Azotirovanie.ru

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

ИНФОФИЗ — мой мир

ИНФОФИЗ — мой мир.

Все знают, что это невозможно. Но вот приходит невежда, которому это неизвестно — он-то и делает открытие.

Альберт Эйнштейн

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Я учу детей тому, как надо учиться

Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.

Урок 27. Лекция 27-1. Электрический ток, его характеристики. Сопротивление. Закон Ома.

  • Печать
  • E-mail

Проводники отличаются от диэлектриков тем, что в них есть свободные заряды, которые могут перемещаться по всему объему проводника.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле , то на свободные заряды qв проводнике будет действовать сила . В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, не скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника равно нулю.

Однако, в проводниках может при определенных условиях возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током.

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.

За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов.

В металлах носителями зарядов являются электроны — отрицательно заряженные частицы, поэтому электрический ток в металлах всегда направлен против дижения электронов.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I.

Сила токаскалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Сила тока численно равна количеству зарядов, прошедших через поперечное сечение проводника за 1 секунду.

Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике
I — сила тока, S – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле.

Единица измерения силы тока в Международной системе единиц СИ ампер [А].

Прибор для измерения силы тока называется амперметр.

Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток.

На схемах электрических цепей амперметр обозначается .

Амперметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. Внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называетсяпостоянным.

Кратковременный ток в проводнике можно получить, если соединить этим проводником два заряженных проводящих тела, которые имеют различный потенциал. Ток в проводнике исчезнет, когда потенциал тел станет одинаковым. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем и длительное время поддерживать электрическое поле.

Условия существования электического тока:

1. Наличие свободных зарядов внутри проводника,

2. Наличие разности потенциалов на концах проводника (создание электрического поля внутри проводника)

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создается электрическим полём, а оно при этом совершает работу. Работа токаэто работа сил электрического поля, создающего электрический ток.

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. При перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы.

Работа электростатических сил при перемещении единичного заряда равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Величину U12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2.

Напряжениеэто физическая величина, характеризующая действие электрического поля на заряженные частицы, численно равно работе электрического поля по перемещению заряда из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2.


В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов: U12 = φ1 – φ2

Единица измерения напряжения в Международной системе единиц СИ вольт [В].

Прибор для измерения напряжения называется вольтметр.


Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов.

На схемах электрических цепей амперметр обозначается .

Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RB. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Аналогично тому, как трение в механике препятствует движению, сопротивление проводника создает противодействие направленному движению зарядов и определяет превращение электрической энергии во внутреннюю энергию проводника. Причина сопротивления: столкновение свободно движущихся зарядов с ионами кристаллической решетки.

Величина, характеризующая противодействие электрическому току в проводнике, которое обусловлено внутренним строением проводника и хаотическим движением его частиц, называется электрическим сопротивлением проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом [Ом]. Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Электрическое сопротивление проводника зависит от размеров и формы проводника и от материала, из которого изготовлен проводник.

S – площадь поперечного сечения проводника
l – длина проводника
ρ – удельное сопротивление проводника.

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения.

Величину ρ, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением проводника. Оно численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью сечения 1 мм 2 , изготовленного из данного вещества. Единица удельного сопротивления в СИ [1 Ом*м = 1 Ом*мм 2 /м]

Читайте так же:
Идеализированный пассивный элемент преобразующий энергию электрического тока в тепло

Сопротивление проводника зависит и от его состояния, а именно от температуры.

Эта зависимость выражается формулой или

α – температурный коэффициент сопротивления. Для всех чистых металлов .

При нагревании чистых металлов их сопротивление увеличивается, а при охлаждении – уменьшается.

Закон Ома для участка цепи.

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными.

Графическая зависимость силы тока I от напряжения U называется вольт-амперная характеристика (сокращенно ВАХ). Она изображается прямой линией, проходящей через начало координат.

По вольт-амперной характеристике проводника можно судить о его сопротивлении: чем больше угол наклона графика к оси напряжения, тем меньше сопротивление проводника.

