РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Глава I. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
§ 1. Электрические свойства вещества
Все, что окружает человека, и он сам — это материальный мир, или материя, которая существует в различных формах. Одна из форм материи, из которой состоят все тела в природе (вода, различные металлы и т. д.), называется веществом.
Вещества, которые невозможно химическим путем разложить на отдельные химические элементы, называются простыми. Вещество, состоящее из нескольких элементов, называется сложным.
Рис. 1. Электрическое поле между разноименными зарядами.
Все вещества состоят из мельчайших частиц-молекул, которые в свою очередь образуются из еще более меньших частиц, называемых атомами. В то же время в состав атомов входят другие, еще меньшие частицы, обладающие различными свойствами: ядро и электроны. Ядро, имеющее положительный электрический заряд, расположено в центре атома и состоит из положительно заряженных частиц — протонов и электронейтральных, т. е. незаряженных частиц — нейтронов. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные частицы — электроны.
Электрон обладает самым малым отрицательным электрическим зарядом. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Отрицательный заряд обозначается знаком минус, а положительный — знаком плюс.
Взаимодействие электрических зарядов осуществляется через электрическое поле, в котором проявляют себя электрические силы, связанные с этими зарядами. Электрическим полем называется пространство вокруг электрического заряда (заряженного тела). На схемах электрическое поле изображается обычно в виде так называемых силовых линий (рис. 1). Чем гуще силовые линии, тем больше напряженность или сила поля.
§ 2. Электрический ток и его напряжение
При бездействии сил электрического поля электроны в веществах находятся в беспорядочном движении. Происходит это потому, что во многих веществах, главным образом в металлах, электроны недостаточно сильно удерживаются ядром и могут свободно передвигаться от одного атома к другому. Когда силы электрического поля начинают действовать, движение электронов принимает упорядоченное (направленное) состояние, возникает электрический ток.
Отсюда электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение электронов. При упорядоченном движении электроны движутся от того места, где имеется их избыток, туда, где ощущается их недостаток, от минуса к плюсу. Однако исторически в электротехнике условно принято считать, что ток идет от плюса к минусу. Скорость распределения тока близка к скорости света — 300 000 км в секунду. Это не значит, что такой скоростью обладает каждый электрон в отдельности. Скорость электрона в проводнике составляет лишь доли сантиметра или миллиметра в секунду. Но в результате действия электрического поля ток, возникающий в одном конце провода, мгновенно вызывает прохождение тока по всему проводнику.
Аналогичное явление происходит, например, в трубе, заполненной водой, на одном конце которой находится насос. В момент подачи насосом воды в трубу давление, возникающее в воде, мгновенно передается вдоль трубы от одних частиц к другим. Вода приходит в движение — течет. Однако частицы воды, добавляемые насосом, дойдут до противоположного конца трубы гораздо позже момента начала вытекания ее из трубы.
Численно ток измеряется количеством электрических зарядов, которые проходят через поперечное сечение провода в одну секунду.
Электрические заряды (количество электричества) измеряются в кулонах (к), названных так в честь французского физика Кулона.
Для измерения различных физических величин принята специальная международная система единиц (табл. 1). Ток в один ампер равен одному кулону электричества, проходящему через поперечное сечение провода за одну секунду,
Для измерения тока очень больших или малых величин применяются соответствующие производные единицы измерения от одного ампера (Приложение 1).
Причиной возникновения и поддержания электрического тока является электрическое поле. Величина этого поля определяется той работой, которую совершает сила электрического поля, перемещая 1 к электричества от одного конца проводника до другого. Эта работа поля называется напряжением или разностью потенциалов поля на концах проводника.
Таблица 1
Основные энергетические определения по международной системе единиц
Таким образом, напряжение, приложенное к концам проводника, приводит в движение заряженные электричеством частицы. Напряжение и ток — два электрические явления, взаимосвязанные друг с другом. Ток будет протекать по проводнику лишь при наличии разности потенциалов между концами проводника.
