перемещения. Электродвижущей силой называется энергия или работа, которую совершает источник тока при прохождении через него единицы количества электричества. Единица измерения ЭДС—вольт (В), так как 1 Дж/Кл = 1 В.
При движении заряженных частиц происходит их столкновение с молекулами вещества. Энергия столкновения переходит в тепло, т. е. элементы электрической цепи обладают Сопротивлением. Единицей электрического сопротивления является ом — сопротивление такого проводника, в котором при разности потенциалов в 1 В протекает ток силой в 1 А, т. е. 1 Ом =1 В/1 А. Малые сопротивления измеряют в миллиомах (1 мОм = 10-3 Ом), большие — в килоомах и мегомах (1 кОм = 103 Ом, 1 МОм = 106 Ом).
Для оценки свойств проводника в отношении его электрического сопротивления служит удельное электрическое сопротивление, характеризующее собой сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 при температуре 20 С. Удельное электрическое сопротивление измеряется в ом-квадратных миллиметрах на метр (Ом-мм2 м) или в ом-метрах (Ом·м). При длине проводника и площади поперечного сечения s сопротивление проводника r = pl/s.
В пределах температур от 0 до 100 С с достаточной для практики, точностью можно считать, что относительное приращение сопротивления металлических проводников пропорционально приращению температуры:
где r2 и r1 —сопротивления при температуре соответственно t2 и t1; а —температурный коэффициент сопротивления, равный относительному приращению сопротивления при нагревании проводника на 1° С.
Зависимость сопротивления от температуры широко используется для измерения температуры в электрических термометрах сопротивления.
Электрическая цепь может содержать активные и пассивные участки. Участок, не содержащий источников тока, называется пассивным. Для такого участка электрической цепи применим закон Ома: сопротивление цепи г прямо пропорционально напряжению U между его концами и обратно пропорционально силе тока I, т. е. r = U/I. Зияя сопротивление цепи и напряжение, можно определить силу тока.
Для активного участка цепи (содержащего источник тока) необходимо учитывать величину и знак ЭДС: r=(U ± E)/I.
Соединение элементов цепи может быть последовательным, параллельным и смешанным.
При последовательном соединении элементов общее сопротивление равно сумме их сопротивлений
Для последовательной цепи сила тока на основания закона Ома I= U/R об.
Соединение, при котором отдельные элементы цепи находятся под одним и тем же напряжением, называется параллельным (рис. 4, а). Точки, в которых сходятся два (или более) проводника, называются узлами точки (1 и 2), а участки цепи, соединяющие узлы,— ветвями. Такие цепи удобно рассчитывать по законам Кирхгофа.
Основной единицей электрической энергии является джоуль (Дж), который равен ватт-секунде (1 Дж = 1 Вт·с).
Потребление мощности в сопротивлениях приемников является полезным, так как при этом производится определенная работа: в нагревательных приборах промышленных и бытовых установок, в цепях электросварки, в осветительной технике, в измерительной технике, в устройствах автоматики, защиты. Мощность, выделяемая и соединительных проводах и вспомогательных элементах, обмотках электрических машин и трансформаторов, является бесполезной и снижает коэффициент полезного действия установки.
Электрическая емкость —это способность устройства удерживать свободные электрические заряды. Такие устройства называются конденсаторами. Электрическая емкость конденсатора определяется отношением заряда к разности потенциалов (напряжению), т. е. С = q/U. Емкость измеряется в фарадах (Ф) и характеризуется величиной заряда, приходящегося на один вольт приложенного напряжения.
При параллельном соединении конденсаторов увеличивается площадь эквивалентного конденсатора м суммарная емкость возрастает (Cэ = ∑С). При последовательном соединении конденсаторов общее напряжение сети распределяется между отдельными конденсаторами и эквивалентная емкость определяется выражением 1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3 + ....+ 1/Сп, т. е. общая емкость конденсаторов уменьшается по сравнению с емкостью отдельного конденсатора.
