Azotirovanie.ru

Инженерные системы и решения
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электрооборудование ТЭС — Действие токов короткого замыкания и их ограничение

Электрооборудование ТЭС — Действие токов короткого замыкания и их ограничение

При к. з. по токоведущим частям проходят токи переходного режима, вызывая сложные усилия в шинных конструкциях и аппаратах электрических установок.
Согласно [18] усилия, действующие на жесткие шины и изоляторы, рассчитываются по наибольшему мгновенному значению тока трехфазного к. з. iy. При этом определяется максимальное усилие Л3) на шинную конструкцию без учета механических колебаний, Н:
71


где b, h — размеры поперечного сечения шин, см.
Полученное по формуле (3-12) расчетное напряжение в материале шин не должно превышать для меди 140 МПа, для алюминия марки АТ 70 МПа, для стали 160 МПа.
В многополосных шинах кроме усилия между фазами возникает усилие между полосами; расчет в этом случае усложняется, он рассматривается в [11].
Электродинамические усилия в токоведущих частях выключателей, разъединителей и других аппаратов сложны и трудно поддаются расчету, поэтому заводы-изготовители указывают допустимый через аппарат предельный сквозной ток к. з. (амплитудное значение) ίΠρ. с, который не должен быть меньше найденного в расчете ударного тока iy при трехфазном к. з. Таким образом, проверка аппаратов по электродинамической стойкости производится по условию

б) Термическое действие токов к. з.

Токи к. з. вызывают нагрев токоведущих частей, значительно превышающий нормальный. Чрезмерное повышение температуры может привести к выжиганию изоляции, разрушению контактов и даже расплавлению металла, несмотря на кратковременность процесса к. з. После отключения поврежденного участка прохождение тока к. з. прекращается, токоведущие части охлаждаются. Наибольшие допустимые температуры нагрева при к. з. определяются ПУЭ. Так, медные шины допускают нагрев до 300° С, алюминиевые — до 200° С, кабели с бумажной изоляцией — до 200° С.
При выборе токоведущих частей необходимо найти конечную температуру нагрева токами к. з.

Рис. 3-9. Расположение шин на изоляторах. а — плашмя; б — на ребро.

Из курса физики известно, что при прохождении тока в проводнике выделяется некоторое количество тепла, кал*:

где I — ток, А; r — сопротивление проводника, Ом; t — время прохождения тока, с.


Рис. 3-10. Диаграммы для определения конечной температуры проводника прн к. з.
а — для медных проводников; б — для алюминиевых проводников.

При к. з. расчет по этой простейшей формуле затруднен, так как ток к. з. состоит из периодической и апериодической составляющих, которые не остаются постоянными, сопротивление проводника по мере нагрева также меняется. С целью упрощения расчета пользуются диаграммами для определения температуры проводника (рис. 3-10).
По горизонтальной оси диаграммы отложена величина!,
где Вк — тепловой импульс тока к. з., q — сечение проводника, мм 2 .
В приближенных расчетах, когда периодическая составляющая тока к. з. принимается незатухающей, тепловой импульс
(3-15)
где tотк — время отключения к. з., состоящее из времени действия защиты tз и времени отключения выключателя tв:

* 1 кал=4,1868 Дж по системе СИ.

Та — постоянная времени затухания апериодической составляющей, зависящая от соотношения между индуктивным и активным сопротивлениями цепи к. з. При расчетах в системе с. и. значением Та можно пренебречь. Более точные методы подсчета теплового импульса излагаются в [11].
По тепловому импульсу Вк и температуре шин до начала к. з. по рис. 3-10 определяют нагрев при к. з. ϑк и сравнивают его с допустимым по ПУЭ нагревом.
При известной (нормативной) температуре проводника при рабочем режиме и допустимой температуре нагрева при к. з. можно определить минимальное сечение проводника, термически стойкого при данном токе к. з.:
(3-16)
где Вк — тепловой импульс, А2-с; С — некоторая величина, зависящая от допустимой температуры и материалов проводника; рекомендуются следующие величины:
Шины медные . С = 171
Шины алюминиевые С = 88
Кабели до 10 кВ с бумажной изоляцией:
с медными жилами .. С = 141
с алюминиевыми жилами С = 85
Кабели и провода с поливинилхлоридной или резиновой изоляцией:
с медными жилами .. С = 123
с алюминиевыми жилами . С = 75

