Основы электротехники Общие сведения

Все физические тела состоят из молекул, являющихся мельчайшими частицами данного вещества и обладающих его свойствами.

Молекулы образуются из атомов. Простые вещества состоят из атомов одного и того же вещества

Молекулы сложных веществ состоят из атомов различных химических элементов. Например, молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода.

Атом состоит из ядра, имеющего положительный заряд, вокруг которого по замкнутым орбитам вращаются электроны, имеющие отрицательный заряд. Атомы разных веществ имеют разное количество электронов. Например, атом водорода - 1, а атом меди - 29. В состоянии равновесия атом не проявляет электрических свойств, т.к. суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра и поэтому является нейтральным.

Под влиянием внешних сил атом может терять или приобретать электроны. Теряя электроны, атом заряжается положительно. Приобретая электроны, атом заряжается отрицательно.

Электроны, которые слабо связаны с ядром атома и могут покидать свои орбиты, носят названия свободных электронов.

Чем больше свободных электронов у атомов данного тела, тем оно лучше проводит ток, такие тела называют проводниками.

К проводникам относятся все металлы, графит, уголь.

Изоляторами и диэлектриками называют тела, у которых электроны прочно связаны с ядром атома и поэтому не имеют свободных электронов (воздух, пластмассы, слюда, стекло, резина, фарфор, мрамор, эбонит, асбоцемент и др.).

Полупроводники - это тела, у которых появляются свободные электроны при определенных условиях (удар, облучение, нагрев и т.д.).

На границе соприкосновения проводника и полупроводника образуется запирающий слой, через который электроны протекают только в одном определенном направлении. Свойство односторонней проводимости полупроводников используется для создания выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.

К полупроводникам относятся: селен, кремний, германий, теллур, закись меди и т.д.

Понятие о токе, напряжении и сопротивлении

Электрическим током называется строго направленное движение свободных электронов под действием сил электрического поля. Электрический ток по проводнику течет со скоростью 300 000 км /сек.

Мерой электрического тока является сила тока

I = q/t (А) Ампер

q - количество электрических зарядов, протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени (Кулон), t - время в (сек.)

Ток бывает: постоянным, пульсирующим и переменным.

Постоянный ток - это такой ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Пульсирующий ток - это такой ток, который периодически изменяется только по величине.

Переменный ток - это такой ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению.

Прибор для измерения тока называют амперметром.

Электродвижущей силой (ЭДС) называют разность потенциалов между зажимами источника тока при разомкнутой внешней цепи. Измеряется в вольтах и обозначается буквой Е.

Напряжением называется разность потенциалов между двумя точками замкнутой цепи при протекании по ней электрического тока. Измеряется в вольтах V, kV и обозначается буквой U.

Прибор для измерения напряжения называют вольтметром.

Электрическая цепь состоит из внешней и внутренней частей. Внутреннюю часть цепи составляет источник напряжения, (генератор).

Сопротивлением называют препятствие, которое оказывает проводник прохождению через него электрического тока. Измеряется в Омах, кОм, МОм и обозначается буквой R.

Прибор для измерения сопротивления называют Омметром.

Сопротивление проводника зависит прямо пропорционально от его длины L, удельного сопротивления (р) и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника S. Математически эта зависимость выражается формулой:

R = pL/S Ом,

где R - сопротивление проводника в Омах

L - длина проводника в метрах

S - площадь поперечного сечения в миллиметрах квадратных мм² р - (ро) удельное сопротивление проводника, характеризующее качество Ом мм²/М

наименьшее сопротивление имеет серебро

Величина обратная сопротивлению носит название проводимость проводника

G = 1/R (Сименс) сокращенно Сим.

Кроме того сопротивление проводника прямо пропорционально зависит от температуры t°C.

Закон Ома

Величина силы тока для данной цепи прямо пропорциональна напряжению на концах данного участка цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка:

I = U/R,

где I - сила тока на участке (А); U - напряжение на участке (В); R - сопротивление этого участка (Ом). Зная напряжение и силу тока, можно определить сопротивление

R = U/I

Закон Кирхгофа (первый)

Точка, в которой соединяются три и более проводов, называется узловой.