Электрический ток в металлах

Электрическим током в металлах называют упорядоченное движение электронов под действием электрического поля.

Исходя из опытов, видно, что металлический проводник вещество не переносит, то есть ионы металла не участвуют в передвижении электрического заряда.

Носители тока в металлах

При исследованиях были получены доказательства электронной природы тока в металлах. Еще в 1913 году Л.И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси выдали первые качественные результаты. А в 1916 году Р. Толмен и Б. Стюарт модернизировали имеющуюся методику и выполнили количественные измерения, которые доказывали, что движение электронов происходит под действием тока в металлических проводниках.

Рисунок 1 . 12 . 1 показывает схему Толмена и Стюарта. Катушка, состоящая из большого количества витков тонкой проволоки, приводилась в действие при помощи вращения вокруг своей оси. Ее концы были прикреплены к баллистическому гальванометру Г. Производилось резкое торможение катушки, что было следствием возникновения кратковременного тока, обусловленного инерцией носителя заряда. Измерение полного заряда производилось при помощи движения стрелок гальванометра.

Рисунок 1 . 12 . 1 . Схема опыта Толмена и Стюарта.

Во время торможения вращающейся катушки сила F = — m d υ d t , называемая тормозящей, действовала на каждый носитель заряда е . F играла роль сторонней силы, иначе говоря, неэлектрического происхождения. Именно эта сила, характеризующаяся единицей заряда, является напряженностью поля сторонних сил E с т :

E с т = — m e d υ d t .

То есть при торможении катушки происходит возникновение электродвижущей силы δ , равной δ = E с т l = m e d υ d t l , где l – длина проволоки катушки. Определенный промежуток времени процесса торможения катушки обусловлен протеканием по цепи заряда q :

q = ∫ I d t = 1 R ∫ δ d t = m e l υ 0 R .

Данная формула объясняет, что l – это мгновенное значение силы тока в катушке, R – полное сопротивление цепи, υ 0 – начальная линейная скорость проволоки. Видно, что определение удельного заряда e m в металлах производится, исходя из формулы:

Величины, находящиеся с правой стороны, можно измерить. Основываясь на результатах опытов Толмена и Стюарта, установили, что носители свободного заряда имеют отрицательный знак, а отношение носителя в его массе близко по значению удельного заряда электрона, получаемого в других опытах. Было выявлено, что электроны – это носители свободных зарядов.

Современные данные показывают, что модуль заряда электрона, то есть элементарный заряд, равняется e = 1 , 60218 · 10 — 19 К л , а обозначение его удельного заряда – e m = 1 , 75882 · 10 11 К л / к г .

При наличии отличной концентрации свободных электронов есть смысл говорить о хорошей электропроводимости металлов. Это выявили еще перед опытами Толмена и Стюарта. В 1900 году П. Друде, основываясь на гипотезе о существовании свободных электронов в металлах, создал электронную теорию проводимости металлов. Ее развил и расширил Х. Лоренц, после чего она получила название классическая электронная теория. На ее основании поняли, что электроны ведут себя как электронный газ, похожий на идеальный по своему состоянию. Рисунок 1 . 12 . 2 показывает, каким образом он может заполнить пространство между ионами, которые уже образовали кристаллическую решетку металла.

Рисунок 1 . 12 . 2 . Газ свободных электронов в кристаллической решетке металла. Показана траектория одного из электронов.

Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке

После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.

Высота такого барьера получила название работы выхода.

Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.

Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.

Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.

По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υ т ¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.

Комнатная температура дает значение, равное 10 5 м / с .

Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υ д ¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆ t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме S υ д ∆ t .

Количество таких е равняется n S υ д ∆ t , где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆ t через сечение проводника проходит заряд ∆ q = e n S υ д ∆ t .

Тогда I = ∆ q ∆ t = e n S υ д или υ д = I e n S .

Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 10 28 — 10 29 м — 3 .

Формула дает возможность оценить среднюю скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке 0 , 6 — 6 м м / с для проводника с сечением 1 м м 2 и проходящим током в 10 А .