Для того чтобы более ясно представить сущность тока и напряжения, сравним эти явления с движением воды в реке. Вода течет потому, что источник, подавая ее в русло, создает напор, который и заставляет воду течь с более высоких мест в более низкие. Если бы не было напора и русло реки находилось на всем протяжении в одной плоскости, то течение воды остановилось бы. То же происходит и с электричеством. Напряжение — это тоже своеобразный напор, который вызывает в проводнике ток. Без напряжения нет тока. В то же время напряжение может возникать и при отсутствии тока. Это происходит, когда полюсы источника разомкнуты.
Ток, проходя по проводнику, не уменьшается, а напряжение вдоль проводника падает, понижается. Одному вольту (в) оно будет равно, когда при перемещении электрического заряда в 1 к из одной точки поля в другую сила поля проделает работу в 1 дж,
§ 3. Электродвижущая сила (э.д.с.)
Источники электрической энергии называются генераторами.
Электродвижущая сила является причиной, приводящей в движение электрические заряды, и определяется энергией, которая затрачивается на перемещение единичного электрического заряда.
В то же время источник энергии, перемещая заряд по замкнутой цепи, обладающей сопротивлением, совершает работу как на внутреннем участке цепи, так и на внешнем. Следовательно, на этих участках будут возникать напряжения, которые называются падением напряжения на определенном участке. Поэтому понятие «электродвижущая сила» включает в себя также сумму падений напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи источника электроэнергии
E = U0 + U1, (1)
где Е — электродвижущая сила;
U0 — напряжение на внутреннем участке цепи;
U1 — напряжение на внешнем участке цепи.
Приведенный режим работы источника электроэнергии называется нормальным, или номинальным. Кроме того, имеется еще два режима работы: короткого замыкания и холостого хода.
Если источник электроэнергии на внешнем участке цепи замкнут проводником, сопротивление которого будет равно нулю, то, следовательно, работа источника на внешнем участке цепи будет также равна нулю (U1=0). Такой режим называется режимом короткого замыкания. В данном случае электродвижущая сила полностью расходуется на внутреннем участке цепи
В разомкнутой цепи ток не протекает или будет равен нулю. Такой режим работы источника электроэнергии называется режимом холостого хода. Но поскольку ток равен нулю, напряжение внутри источника также равно нулю (U0=0). Следовательно, при режиме холостого хода электродвижущая сила будет равна напряжению на зажимах источника.
E = U1.
Эти три режима работы характерны не только для источников электроэнергии, но и для других электрических аппаратов. Электрические параметры при этом имеют соответствующие определения: номинальный ток, ток короткого замыкания, ток холостого хода и соответствующие определения напряжения.
§ 4. Электрическое сопротивление
Во время прохождения тока по проводникам электроны сталкиваются с другими частицами, испытывая при этом противодействие своему движению. Это противодействие называется электрическим сопротивлением, оно зависит от материала и размеров проводника. Сопротивление измеряется в омах
В некоторых случаях вместо сопротивления пользуются величиной, обратной сопротивлению, — проводимостью, которая характеризует способность проводника проводить через себя ток.
Зависимость сопротивления проводника от его размеров определяется следующей формулой:
(2) '
где R — сопротивление проводника, Ом;
I — длина проводника, м;
s — площадь поперечного сечения проводника, м2
ρ — коэффициент пропорциональности, называемый удельным сопротивлением проводника, Ом·м.
Из формулы видно, что сопротивление прямо пропорционально длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника. Кроме того, на сопротивление оказывает влияние коэффициент (см. справочную литературу), определяющий удельное, сопротивление этого проводника в Ом-метрах.
Помимо материала и размеров проводника на сопротивление влияет также и температура. В подавляющем большинстве металлических проводников с ростом температуры повышается сопротивление. И, наоборот, при снижении температуры уменьшается сопротивление. На этом принципе разрабатываются способы передачи электроэнергии при низких температурах, которые создают так называемую сверхпроводимость. Есть, однако, проводники (уголь, сплавы некоторых металлов и электролиты), сопротивление которых с ростом температуры, наоборот, уменьшается.