Проверка аппаратов на термическую стойкость производится по току термической стойкости It, заданному заводом- изготовителем.
Аппарат термически стоек, если Вк≤Itt, где t — расчетное
время термической стойкости по каталогу (1, 5, 10 с).
В настоящее время применяются быстродействующие релейные защиты, поэтому время прохождения тока к. з. невелико и аппараты, стойкие электродинамически, оказываются стойкими и в термическом отношении. Как показывает практика проектирования, аппараты с большими номинальными токами (более 1000 А) в проверке на термическую стойкость не нуждаются.

в) Ограничение токов к. з.

Необходимость выбора аппаратов и токоведущих частей электроустановок, электродинамически и термически стойких к токам к. з., приводит к завышению сечения шин и кабелей и утяжелению аппаратуры в том случае, когда токи к. з. велики. Последнее имеет место в мощных энергосистемах и на электростанциях с крупными генераторами. Уменьшение тока к. з. позволяет облегчить аппаратуру распределительных устройств и уменьшить сечение шин и кабелей, что снижает капитальные затраты на сооружение электроустановки.

Ограничение токов к. з. достигается путем раздельной работы трансформаторов и питающих линий. Раздельная работа генераторов приводит к значительному уменьшению токов к. з., но этот режим во многих случаях не оправдывается из технико-экономических соображений (надежность, экономичность, значение резервной мощности). Для ограничения токов к. з. в системе собственных нужд станции исключают параллельную работу трансформаторов, питающих отдельные секции. Так, если два трансформатора питают две секции с. н., соединенные между собой, то при к. з. на одной из секций результирующее сопротивление двух параллельно включенных трансформаторов
Если же исключить параллельную работу трансформаторов, то
где хт— сопротивление одного трансформатора.
Таким образом, во втором случае сопротивление цепи к. з. вдвое больше, поэтому ток к. з. будет уменьшен.
К такому же эффекту приводит применение трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения, которые имеют вдвое большее сопротивление каждой ветви по сравнению с трансформаторами такой же мощности, но без расщепления обмоток (см. расчетные формулы по табл. 3-1).
Для искусственного увеличения сопротивления короткозамкнутой цепи широко применяют реакторы. Реактор — это катушка без стального сердечника с изолированными витками, укрепленными в бетонном каркасе (возможно применение масляных реакторов). Реактор обладает значительным индуктивным и малым активным сопротивлением. Применяют самые разнообразные схемы включения реакторов на электрических станциях, подробное описание которых будет дано в гл. 5.
Реакторы не только снижают ток к. з., но одновременно служат и для предотвращения недопустимого снижения напряжения на шинах, откуда питается реактированная линия.
Сопротивление реактора выбирают из условия ограничения тока к. з. до некоторого допустимого значения Iк.доп. Если не учитывать сопротивления до реактора, то из формулы (3-4)
(3-17)
где Iн.р — номинальный ток реактора по каталогу; Iк.доп — допустимый ток к. з. за реактором по условию установки определенного типа выключателя или по условию выбора сечения кабелей.
Полученное по формуле (3-17) значение хр % округляется до ближайшего стандартного.

Читайте так же:
Расчет тепловых импульсов от токов кз


Вопросы для повторения

Закон полного тока простыми словами

Какую зависимость устанавливает закон полного тока для магнитного поля. Формулировка закона простым языком и все необходимые формулы для расчета.

Знакомый многим предмет под названием «Электротехника» содержит в своей программе ряд основополагающих законов, определяющих принципы физического взаимодействия для магнитного поля. Они распространяют свое действие на различные элементы электротехнических устройств, а также на входящие в их состав структуры и среды. Физика происходящих в них процессов касается таких базовых понятий, как потоки электричества и поля. Закон полного тока устанавливает зависимость между перемещением электрических зарядов и создаваемым им магнитным полем (точнее – его напряженностью). Современная наука утверждает, что его применение распространяется практически на все среды.

Суть закона

Рассматриваемый закон, применимый в магнитных цепях, определяет следующую количественную связь между входящими в него составляющими. Циркуляция вектора магнитного поля по замкнутому контуру пропорциональна сумме токов, пронизывающих его. Чтобы понять физический смысл закона полного тока – потребуется ознакомиться с графическим представлением описываемых им процессов.