Читайте так же:
Автоматические выключатели с тепловым отключением

Средняя скорость υ д ¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υ т их теплового движения υ д ≪ υ т .

Рисунок 1 . 12 . 3 демонстрирует характер движения свободного е , находящегося в кристаллической решетке.

Рисунок 1 . 12 . 3 . Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υ д ¯ ∆ t сильно преувеличены.

Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c = 3 · 10 8 м / с . По прошествии времени l c ( l — длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.

Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.

Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.

Закон Ома

В промежутке между соударениями на электрон действует сила, равняющаяся по модулю e E , в результате чего получает ускорение e m E .

Конец свободного пробега характеризуется дрейфовой скоростью электрона, которую определяют по формуле

υ д = υ д m a x = e E m τ .

Время свободного пробега обозначается τ . Оно способствует упрощению расчетов для нахождения значения всех электронов. Средняя скорость дрейфа υ д равняется половине максимального значения:

υ д = 1 2 υ д m a x = 1 2 e E m τ .

Если имеется проводник с длиной l , сечением S с концентрацией электронов n , тогда запись нахождения тока в проводнике имеет вид:

I = e n S υ д = 1 2 e 2 τ n S m E = e 2 τ n S 2 m l U .

U = E l – это напряжение на концах проводника. Формула выражает закон Ома для металлического проводника. Тогда электрическое сопротивление необходимо находить:

R = 2 m e 2 n τ l S .

Удельное сопротивление ρ и удельная проводимость ν выражаются как:

ρ = 2 m e 2 n τ ; ν = 1 ρ = e 2 n τ 2 m .

Закон Джоуля-Ленца

Конец пробега электронов под действием поля характеризуется кинетической энергией

1 2 m ( υ д ) m a x 2 = 1 2 e 2 τ 2 m E 2 .

Исходя из предположений, энергия при соударениях передается решетке, а в последствии переходит в тепло.

Время ∆ t каждого электрона испытывается ∆ t τ соударений. Проводник с сечение S и длиной l имеет n S l электронов. Тогда выделившееся тепло в проводнике за ∆ t равняется

∆ Q = n S l ∆ t τ e 2 τ 2 2 m E 2 = n e 2 τ 2 m S l U 2 ∆ t = U 2 R ∆ t .

Данное соотношение выражает закон Джоуля-Ленца.

Благодаря классической теории, имеет место трактовка существования электрического сопротивления металлов, то есть законы Ома и Джоуля-Ленца. Классическая электронная теория не в состоянии ответить на все вопросы.

Она не способна объяснить разницу в значении молярной теплоемкости металлов и диэлектрических кристаллов, равняющейся 3 R , где R записывается как универсальная газовая постоянная. Теплоемкость металла не зависит от количества свободных электронов.

Классическая электронная теория не объясняет температурную зависимость удельного сопротивления металлов. По теории ρ

T , а исходя из экспериментов – ρ

T . Примером расхождения теории с практикой служит сверхпроводимость.

Сопротивление металлического проводника

Исходя из классической теории, удельное сопротивление металлов должно постепенно уменьшаться при понижении температуры, причем остается конечным при любой T . Данная зависимость характерна для проведения опытов при высоких температурах. Если T достаточно низкая, тогда удельное сопротивление металлов теряет зависимость от температуры и достигает предельного значения.

Особый интерес представило явление сверхпроводимости. В 1911 году его открыл Х. Каммерлинг-Оннес.

Если имеется определенная температура T к р , различная для разных веществ, тогда удельное сопротивление уменьшается до нуля с помощью скачка, как изображено на рисунке 1 . 12 . 4 .

Критической температурой для ртути считается значение 4 , 1 К , для алюминия – 1 , 2 К , для олова – 3 , 7 К . Наличие сверхпроводимости может быть не только у элементов, но и у химических соединений и сплавов. Ниобий с оловом Ni 3 Sn имеют критическую точку температуры в 18 К . Существуют вещества, которые при низкой температуре переходят в сверхпроводящее состояние, тогда как в обычных условиях ими не являются. Серебро и медь являются проводниками, но при понижении температуры сверхпроводниками не становятся.