I ₁ и 1₄ - токи подходящие к узлу; I₂, I₃, I₅ - токи, отходящие от узла; По закону Кирхгофа сумма токов, подходящих к узлу, равна сумме токов отходящих:

I₁ + I₄ = I₂ + Iз + I₅

Работа, мощность и тепловое действие электрического тока

При прохождении по цепи ток совершает работу, при этом электроэнергия источника тока превращается в другие виды энергии (механическую, тепловую и т.д.)

Работа электрического тока выражается формулой

А = q U, где q - количество электрических зарядов;

U - напряжение.

Используя значение тока I = q/t и выразив q = I t получим, что А = UIt ватт-секунд (вт-сек) или ват-час (вт-ч), (квт-ч).

Мощность электрического тока

Работа, совершенная в единицу времени Р = A/t, так как А = U I t, тогда Р = U t.

Зная закон Ома I = U/R, можно подсчитать мощность Р = U²/R, если выразить U = I R, то мощность можно подсчитать Р = I² R.

Закон Ленца-Джоуля

Проводник, по которому протекает ток, нагревается. Количество выделяемого при этом тепла определяется законом Ленца-Джоуля.

Количество тепла, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого этот ток протекает.

Q = 0,24 I² R t,

где Q - количество выделяемого тепла;

I - сила тока в амперах;

t - время в секундах

0,24 - тепловой эквивалент, Ватт-секунда = 0,24 калорий.

Тепловое действие тока используется в нагревательных приборах, в аппаратах защиты (предохранители).

Способы соединения источника и потребителей тока

Потребители и источники электроэнергии могут быть соединены друг с другом последовательно или параллельно. Если в цепи часть элементов соединена последовательно, а часть параллельно, то такое соединение носит название смешанного.

При последовательном соединении потребителей общий ток в цепи везде одинаковый

Iоб ⁼ I₁= I₂ = I₃ = I₄

Общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных участках

U_o6 = U₁ + U₂ + U₃ + U₄

Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков

П оследовательное соединение Параллельное соединение

источников и приемников тока источников и приемников тока

При параллельном соединении общий ток в цепи равен сумме токов, протекающих в отдельных ветвях

Iоб = I1 +I₂ +I₃ + п

Общее напряжение на всех участках одинаково. Если в цепь включено параллельно два сопротивления R₁ и R₂, причем R₁≠R₂, то общее сопротивление

Roб = R₁ R₂/R₁ + R₂

Если сопротивления одинаковые, т.е. R₁ = R₂ = R₃ ⁼ Rn. то общее сопротивление Rоб = R₁/n,

где n - их количество.

Если сопротивлений три и более, то общее сопротивление цепи легко подсчитать через проводимость, а результат перевернуть

П одсчитать величину тока в цепи, если известно напряжение общее и величины сопротивлений имеющие смешанное соединение.

При прохождении электрического тока через проводник вокруг него создается магнитное поле. Магнитные силовые линии располагаются в плоскости, перпендикулярной проводнику и имеют форму концентрических окружностей. Направление магнитных силовых линий этого поля легко

определить по "правилу буравчика".

Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то рукоятка будет вращаться по направлению силовых линий.

Если изогнуть проводник и сделать несколько витков, то получим катушку (соленоид). Вокруг катушки образуется магнитное поле.

М агнитное поле катушки зависит от числа витков и величины тока, протекающего по катушке. Полярность катушки легко определить по правилу правой руки

Если наложить правую руку на катушку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока по виткам катушки, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс. Силовые линии магнитного поля выходят из северного полюса и заходят в южный.

Если внутрь катушки поместить металлический стержень, то получим электромагнит.

При подаче тока на катушку сердечник намагничивается. При снятии напряжения с катушки размагничивается. Можно использовать для включения и выключения аппарата Сердечник помещенный в катушку усиливает магнитное поле катушки.

Чем больше количество витков в катушке, тем сильнее ее магнитное поле.

Ч ем больше величина тока, протекающего по катушке, тем сильнее магнитное поле катушки.