Из рисунка видно, что около двух проводников с протекающими по ним токами I1 и I2 образуется поле, ограниченное контуром L. Оно вводится как мысленно представляемая замкнутая фигура, плоскость которой пронизывают проводники с движущимися зарядами. Простыми словами этот закон можно выразить так. При наличии нескольких потоков электричества через мысленное представляемую поверхность, охватываемую контуром L, в ее пределах формируется магнитное поле с заданным распределением напряженности.

За положительное направление движения вектора в соответствии с законом для контура магнитной цепи выбирается ход часовой стрелки. Оно также является мысленно представляемым.

Такое определение создаваемого токами вихревого поля предполагает, что направление каждого из токов может быть произвольным.

Для справки! Вводимую полевую структуру и описывающий ее аппарат следует отличать от циркуляции электростатического вектора «Е», который при обходе контура всегда равен нулю. Вследствие этого такое поле относится к потенциальным структурам. Циркуляция же вектора «В» магнитного поля никогда не бывает нулевой. Именно поэтому оно называется «вихревым».

Основные понятия

В соответствии с рассматриваемым законом для расчета магнитных полей применяется следующий упрощенный подход. Полный ток представляется в виде суммы нескольких составляющих, протекающих через поверхность, охватываемую замкнутым контуром L. Теоретические выкладки могут быть представлены следующим образом:

  1. Полный электрический поток, пронизывающих конур Σ I – это векторная сумма I1 и I2.
  2. В рассматриваемом примере для его определения используется формула:
    ΣI = I1- I2 (минус перед вторым слагаемым означает, что направления токов противоположны).
  3. Они, в свою очередь, определяются по известному в электротехнике закону (правилу) буравчика.

Напряженность магнитного поля вдоль контура вычисляется на основании полученных выкладок по специальным методикам. Для ее нахождения придется проинтегрировать этот параметр по L, используя уравнение Максвелла, представленное в одной из форм.Оно может быть применено и в дифференциальной форме, но это несколько усложнит выкладки.

Влияние среды

Рассмотренные отношения для закона токов и полей, действующих не в вакууме, а в магнитной среде, приобретают несколько иной вид. В этом случае помимо основных токовых составляющих вводится понятие микроскопических токов, возникающих в магнетике, например, или в любом подобном ему материале.

Нужное соотношение в полном виде выводится из теоремы о векторной циркуляции магнитной индукции B. Простым языком она выражается в следующем виде. Суммарное значение вектора B при интегрировании по выбранному контуру равно сумме охватываемых им макро токов, умноженной на коэффициент магнитной постоянной.

Читайте так же:
Ограничитель тока короткого замыкания с тепловым взводом икзтв гефест

В итоге формула для «В» в веществе определяется выражением:

Интеграл от B по dL = интегралу от Bl по dL= m(I+I1)

где: dL – дискретный элемент контура, направленный вдоль его обхода, Вl– составляющая в направлении касательной в произвольной точке,бI и I1 – ток проводимости и микроскопический (молекулярный) ток.

Если поле действует в среде, состоящей из произвольных материалов – должны учитываться микроскопические токи, характерные именно для этих структур.

Эти выкладки также верны для поля, создаваемого в соленоиде или в любой другой среде, обладающей конечной магнитной проницаемостью.

Для справки

В самой полной и объемлющей системе измерений СГС напряженность магнитного поля представляется в эрстедах (Э). В другой действующей системе (СИ) она выражается в амперах на один метр (А/метр). Сегодня эрстед постепенно вытесняется более удобной в работе единицей – ампером на метр. При переводе результатов измерений или расчетов из СИ в СГС используется следующее соотношение:

1 Э = 1000/(4π) А/м ≈ 79,5775 Ампер/метр.

В заключительной части обзора отметим, что независимо от того, какая используется формулировка закона полных токов – суть его остается неизменной. Своими словами это можно представить так: он выражает отношения между токами, пронизывающими данный контур и создаваемыми в веществе магнитными полями.

По какому закону определяется тепловое действие тока

Судебно-медицинская экспертиза электротравмы

Электрическая травма – результат действия на живой организм технического (от силовой и осветительной сети) и атмосферного (молния) электричества.