Рисунок 1 . 12 . 4 . Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах: a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Сверхпроводящее состояние говорит об исключительных свойствах вещества. Одним из важнейших является способность на протяжении длительного времени поддерживать электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи, без затухания.

Классическая электронная теория не может объяснить сверхпроводимость. Это стало возможным спустя 60 лет после его открытия, основываясь на квантово-механических представлениях.

Рост интереса к данному явлению увеличивался по мере появления новых материалов, способных обладать высокими критическими температурами. В 1986 было обнаружено сложное соединение с температурой T к р = 35 К . На следующий год сумели создать керамику с критической Т в 98 К , которая превышала Т жидкого азота ( 77 К ) .

Явление перехода веществ в сверхпроводящее состояние при Т , превышающих температуру кипения жидкого азота, называют высокотемпературной сверхпроводимостью.

Позже в 1988 году создали Tl — Ca — Ba — Cu — O соединение с критической Т , достигающей 125 К . На данный момент ученые заинтересованы в поиске новых веществ с наиболее высокими значениями T к р . Они рассчитывают на получение сверхпроводящего вещества при комнатной температуре. Если это будет сделано, произойдет революция в науке и технике. До настоящего времени все свойства и механизмы состава сверхпроводимых керамических материалов до конца не исследованы.

Путь протекания тока при электрическом ударе

Как мы уже узнали, электричеству для непрерывного протекания тока требуется полный замкнутый путь (цепь). Вот почему электрический удар, полученный от статического электричества, представляет собой лишь мгновенный толчок: протекание тока при нем обязательно кратковременное, пока между двумя объектами уравниваются статические заряды. Подобные самоограниченные электрические удары редко бывают опасными.

Читайте так же:
Единицы измерения силы тока напряжения сопротивления количества теплоты

Без двух точек контакта на теле для входа и выхода тока, соответственно, нет опасности поражения электрическим током. Вот почему птицы могут спокойно отдыхать на высоковольтных линиях электропередач, не подвергаясь электрическому удару: они контактируют с цепью только в одной точке.

Рисунок 1 Отсутствие поражения птицы электрическим током при высоком напряжении Рисунок 1 – Отсутствие поражения птицы электрическим током при высоком напряжении

Чтобы ток протекал по проводнику, должно присутствовать напряжение, которое побуждает его протекать. Напряжение, как вы должны помнить, всегда является относительной величиной между двумя точками. Не существует такого понятия, как напряжение «на» или «в» одной точке цепи, поэтому, когда птица контактирует с одной точкой в вышеуказанной цепи, к ее телу не прикладывается напряжение, необходимое, чтобы заставить ток течь через него.

Да, даже если птица опирается на две лапы, обе лапы касаются одного и того же провода, что делает их электрически общими. С точки зрения электричества, обе птичьи лапы касаются одной и той же точки, поэтому между ними нет напряжения, которое могло бы стимулировать ток протекать через тело птицы.

Это может привести к мысли, что невозможно получить удар электричеством, прикоснувшись только к одному проводу. Если мы будем, как птицы, в какой-либо момент касаться только одного провода, мы будем в безопасности, верно? К сожалению, это не так. В отличие от птиц, при контакте с «живым» проводом люди обычно стоят на земле.

Часто одна сторона энергосистемы будет намеренно подключена к заземлению, и поэтому человек, касающийся одного провода, фактически устанавливает контакт между двумя точками в цепи (провод и заземление):

Рисунок 2 Установление контакта между двумя точками в цепи при касании только одного ее провода Рисунок 2 – Установление контакта между двумя точками в цепи при касании только одного ее провода

Условное обозначение заземления – это набор из трех горизонтальных полос уменьшающейся ширины, расположенный в нижнем левом углу на схеме выше, а также у ступни человека, которого ударило током. В реальной жизни заземление энергосистемы представляет собой какой-то металлический проводник, закопанный глубоко в землю для максимального контакта с землей. Этот проводник электрически подключен к соответствующей точке в цепи толстым проводом. Заземление пострадавшего осуществляется через ноги, которые касаются земли.

