Санкт-петербургское государственное унитарное предприятие
«П Е Т Е Р Б У Р Г С К И Й М Е Т Р О П О Л И Т Е Н»
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ
«Т Е Х Н И Ч Е С К А Я Ш К О Л А»
ПОСОБИЕ ПО ИЗУЧЕНИЮ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ВАГОНОВ МЕТРОПОЛИТЕНА
Санкт – Петербург
2014 год
Основные понятия электротехники
Природа электричества
Все вещества в природе состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами. Молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра, окруженного оболочкой, которая образуется из постоянно движущихся с большой скоростью мельчайших частиц - электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов. В разных атомах содержится различное количество протонов, электронов и нейтронов.
Электроны, вращающиеся на внешней орбите, обладают максимальной энергией, называются валентными, и вступают в химические связи с другими атомами.
Основной причиной удержания электронов вокруг ядра является то, что ядра и электроны имеют электрический заряд - положительный "+" и отрицательный "-". При взаимодействии электрических зарядов между ними возникают силы притяжения или силы отталкивания. Одноименные заряды - отталкиваются, разноименные - притягиваются.
Рис. 1.1. Силы притяжения и отталкивания
Атом в целом электрически нейтрален. Если в результате каких-либо действий (нагревание) атом теряет или приобретает электрон, то такой атом становится электрически заряженным, т.е. приобретает электрические свойства.
Вещество, приобретая электроны, приобретает отрицательный заряд; при потере электронов вещество приобретает положительный заряд.
Движение электронов, или положительных, или отрицательных ионов, от одного вещества к другому, называется электрическим током.
В системе СИ количество электричества измеряется в кулонах (Кл).
I Кл=6,29.1019 электронов.
I Кл также называют I А·сек, т.е. при токе в I A в сек проходит количество электричества I Кл.
Вокруг каждой заряженной частицы существует электрическое поле. Электрическое поле обладает энергией, которая проявляет себя в виде сил, действующих на заряженные тела, находящиеся в поле.
Электрическое поле изображается в виде силовых линий:
Рис. 1.2. Электрическое поле зарядов различного знака
Электрический потенциал (φ)
Если в электрическом поле положительного заряда Q в точке (.) М находится другой заряд "q", то на заряд "q" действует сила F
F=E·q, где E - напряженность электрического поля.
Рис. 1.3. Сила, действующая на заряд в электрическом поле
Под действием этой силы заряд "q" перемещается за пределы поля, то есть совершается работа за счет энергии совместного поля зарядов (W), которая убывает.
Отношение энергии поля Wм к величине заряда "q" в данной точке называется электрическим потенциалом данной точки электрического поля.
φм=Wм/q
Электрическое напряжение (U)
При перемещении заряда силами поля из точки М в точку Н совершается работа (А).
A = Wм - Wн =φм · q - φн q = q (φм-φн) = q · U
Разность потенциалов двух точек электростатического поля называется электрическим напряжением и обозначается буквой U
U=φм-φн |
U=A/q |
Единица измерения напряжения - Вольт:
1 B=1 Дж/1 Кл
В технике используются более мелкие единицы измерения напряжения U
тысячная доля - милливольт. 1 мВ = 10-3 В
миллионная доля - микровольт. 1мкВ = 10-6 В
более крупная единица измерения - киловольт. 1 кВ = 1000 В = 103 В.
Электрический ток и электропроводность вещества
При некоторых условиях для нейтрального атома (повышение температуры), этот атом теряет электрон, превращаясь в положительный ион. Оторвавшийся электрон может присоединиться к соседнему атому, образуя отрицательный ион.
Если такое вещество поместить в электрическое поле, то под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или ионов в направлении сил поля, получивший название электрического тока.
Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью.
Электропроводность вещества зависит от количества свободных, не связанных с атомами, электрически заряженных частиц. Чем выше их концентрация, тем электропроводность больше.
Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Проводники обладают высокой электропроводностью. Делятся на два класса:
К 1 классу относятся металлы и их сплавы.
В металлах электроны, расположенные на внешних орбитах, слабо связаны с ядрами атомов, часть электронов перемещается между атомами, заполняя пространство между ними и находятся в беспорядочном движении (см.рис.1,4). Однако если металлический проводник внести в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного заряда (см.рис.1,4), создавая электрический ток.
Рис. 1.4. Свободное и упорядоченное движение электронов
Диэлектрические вещества имеют на внешней орбите большое количество электронов, но они жестко связаны со своими ядрами.
Поэтому диэлектрики не являются проводниками тока.
К проводникам 2 класса относятся водные растворы кислот, солей и щелочей.
Электрическая цепь. Э.Д.С.
Рис. 1.5. Электрическая цепь
Если два разноименно заряженных тела соединить проводником, то свободные электроны проводника и этих тел придут в движение и возникнет электрический ток.
Ток по проводнику будет протекать до тех пор, пока напряжение между ними не станет равным нулю.
Для обеспечения непрерывного движения электронов по проводнику необходимо постоянно поддерживать заряды этих тел, то есть обеспечивать разность потенциалов на концах проводника. Для этого применяются источники электрической энергии.
Причину, вызывающую упорядоченное движение электрических зарядов по цепи, называют Э.Д.С. Э.Д.С. обозначается буквой "Е" и измеряется в вольтах.
К источникам Э.Д.С. относятся генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы.
Источник электрической энергии, потребитель и провода образуют замкнутую электрическую цепь.
За направление тока принято направление от "+" к "-".
Сила тока (I)
Силой тока служит величина тока, измеряемая количеством электричества, которое проходит через поперечное сечение проводника за 1 сек.
I = Q / t, A
Q - заряд, Кл
t - время, сек
Ток измеряется в амперах (А). Направление тока указывается стрелкой.
Более мелкие единицы измерения тока
1 миллиампер - 10-3 А
1 микроампер - 10-6 А
Более крупная единица измерения тока
1 килоампер = 103 А
Сопротивление (R)
При движении свободных электронов в проводнике, под действием сил электрического поля, они сталкиваются на своем пути с атомами вещества и отдают им часть своей энергии.
Эта энергия, в результате столкновений, рассеивается в виде тепла и нагревает проводник.
Электроны , сталкиваясь с частицами вещества, преодолевают сопротивление движению, то есть проводники обладают электрическим сопротивлением.
Если сопротивление проводника велико, то проводник может раскалиться (утюг) и наоборот.
Сопротивление обозначается буквой R и измеряется в омах (Ом).
Более крупная единица измерения
1 килоом = 103 Ом
1 мегаом = 106 Ом
Всякий проводник обладает проводимостью, то есть способностью проводить электрический ток.
Проводимость есть величина обратная сопротивлению.
G = 1/R, (Сименс).
О способности отдельных веществ проводить электрический ток судят по его удельному сопротивлению ρ (ро)
ρ = Ом, мм2/м
Сопротивление проводника определяется по формуле
R = ρ · ℓ / S, Ом
ℓ - длина проводника , м
S - сечение проводника, мм2
Провода из металлов (меди, алюминия) с наименьшим сопротивлением широко применяются для соединения потребителей электрической энергии с генераторами.
Для изготовления обмоток нагревательных элементов и реостатов применяют сплавы с большим удельным сопротивлением (нихром, фехраль).
На подвижном составе применяются сопротивления с целью регулирования, уменьшения или ограничения тока цепи.
Емкость (С)
Электрические заряды в цепи могут не только перемещаться по её элементам, но также накапливаться в них, создавая запас энергии
Wэ = C · U2 / 2
где U - напряжение на элементе электрической цепи, В
С - емкость, Ф
Электрической ёмкостью (или просто ёмкостью) C называется коэффициент, определяющий запас накопленной энергии. Таким образом, ёмкость - характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд.
Величина ёмкости участка электрической цепи зависит от электрических свойств окружающей среды, а также от формы и геометрических размеров проводников, в которых накапливаются заряды.
Исторически первые накопители представляли собой плоские проводники, разделённые тонкой прослойкой изоляционного материала.
Совокупность проводников, предназначенных для накопления энергии электрического поля, называется конденсатором. Чем больше площадь проводников и чем меньше толщина изолирующей прослойки, тем больше, при прочих равных условиях, величина их ёмкости.
Ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда на конденсаторе к величине напряжения на нем
С = Q / U
и измеряется в фарадах (Ф).