1. Поражение техническим электричеством

Преимущественно эти несчастные случаи в быту и на производстве встречаются вследствие нарушения техники безопасности, технической неисправности электрооборудования, приборов и электроаппаратуры, повреждения электроизоляции. Случаи убийства и самоубийства электротоком редки.

Судебно-медицинская экспертиза проводится и в случаях необходимости определения степени утраты трудоспособности у лиц, пораженных электротоком.

Факторы и условия действия технического электричества на организм

Поражающее действие электротока на организм обусловлено его физическими свойствами, условиями действия и состоянием организма.

Чаще поражение электротоком наступает вследствие прямого контакта с токонесущим объектом, реже – на небольшом расстоянии от источника тока (например, шаговое напряжение, действующее в зоне упавшего провода высоковольтной сети на расстоянии нескольких шагов).

Физические свойства электрического тока определяются его напряжением, силой, типом и частотой. Низкое напряжение тока – 110–220 В, высокое – свыше 250 В. На электрических железных дорогах напряжение достигает 1500–3000 В. Преимущественно наблюдаются случаи поражения током низкого напряжения, с которыми человек чаще контактирует в быту и на производстве.

Сила тока в 50 мА опасна для жизни, а при силе свыше 80– 100 мА наступает смертельный исход.

По типу различают переменный и постоянный ток. Поражение переменным током встречается чаще. Переменный ток напряжением до 500 В опаснее постоянного. Последний более вреден при напряжении свыше 5000 В.

Опасен переменный низкочастотный ток (40–60 колебаний в секунду). Токи высокой частоты (от 10 тыс. до 1 млн Гц и больше) не опасны для организма и применяются в медицинской практике при проведении физиотерапевтических процедур.

Приведенные цифры не абсолютны. Существенное значение имеют условия действия тока.

Условия действия тока. К ним относятся: величина сопротивления тканей тела, площадь и плотность контакта с электропроводником, время воздействия тока, путь прохождения тока в теле.

Сопротивление тела обусловлено влажностью кожи, ее толщиной, кровенаполнением, состоянием внутренних органов.

Сопротивление кожи колеблется от 50 000 до 1 млн Ом. Резко снижается сопротивление влажной кожи. Плохо защищает от электротока влажная одежда. Сопротивление внутренних органов (особенно головного мозга и сердца) намного ниже сопротивления кожи. Поэтому прохождение тока через органы с небольшим сопротивлением очень опасно, особенно при включении в электрическую цепь обеих рук, систем «голова – ноги», «левая рука – ноги».

Существует понятие о токоопасных помещениях – с повышенной влажностью (бани, умывальные комнаты, землянки и др.).

Чем плотнее контакт с токонесущим проводником и продолжительнее время воздействия тока, тем больше его поражающее действие.

Существенное значение имеет состояние организма. Сопротивление току снижено у детей и стариков, больных, утомленных, находящихся в состоянии алкогольного опьянения.

Механизм действия электротока на организм

Электрический ток оказывает тепловое действие – от местных ожогов до обугливания, механическое – повреждение тканей от судорожных сокращений мышц, при отбрасывании тела от проводника и электрическое – электролиз тканевых жидкостей.

При несмертельных повреждениях могут наблюдаться расстройства со стороны нервной системы (параличи), органов зрения и слуха. Иногда поражение электрическим током сопровождается глубокой потерей сознания.

Характерные признаки поражения электричеством:

1) наличие электрометок;

2) анизокория (различный размер зрачков);

3) «вареные мышцы» по ходу движения тока;

4) повышенное давление спинномозговой жидкости.

Специфическим признаком поражения электротоком являются электрометки. Они возникают от контакта с токонесущим проводником обычно при напряжении тока 100–250 В и выделяющейся при этом температуре не выше 120 °C. В 10–15 % случаев электрометки не образуются (особенно на участках влажной и тонкой кожи).

Типичная электрометка представляет собой повреждение в виде образований округлой или овальной формы, серовато-белого, бледно-желтоватого цвета с валикообразными краями и западающим центром, обычно без признаков воспаления, иногда с отеком тканей вокруг и налетом частичек металла, отслоением эпидермиса. Размеры электрометок обычно в пределах 1 см.