В этот момент у студента обычно возникает несколько вопросов:

  • Если наличие точки заземления в цепи обеспечивает легкодоступную точку контакта, чтобы получить электрический удар, зачем оно вообще в цепи? Разве схема без заземления не была бы безопаснее?
  • Человек, которого ударило током, вероятно, не ходит босиком. Если резина и ткань являются диэлектрическими материалами, то почему обувь не защищает человека, предотвращая формирование цепи?
  • Насколько хорошим проводником может быть земля? Если вы можете получить удар электрическим током, проходящим через землю, почему бы не использовать землю в качестве проводника в наших цепях электропитания?

Отвечая на первый вопрос, наличие точки намеренного «заземления» в электрической цепи предназначено для обеспечения безопасного контакта с одной ее стороной. Обратите внимание, что если бы наш пострадавший на приведенном выше рисунке коснулся нижней стороны резистора, ничего бы не произошло, даже если бы его ноги всё еще касались земли:

Рисунок 3 Касание заземленной части цепи Рисунок 3 – Касание заземленной части цепи

Поскольку нижняя сторона цепи надежно соединена с землей через точку заземления в нижнем левом углу схемы, нижний провод цепи электрически соединен с землей. Поскольку между электрически общими точками не может быть напряжения, к человеку, контактирующему с нижним проводом, не будет приложено напряжение, и он не получит удар электрическим током.

По той же причине провод, соединяющий цепь с заземляющим стержнем/пластинами, обычно остается оголенным (без изоляции), и поэтому любой металлический объект, который его задевает, будет электрически общим с землей.

Заземление цепи гарантирует, что, по крайней мере, одна точка в цепи будет безопасна для прикосновения. Но как насчет того, чтобы оставить цепь полностью незаземленной? Разве это не сделало бы касание человека только одного провода таким же безопасным, как в случае с птицей, сидящей только на одном проводе? В идеале да. На практике нет. Посмотрим, что происходит без заземления:

Рисунок 4 Касание одной точки цепи, не имеющей заземления Рисунок 4 – Касание одной точки цепи, не имеющей заземления

Несмотря на то, что ноги человека всё еще соприкасаются с землей, любая точка цепи должна быть безопасной для прикосновения. Поскольку не существует полного пути (цепи), проходящего через тело человека от нижней стороны источника напряжения к его верхней стороне, нет возможности установить протекание тока через человека.

Однако всё это может измениться из-за случайного заземления, например, если ветка дерева касается линии электропередач и обеспечивает соединение с землей:

Рисунок 5 Касание одной точки цепи, не имеющей заземления в нормальном режиме, но при появлении непреднамеренного заземления Рисунок 5 – Касание одной точки цепи, не имеющей заземления в нормальном режиме, но при появлении непреднамеренного заземления

Такое случайное соединение проводника системы электропитания с землей называется замыканием на землю.

Замыкания на землю

Замыкания на землю могут быть вызваны многими причинами, включая накопление грязи на изоляторах линий электропередач (создание для тока пути через грязную воду от проводника к опоре линии электропередач и к земле, когда идет дождь), проникновение грунтовых вод в подземные линии электропередач, и птицы, приземляющиеся на линии электропередачи, устанавливая своими крыльями замыкание между линией и опорой линии электропередач.

Учитывая множество причин замыканий на землю, они, как правило, непредсказуемы. В случае с деревьями никто не может гарантировать, какого провода могут коснуться их ветви. Если бы дерево задело верхний провод в цепи, это сделало бы верхний провод безопасным для прикосновения, а нижний опасным; а, если дерево касается нижнего провода, это приведет в точности к противоположному сценарию:

Рисунок 6 Влияние случайного замыкания на землю на опасность поражения электрическим током Рисунок 6 – Влияние случайного замыкания на землю на опасность поражения электрическим током

Читайте так же:
Отличие магнитного тока от теплового

Когда ветка дерева соприкасается с верхним проводом, этот провод становится заземленным проводником в цепи, электрически общим с заземлением. Следовательно, между этим проводом и землей нет напряжения, а появляется полное (высокое) напряжение между нижним проводом и землей.

Как упоминалось ранее, ветви деревьев являются лишь одним потенциальным источником замыканий на землю в энергосистеме. Рассмотрим незаземленную энергосистему без соприкосновения деревьев, но на этот раз с двумя людьми, касающимися отдельных проводов:

Рисунок 7 Опасность поражения электрическим током при касании двух людей к точкам цепи, не имещей заземления Рисунок 7 – Опасность поражения электрическим током при касании двух людей к точкам цепи, не имеющей заземления

Когда два человека стоят на земле, контактируя с разными точками цепи, путь для тока электрического удара проходит через одного человека, через землю и через другого человека. Хотя каждый человек думает, что он находится в безопасности, касаясь только одной точки в цепи, их совместные действия создают смертельный сценарий. Фактически, один человек действует как замыкание на землю, что делает его небезопасным для другого человека.

Именно поэтому незаземленные энергосистемы опасны: напряжение между любой точкой цепи и землей непредсказуемо, потому что замыкание на землю может возникнуть в любой точке цепи в любое время. Единственный персонаж, который гарантированно будет в безопасности в этих сценариях, – это птица, которая вообще не связана с землей!

После надежного подключения указанной точки цепи к заземлению («заземления» цепи) безопасность может быть обеспечена, по крайней мере, в этой точке. Это бо́льшая гарантия безопасности, чем полное отсутствие заземления.

Отвечая на второй вопрос, обувь на резиновой подошве действительно обеспечивает некоторую электрическую изоляцию, чтобы защитить человека от проведения электрического тока через ступни. Однако наиболее распространенные конструкции обуви не являются электрически «безопасными», поскольку их подошва слишком тонкая и состоит из неподходящего материала.

Кроме того, любая влага, грязь или токопроводящие соли из пота тела на поверхности подошвы или проникающие сквозь нее могут поставить под угрозу ту небольшую изолирующую ценность, которую обувь должна была иметь изначально. Существует обувь, специально предназначенная для опасных работ с электричеством, а также толстые резиновые коврики, на которых можно стоять во время работы с цепями под напряжением, но эти специальные средства, чтобы быть эффективными, должны применяться в абсолютно чистом и сухом состоянии.

Достаточно сказать, что обычной обуви недостаточно, чтобы гарантировать защиту от поражения электрическим током от электросети.

Исследования контактного сопротивления между частями человеческого тела и точками контакта (например, с землей) показывают широкий диапазон значений (информацию об источнике этих данных смотрите в конце главы):

  • контакт для рук или ног, изолированных резиной (резиновые сапоги или перчатки): обычно 20 МОм;
  • контакт ступни через кожаную (сухую) подошву обуви: от 100 кОм до 500 кОм;
  • контакт ступни через кожаную (влажную) подошву обуви: от 5 кОм до 20 кОм.

Как видите, резина не только является гораздо лучшим изолирующим материалом, чем кожа, но и присутствие воды в пористом веществе, таком как кожа, значительно снижает электрическое сопротивление.

Отвечая на третий вопрос, земля – не очень хороший проводник (по крайней мере, когда она сухая!). Из нее слишком плохой проводник, чтобы поддерживать постоянный ток для питания нагрузки. Однако, как мы увидим в следующем разделе, чтобы ранить или убить человека, требуется очень небольшой ток, поэтому даже плохой проводимости земли достаточно, чтобы обеспечить путь для смертельного тока при наличии достаточного напряжения, которое обычно используется в системах электропитания.

Некоторые поверхности земли лучше изолируют, чем другие. Например, асфальт на нефтяной основе имеет гораздо большее сопротивление, чем большинство видов земли или камней. Бетон, напротив, имеет довольно низкое сопротивление из-за внутреннего содержания воды и электролита (проводящего химического вещества).

Электрический ток. Условия существования тока. Основные понятия.

Электрический ток — упорядоченное по направлению движение электрических зарядов. За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.



Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:

* магнитным (наблюдается во всех проводниках)
* тепловым (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников)
* химическим (наблюдается в электролитах).

Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:

* наличие в среде свободных электрических зарядов
* создание в среде электрического поля.

Электрическое поле в среде необходимо для создания направленного движения свободных зарядов. Как известно, на заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = q* E, которая и заставляет свободные заряды двигаться в направлении электрического поля. Признаком существования в проводнике электрического поля является наличие не равной нулю разности потенциалов между любыми двумя точками проводника,
Однако, электрические силы не могут длительное время поддерживать электрический ток. Направленное движение электрических зарядов через некоторое время приводит к выравниванию потенциалов на концах проводника и, следовательно, к исчезновению в нем электрического поля.

Для поддержания тока в электрической цепи на заряды кроме кулоновских сил должны действовать силы неэлектрической природы (сторонние силы).
Устройство, создающее сторонние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию, называется источником тока.
Для существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо включение в нее источника тока.
основные характеристики

1. Сила тока — I, единица измерения — 1 А (Ампер).
Силой тока называется величина, равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени.
I = Dq/Dt .

Формула справедлива для постоянного тока, при котором сила тока и его направление не изменяются со временем. Если сила тока и его направление изменяются со временем, то такой ток называется переменным.
Для переменного тока:
I = lim Dq/Dt ,
Dt — 0

т.е. I = q’, где q’ — производная от заряда по времени.
2. Плотность тока — j, единица измерения — 1 А/м2.
Плотностью тока называется величина, равная силе тока, протекающего через единичное поперечное сечение проводника:
j = I/S .

Читайте так же:
Можно ли укорачивать провод датчика температуры теплого пола

3. Электродвижущая сила источника тока — э.д.с. ( e ), единица измерения — 1 В (Вольт). Э.д.с.- физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по электрической цепи единичного положительного заряда:
e = Аст./q .

4. Сопротивление проводника — R, единица измерения — 1 Ом.
Под действием электрического поля в вакууме свободные заряды двигались бы ускоренно. В веществе они движутся в среднем равномерно, т.к. часть энергии отдают частицам вещества при столкновениях.

Теория утверждает, что энергия упорядоченного движения зарядов рассеивается на искажениях кристаллической решетки. Исходя из природы электрического сопротивления, следует, что
R = r*l/S ,

где
l — длина проводника,
S — площадь поперечного сечения,
r — коэффициент пропорциональности, названный удельным сопротивлением материала.
Эта формула хорошо подтверждается на опыте.
Взаимодействие частиц проводника с движущимися в токе зарядами зависит от хаотического движения частиц, т.е. от температуры проводника. Известно, что
r = r0(1 + a t) ,
R = R0(1 + a t) .

Коэффициент a называется температурным коэффициентом сопротивления:
a = (R — R0)/R0*t .

Для химически чистых металлов a > 0 и равно 1/273 К-1. Для сплавов температурные коэффициенты имеют меньшее значение. Зависимость r(t) для металлов линейная:

В 1911 году открыто явление сверхпроводимости, заключающееся в том, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов падает скачком до нуля.

У некоторых веществ (например, у электролитов и полупроводников) удельное сопротивление с ростом температуры уменьшается, что объясняется ростом концентрации свободных зарядов.
Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью s
s = 1/r .

5. Напряжение — U , единица измерения — 1 В.
Напряжение — физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними и электрическими силами при перемещении единичного положительного заряда.

Внутренняя и внешняя электрическая цепь

Элементы электрических цепей классифицируют по различным признакам. К примеру, есть пассивные и активные элементы, линейные и нелинейные и так далее.

Элементы электрических цепей

В каждой электроцепи есть набор определенных устройств и приборов, которые формируют путь для течения электрического тока. Для характеристики их работы существует ряд основных параметров:

  • ЭДС (электродвижущая сила). Характеризует работу неэлектрических сил по созданию электроэнергии в источнике питания;
  • напряжение. Это физическая величина, показывающая работу электрополя по перемещению заряда из одного места в другое;
  • сила тока. Характеризует скорость упорядоченного движения зарядов.

Внешние и внутренние составляющие цепи

Самая простая электроцепь состоит из источника и приемника, последовательно соединенных проводниками.
Источник является внутренней составляющей цепи, а приемник в комплексе со всеми приборами измерения, коммутационными устройствами и проводами, их соединяющими, является внешней составляющей электроцепи.

Для расчета электрических схем все элементы цепи, имеющие сопротивление (лампочки и другие потребители), замещают резисторами с определенным сопротивлением. Так же поступают с трансформаторами и обмотками генераторов, двигателей и прочего оборудования, которые замещают схематически соответствующими катушками индуктивности и конденсаторами емкости. Источники электроэнергии при этом замещают на идеализированные источники с сопротивлением, равным нулю, а для учета реального внутреннего сопротивления источника, на схеме изображают резистор с сопротивлением (R_0) , которое приписывается соответствующему источнику.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Дополнительные элементы электроцепей, такие как переключатели, выключатели, приборы измерения, обладают очень низким сопротивлением и не влияют на величину тока и напряжения, поэтому их обычно не берут во внимание и не наносят на электросхемы.

При замыкании внешней и внутренней составляющих в замкнутый контур, по нему начинает течь электрический ток, величина которого определяется количеством заряда, протекающего в единицу времени через поперечное сечение проводника. Для постоянного тока его значение определяют по такой формуле:

Для переменного тока его величина определяется так:

Протекание электрического тока в цепи связано с непрерывными преобразовательными процессами в ее элементах. Например, при преобразовании других видов энергии в электрическую в источнике питания возникает ЭДС, благодаря которой при замыкании цепи, в которую включен источник, по ней течет ток.

Так же, как и источник питания, внешняя цепь обладает определенным сопротивлением протеканию электротока. Физическая природа сопротивления заключается в тепловом движении молекул и атомов. То есть, размер сопротивления будет определяться материалом, размерами и формой проводника:

где (ρ) – удельное сопротивление проводника;

(l ) – длина проводника;

(S) – поперечное сечение проводника.

Величину, обратную сопротивлению, называют проводимостью:

Основные параметры простой электрической цепи связаны выражением закона Ома:

где (I) – сила тока;

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Основополагающие законы для электрических цепей

Для расчета и анализа работы электроцепей применяют законы Ома, Кирхгофа, Джоуля-Ленца, Фарадея, Ампера.

Что касается закона Ома, существует два его варианта – для полной цепи и для ее участка. Сила тока участка цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Для полной цепи сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника питания и обратно пропорциональна суммарному сопротивлению цепи:

Для определения количества тепловой энергии, выделяемого при протекании тока через сопротивление, применяют закон Джоуля-Ленца:

Закон электромагнитной индукции Фарадея позволяет установить взаимосвязь между:

  • индуцированием ЭДС в цепи и изменением магнитного потока, что пронизывает контур;
  • индуцированием ЭДС в проводнике при пересечении им магнитного поля.

Согласно закону Фарадея электродвижущая сила, индуцируемая изменением магнитного потока, что проходит через поверхность, прямо пропорциональна скорости изменения потока:

где (Ф) – магнитный поток;

Эквивалентное преобразование цепи – это процесс замещения участков цепи с параллельным или последовательным соединением элементов одним элементом с соответствующим сопротивлением, при котором сила тока и напряжения не меняются. Данный прием используют для упрощения расчетов электроцепей.

Основной особенностью последовательного подключения элементов является общий ток для всех элементов, но напряжение на каждом из них будет падать в соответствии с сопротивлением. При параллельном подключении равным для всех элементов будет напряжение, а ток будет распределяться в соответствии с сопротивлением.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector