§ 2.3. Сопротивление, проводимость.

При прохождении электрического тока в проводниках движущиеся электрические заряды (в основном электроны), сталкиваясь с атомами и молекулами вещества, испытывают противодействие своему движению, отдавая материалу вещества часть кинетической энергии. При этом говорят, что провод обладает сопротивлением. Сопротивление проводника

[1 Ом],

где ρ – удельное сопротивление, значение которого при 20 С можно взять из таблиц; l – длина проводника, м; S – сечение, мм².

При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью:

,

где γ – удельная проводимость.

Единицей электрической проводимости является Сименс (См):

[g]=1/1Ом=1См.

Элементы электрической цепи, характеризующиеся сопротивлением R называются резистивными. Они могут быть проволочными и непроволочными. Проволочные реостаты и резисторы изготавливают из материалов с большим удельным сопротивлением. При этом обеспечивается нужное сопротивление при относительно малых габаритах.

Реостат обеспечивает получение переменного сопротивления, значение которого регулируется изменением положения подвижного контакта реостата.

§ 2.4. Закон Ома.

Для участка цепи:

.

Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению, приложенному к данному участку и обратно пропорционален сопротивлению этого участка. Из этого закона вытекает, что так как , то 1 Ом=1В/1А.

Для полной цепи:

.

Ток в цепи прямо пропорционален ЭДС источника питания и обратно пропорционален сумме внешнего и внутреннего сопротивления цепи.

§ 2.5. Работа и мощность электрического тока.

Из определения ЭДС источника питания следует (например, генератор), что работа, совершаемая внешними силами на получение электрической энергии, т.е.

,

здесь, так как , то .

Из определения напряжения на потребитель следует, что

часть энергии теряется внутри источника в тепловую

,

А – работа, Дж; W – электрическая энергия, Дж.

Под мощностью понимают скорость, с которой совершается работа, т.е.

[1Вт=1Дж/1с=1В*1А].

Следует помнить, что согласно закону сохранения и превращения энергии всегда справедливо, что энергия, вырабатываемая источником питания, равна энергии, которую потребляет приемник электрической энергии плюс энергии потерь. Также , мощность вырабатываемая источником равна мощности потребителя плюс мощность потерь.

§ 2.6. Допустимая нагрузка провода.

При включении электрической цепи в сеть, по мере прохождения тока в проводниках, происходят следующие тепловые процессы, которые неразрывно связаны с тепловым действием тока, который поясняется законом Джоуля-Ленца: количество тепла, выделенное при прохождении его в проводнике прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения ток:

.

Тепловое действие тока объясняется тем, что в процессе сталкивания движущихся электронов с атомами и молекулами материала проводника, электроны отдают часть кинетической энергии, которая переходит в тепловую. Тепловое действие тока имеет положительную и отрицательную сторону: положительная – возможность использования данного явления в электронагревательных приборах; отрицательная – любая перегрузка, вызванная неправильным расчетом электрической цепи, приводит к перегреву элементов цепи, возникновению короткого замыкания.

В проводах электрической цепи при включении ее в сеть следует выделить следующие этапы нагрева:

1. все тепло, выделяемое током при прохождении его в проводнике, идет на нагрев провода, в результате чего температура провода быстро повышается;

2. начиная с какого-то момента часть тепла, выделенная током в проводе, начинает отдаваться в окружающую среду, что приводит к замедлению роста температуры проводника.

По истечению времени, которое называется временем переходного процесса, наступает режим, при котором все тепло выделенное током в проводе отдается в окружающую среду, температура провода замирает на отметке, называемой установившейся, и для каждой изоляции провода устанавливается температура своя. При этом, в цепи величина тока, соответствующая этому циклу, называется допустимым. Для нормальной работы любой цепи необходимо чтобы расчетный ток провода (ток потребителя ) был меньше или равен допустимому току провода (Р – мощность потребителя; U- напряжение потребителя).

Для правильного расчета любой цепи решающим фактором является выбор сечения провода, т.к. правильно выбранное сечение влияет на качество работы цепи.

Порядок расчета:

1. определят расчетный ток потребителя, используя выражение:

;

2. в соответствии с маркой провода, числом токоведущих жил провода, материалом проводника (алюминий, медь) выбирают, пользуясь таблицей допустимых токовых нагрузок сечение провода из условия, что допустимый ток , соответствующий данному сечению, должен быть больше или равен расчетного тока

Таблица 1

Сечение токопро- водящей жилы, мм2	Токовые нагрузки, А
	Провода, проложен- ные открыто	Провода, проложенные в одной трубе
		Два одно- жильных	Три одно- жильных	Четыре одножиль- ных	Один двух- жильный	Один трехжиль- ный
0,5 0,75 1,0 1,5 2,5 4 6 10 16 25	11/- 15/- 17/- 23/- 30/24 41/32 50/39 80/55 100/80 140/105	- - 16/- 19/- 27/20 38/28 46/36 70/50 85/60 115/85	- - 15/- 17/- 25/19 35/28 42/32 60/47 80/60 100/80	- - 14/- 16/- 25/19 30/23 40/30 50/39 75/55 90/70	- - 15/- 18/- 25/- 32/- 40/- 55/- 80/- 100/-	- - 14/- 15/- 21/- 27/- 34/- 50/- 70/- 85/-

3. выбранное сечение провода проверяем на потерю напряжения:

, ,

где I – расчетный ток провода; l – длина провода – задана; ρ – удельное сопротивление; S – выбранное сечение. Причем, в процентном отношении

,

где U – напряжение потребителя. Эта цифра не должна превышать 7%.

Под коротким замыканием понимают место соединения двух проводников разного потенциала через ничтожно малое сопротивление. В результате короткого замыкания возникают опасные тепловые и механические разрушения элементов электрических установок. Для защиты от короткого замыкания пользуются элементами защиты, простейшими из которых являются плавкие предохранители. Плавкая вставка предохранителя, рассчитанная на ток превышающий расчетный в 2,5 раза, при достижении рабочих токов выше этой величины перегорает, отключет неисправную цепь. В настоящее время плавкие вставки заменяют автоматическими выключателями.