Читайте так же:
Тепловое реле для розетки

Ожоги от действия тока высокого напряжения могут быть большой площади. Металлизация электрометки в зависимости от металлов, входящих в состав проводника, придает ей соответствующую окраску. В электрометке может отражаться форма проводника. Электрометки могут иметь различную локализацию, но чаще они располагаются на ладонях и подошвенных поверхностях стоп.

Характерна микроскопическая картина электрометки. Диагностику электрической метки в значительной степени облегчает выявление в ней металлов электропроводника методами цветных отпечатков, микрокристаллическими реакциями, спектрографическими и другими лабораторными исследованиями. Конфигурация следообразующей части проводника, кроме методов цветных отпечатков, может быть выявлена с помощью электронно-оптического преобразователя (исследование в инфракрасных лучах).

Электрометки бывают различной формы и степени выраженности.

Нетипичные электрометки имеют вид ссадин, кровоизлияний, татуировок, ожогов, омозоления и др. Все подозрительные участки, которые могут быть электрометкой, иссекают для дальнейшего лабораторного исследования.

В карманах пострадавшего могут быть обнаружены оплавленные металлические предметы. От действия электротока оплавливаются металлические принадлежности одежды и обуви, возникают разрыв и опадение одежды.

При вскрытии трупа выделяются признаки быстро наступившей смерти, косвенно свидетельствующие о смерти от электротравмы, – нарушение кровообращения и проницаемости стенок кровеносных сосудов, отек внутренних органов, мелкоточечные кровоизлияния в оболочки и в вещество головного мозга и др. Тепловое действие токов высокого напряжения проявляется обширными ожогами тела, вплоть до обугливания. Наибольшую трудность для диагностики представляют случаи электротравмы без каких-либо ее проявлений или при наличии сопутствующих повреждений другого происхождения (например, при падении со столба электропередач, крыши вагона и т. д.).

Предполагая электротравму, следователю необходимо квалифицированно произвести осмотр места обнаружения трупа с участием судебно-медицинского эксперта и специалиста-электротехника.

С этой целью важно установить источник электрической энергии, выявить обстановку и условия, способствующие электротравме, характер контакта с проводником и убедиться в том, что труп отключен от источника тока. При осмотре трупа необходимо обратить внимание на состояние одежды, ее металлических атрибутов, наличие на теле электрометок. Судебно-медицинскому эксперту должны быть представлены для использования и результаты электротехнической экспертизы.

2. Поражение атмосферным электричеством

Поражение атмосферным электричеством наблюдается в период повышенной грозовой деятельности. Молния – мощный заряд атмосферного электричества (напряжением в миллионы вольт и силой до 1 000 000 А), поражающий как на открытом воздухе, так и в помещении, палатке, на транспорте. Чаще она поражает людей, находящихся вблизи высоких предметов, электроаппаратуры и других токопроводящих объектов.

Возможны как смертельные, так и несмертельные поражения. Повреждения от молнии возникают вследствие ее механического и теплового воздействия. При этом выявляются разрывы ткани одежды и пробоины в ней, ее обгорание, оплавление металлических предметов. Иногда одежда разрывается в клочья и разбрасывается.

Для поражения молнией характерны опадение волос, ожоги тела различной площади и глубины, а также «фигуры молнии» на кожных покровах в виде древовидных разветвлений красноватого цвета. «Фигуры молнии» к концу первых суток обычно исчезают. В то же время какие-либо следы поражающего действия молнии на одежде и теле могут отсутствовать.

Большое значение для судебно-медицинской диагностики случаев поражения молнией имеет детальный осмотр места происшествия и трупа. На месте происшествия могут быть обнаружены расщепленные и обгоревшие деревья, поврежденные постройки, спекшиеся комья земли и песка, следы разрушений и пожара в помещении, деформированные и оплавленные металлические предметы.

При осмотре трупа обращается внимание на наличие разрывов одежды, ее обгорания, оплавления металлических предметов, а также характерных для воздействия молнии повреждений на теле.

Опасность электрического тока для человека и последствия

В быту и на производстве мы сталкиваемся с различными электроприборами, электроустановками. Соблюдая правила электробезопасности и обладая знаниями в данной сфере можно уменьшить вероятность попадания под опасное воздействие электрического тока и напряжения.

В данном вопросе объединяются знания инженерного и медицинского характера, применение которых в комплексе, увеличит результат по снижению уровня электротравм дома и на производстве.

Действие электрического тока на организм человека

Ток, в отличие от других опасных сред, не обладает цветом, запахом, невидим.

Электрический ток оказывает следующие виды воздействия на организм человека: термическое, электролитическое, биологическое. Рассмотрим каждое из этих воздействий более подробно.

Термическое воздействие заключается в ожогах участков тела, нагреве сосудов и нервных окончаний. Этот вид действия называют еще тепловым. Потому что тепловая энергия, полученная из электрической образует ожоги.

Электролитическое воздействие приводит к разложению крови и других жидкостей в организме посредством процесса электролиза, что вызывает нарушения в физико-химическом составе этих жидкостей. Суть повреждений сводится к молекулярному уровню – загустевание крови, изменение заряда белков, паро- и газообразование в организме.

Биологическое воздействие электротока на организм сопровождается раздражением и возбуждением органов. Это вызывает судороги, сокращения.

В случае с сердцем и легкими это воздействие может привести к летальному исходу по причине прекращения деятельности органов дыхания и сердца.

Биологическое воздействие вызывает механические повреждения органов, суставов человека. Также механические повреждения может вызвать падение человека с высоты из-за воздействия электрического тока.

Опасная, безопасная и смертельная сила тока для человека

Нельзя считать какую-либо величину тока безопасной для человека. Существует лишь более и менее опасная величина электротока. Каждый человек имеет внутреннее сопротивление, на величину которого влияет множество факторов (толщина кожи, влажность помещения и тела человека, путь протекания тока).

Читайте так же:
Тепловая защита двигателей переменного тока

Самым опасным путем протекания тока является направление нога-голова, рука-голова, так как при этом путь идет через сердце, мозг, органы дыхания. А большая величина тока может вызвать остановку сердца и остановку дыхания. Именно эти причины являются наиболее вероятными причинами летальных исходов при протекании электротока.

Считается, что постоянный ток более безопасный, чем переменный в сетях до 500В. При напряжении выше 500 вольт опасность постоянного тока возрастает.

Частота сети влияет на степень тяжести электротравмы. Промышленная частота в 50 Гц является более опасной, чем частота в 500Гц. При высокой частоте наблюдается так называемый «скин-эффект», когда ток проходит не по всему проводнику, а лишь по его поверхности. А значит, внутренние органы напрямую не затрагиваются.

Также на степень опасности воздействия тока на человека влияет продолжительность нахождения человека под воздействием тока. Здесь зависимость линейная – чем дольше, тем больше разрушений и неблагоприятных последствий.

Приведем пороговые значения переменного и постоянного тока и возможные реакции организма на эти воздействия:

смертельная сила тока для человека

Проходя через человеческое тело, ток может создавать электрические травмы или электрические удары.

Электрический удар подразумевает, что ток возбуждает ткани организма, что вызывает их сокращение и судороги. Существует 4 группы электроударов: судороги, судороги с потерей сознания, потеря сознания с нарушением дыхания и работы сердца, клиническая смерть.

При электрической травме ток наносит прямые повреждения тканям и органам человека. Это могут быть электрические ожоги, металлизация кожи, электрические метки и механические повреждения.

Электрические ожоги бывают токовыми и дуговыми. Действие токового ожога связано с прохождением тока через тело человека. Дуговой ожог возникает между человеком и проводником электротока высокого напряжения, вследствие возникновения дуги между ними. Температура дуги может достигать тысяч градусов по Цельсию. Такой ожог гораздо опаснее и может плюс ко всему сопровождаться возгоранием одежды пострадавшего.

Металлизация кожи происходит, когда под действием тока в кожу попадают частицы металла, при этом проводимость кожи увеличивается, что повышает травмоопасность.

Электрические метки – это места, через которые ток входит и выходит из тела человека. Наиболее часто встречаются на ногах и руках.

В любом случае следует стараться избегать касания токоведущих частей проводящими предметами (ловить рыбу под ЛЭП, нести стремянку вблизи шин напряжения), не использовать провода и кабели с ослабленной изоляцией, соблюдать правила безопасности при нахождении и работе в электроустановках. Берегите здоровье себя и своих родных.

По какому закону определяется тепловое действие тока

Из закона Ома вытекает, что замыкать обычную осветительную сеть проводником малого сопротивления опасно. Сила тока окажется настолько большой, что это может иметь тяжелые последствия.

Закон Ома: кто придумал, определение

Закон Ома — это основной закон электродинамики, который выводит взаимосвязь между ключевыми понятиями электрической цепи: силой тока, напряжением и сопротивлением.

Данную взаимозависимость выявил немецкий физик Георг Симон Ом в 1826 году. Несмотря на то, что этот закон является истинным законом природы, точность которого была многократно проверена и доказана позже, публикация работы Ома в 1827 году прошла незамеченной для научной общественности. И лишь в 1830-х гг., когда французский физик Пулье пришел к тем же самым выводам, что и Ом, работа немецкого ученого была оценена по достоинству.

Георг Симон Ом

Установление закономерностей между основными параметрами электроцепи имеет огромное значение для науки. Ведь оно позволило количественно измерить свойства электрического тока.

Сила тока на участке цепи прямо пропорционально напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Формулировки и основные формулы

Закон Георга Ома формулируется так: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению в проводнике и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника.

Пояснения к закону:

  1. Чем выше напряжение в проводнике, тем выше будет и сила тока в этом проводнике.
  2. Чем выше сопротивление проводника, тем меньше будет сила тока в нем.

Обозначение основных параметров, характеризующих электроцепь, известны всем с уроков физики в школе:

  • I — сила электротока;
  • U — напряжение;
  • R — сопротивление.

Объяснение закона Ома в классической теории

Формула закона, известная всем со школьных лет, выглядит так:

Из нее легко выводятся формулы для определения UU:

и для определения RR:

Единицами измерения силы тока являются амперы, напряжения — вольты, сопротивление измеряется в омах.

Данный закон верен для линейного участка цепи, на котором зафиксировано стабильное сопротивление.

Закон Ома

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи

Замкнутой или полной называется такая электрическая цепь, по которой проходит электроток.

Описание формулы этого закона для полной цепи выглядит так:

где ϵ — это электродвижущая сила или напряжение источника питания, которое не зависит от внешней цепи;

R — сопротивление внешней цепи;

r — внутреннее сопротивление источника.

Закон Ома для полной цепи

Использование закона Ома при параллельном и последовательном соединении

При последовательном соединении элементы цепи подключаются друг за другом последовательно. Так как такая электрическая цепь является неразветвленной, сила тока на каждом ее участке будет одинаковая. Пример последовательного соединения — лампочки в новогодней гирлянде.

При последовательном соединении элементов основные параметры электроцепи рассчитываются следующим образом:

  • Сила тока по формуле:

Где I — общая сила тока в электроцепи, I1 — сила тока первого участка, I2 — сила тока второго участка, I3 — сила тока третьего участка.

  • Напряжение по формуле:
Читайте так же:
Принцип работы автоматического выключателя с тепловым расцепителем

Где U — общее напряжение, U1 — напряжение первого участка, U2 — напряжение второго участка, U3 — напряжение третьего участка.

  • Сопротивление согласно формуле:

Где R — общее сопротивление в цепи, R1 — сопротивление первого участка, R2 — сопротивление второго участка, R3 — сопротивление третьего участка.

Подключая элементы в цепь параллельно, получают разветвленную электрическую цепь. Примером такого соединения является стандартная разводка электричества по квартире, когда в комнате одновременно можно включить несколько предметов бытовой техники и верхнее освещение.

При параллельном соединении элементов основные параметры электроцепи рассчитываются следующим образом:

  • Сила тока:

Где I — общая сила тока в электроцепи, I1, I2, I3 — сила тока первого, второго и третьего участков соответственно.

  • Напряжение:

Где U — общее напряжение, U1, U2, U3 — напряжение первого, второго и третьего участков соответственно.

  • Сопротивление:

Где R — общее сопротивление в цепи, R1, R2, R3 — сопротивление первого, второго и третьего участков соответственно.

Закон Ома для переменного и постоянного тока

Для цепи постоянного тока правильными будут уже озвученные нами взаимосвязи основных параметров электроцепи:

Закон Ома для постоянного тока

При подключении к электроцепи источника переменного тока, сила электротока в цепи будет определяться по формуле:

где Z — полное сопротивление или импеданс, который состоит из активной (R) и реактивных составляющих (XC — сопротивление емкости и XL — сопротивление индуктивности).

Реактивное сопротивление цепи зависит:

  • от значений реактивных элементов,
  • от частоты электротока;
  • от формы тока в цепи.

Закон Ома для переменного тока

Закон Ома для однородного и неоднородного участка цепи

Закон Ома для однородного участка электроцепи представляет собой классическое выражение зависимости силы от напряжения и сопротивления:

В этом случае основной характеристикой проводника является сопротивление. От внешнего вида проводника зависит, как выглядит его кристаллическая решетка и какое количество атомов примесей содержит. От проводника зависит поведение электронов, которые могут ускоряться или замедляться.

Поэтому R зависит от вида проводника, точнее, от его сечения, длины и материала и определяется по формуле:

где p — удельное сопротивление, l — это длина проводника, а S— площадь его сечения.

Под неоднородным участком цепи постоянного тока подразумевается такой промежуток цепи, на который помимо электрических зарядов воздействуют другие силы.

Закон Ома для неоднородного участка цепи

Как можно было убедиться, закон, открытый Георгом Омом, прост только на первый взгляд. Разобраться во всех тонкостях самостоятельно под силу далеко не каждому.

Где и когда можно применять закон Ома?

Закон Ома в упомянутой форме справедлив в достаточно широких пределах для металлов. Он выполняется до тех пор, пока металл не начнет плавиться. Менее широкий диапазон применения у растворов (расплавов) электролитов и в сильно ионизированных газах (плазме).

Работая с электрическими схемами, иногда требуется определять падение напряжения на определенном элементе. Если это будет резистор с известной величиной сопротивления (она проставляется на корпусе), а также известен проходящий через него ток, узнать напряжение можно с помощью формулы Ома, не подключая вольтметр.

Значение Закона Ома простыми словами

Закон Ома определяет силу тока в электрической цепи при заданном напряжении и известном сопротивлении.

Он позволяет рассчитать тепловые, химические и магнитные действия тока, так как они зависят от силы тока.

Закон Ома является чрезвычайно полезным в технике(электронной/электрической), поскольку он касается трех основных электрических величин: тока, напряжения и сопротивления. Он показывает, как эти три величины являются взаимозависимыми на макроскопическом уровне.

Если бы было можно охарактеризовать закон Ома простыми словами, то наглядно это выглядело бы так:

Закон Ома простыми словами

Из закона Ома вытекает, что замыкать обычную осветительную сеть проводником малого сопротивления опасно. Сила тока окажется настолько большой, что это может иметь тяжелые последствия.

Как понять закон Ома?

Чтобы интуитивно понять закон Ома, обратимся к аналогии представления тока в виде жидкости. Именно так думал Георг Ом, когда проводил опыты, благодаря которым был открыт закон, названный его именем.

Представим, что ток – это не движение частиц-носителей заряда в проводнике, а движение потока воды в трубе. Сначала воду насосом поднимают на водокачку, а оттуда, под действием потенциальной энергии, она стремиться вниз и течет по трубе. Причем, чем выше насос закачает воду, тем быстрее она потечет в трубе.

Отсюда следует вывод, что скорость потока воды (сила тока в проводе) будет тем больше, чем больше потенциальная энергия воды (разность потенциалов)

Сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Теперь обратимся к сопротивлению. Гидравлическое сопротивление – это сопротивление трубы, обусловленное ее диаметром и шероховатостью стенок. Логично предположить, что чем больше диаметр, тем меньше сопротивление трубы, и тем большее количество воды (больший ток) протечет через ее сечение.

Сила тока обратно пропорциональна сопротивлению.

Такую аналогию можно проводить лишь для принципиального понимания закона Ома, так как его первозданный вид – на самом деле довольно грубое приближение, которое, тем не менее, находит отличное применение на практике.

В действительности, сопротивление вещества обусловлено колебанием атомов кристаллической решетки, а ток – движением свободных носителей заряда. В металлах свободными носителями являются электроны, сорвавшиеся с атомных орбит.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector