Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника и электроника. Учебное пособие.pdf
∫
⋅⋅
=
t
dt
iu
0
ω
iu
dt
d
P ⋅
=
=ω
Скорость изменения энергии во времени называется мощностью электрической цепи.
(1.7)
Мощность p измеряется в ваттах (Вт).
Проводниковым материалом является токопроводимость. Ма-
териалы делятся на три вида: проводники, полупроводники, диэлектрики.
Проводник – это материал, которая состоит из свободных но-
сителей заряженных частиц. При движении этих частиц возникает
тепловая энергия, поэтому ему дали название «тепловое движение».
Есть два основных параметра проводника – сопротивление,
обозначается буквой R или же проводимость, обозначается буквой
G. Проводимость – это показатель, противоположный сопротивлению – G=1/R.
Что же является проводником. Металлы – лучшие проводники,
особенно медь и алюминий. Также проводниками являются солевые растворы, влажный грунт, углерод. Последний нашел широкое
применение в работе со скользящими связями.
Примером такого применения являются щетки в электрическом двигателе. Человеческое тело тоже проводник электрического
тока. Но электропроводные свойства у вышеперечисленных материалов все же ниже, чем в металлах.
Сама структура металлов предполагает в себе огромное количество свободных заряженных частиц, что и делает их лучшими
проводниками. Когда металл попадает под действие электрических
полей, то происходит процесс так называемой электроиндукции, то
есть заряженные частицы начинают активно двигаться и распределяться.
Диэлектрик – это материя, которая не подчиняется воздействию электрического поля, то есть не пропускает через себя ток, а
если и пропускает, то в незначительном количестве.
Происходит это потому, что они не обладают свободно передвигающимися частицами – носителями тока, поскольку в них
11
очень сильная атомная связь.
В жизни такими веществами выступают резина, керамические
компоненты, стекло, отдельные виды смол, дистиллированная вода, карбонит, фарфор, текстолит, а также сухое дерево и так далее.
Именно благодаря своим свойствам вышеперечисленные ма-
териалы являются основой корпусов различных электрических
приборов, выключателей, розеток, вилок и других приспособлений,
которые контактируют с электричеством непосредственно.
Изоляционные элементы в сетях также изготовляются из диэлектрических материалов.
Но не все так просто и с диэлектриками. Если пропускать через них ток выше нормы, хранить их или устанавливать в среде с
высокими показателями влажности или неправильно их использовать, то можно вызвать такое явление, как «пробой изолятора», это
означает, что материал диэлектрика теряет свои токонепроводимые
функции и становится проводником.
То есть, если в двух словах описать ситуацию, то основное в
диэлектрике – это его электроизоляционные способности. Таким
образом, эти приборы помогают нам защититься от травмирующего воздействия электричества.
Свойства диэлектрика измеряются его электрической прочностью – это показатель, который равняется с напряжением пробоя
диэлектрика.
Полупроводники называются так, потому что у них есть свойство проводить ток, но не всегда. Для этого данному веществу
необходимо создать специальные условия. Нужно подать к нему
энергию в определенном количестве.
Свои свойства полупроводник имеет потому, что в его структуре очень мало частиц, являющихся свободными носителями, а
может быть такое, что их там вовсе нет. Но, стоит повлиять на них
определенной энергией и они появляются и активно двигаются.
Энергия может быть не только электрической, также можно
воздействовать тепловой энергией или различными излучениями.
Например, свободно движущиеся элементы появляются при влиянии излучения в УФ-Спектре.
Материалами с такими свойствами являются германий, кремний, также это может быть смешение арсенида и гелия, мышьяк,
селен и прочие.
Применение полупроводников может быть различное. Из дан-
12
ного материала делают микросхемы, светодиоды, транзисторы, диоды и многое другое.
Для того чтобы более подробно объяснить работу полупроводника, применим к нему так называемую зонную теорию. Упомянутая теория объясняет существование или неимение свободных
заряженных частиц в отношении конкретных энергетических уровней.
Энергетический уровень (слой) – это число простых частиц,
таких как молекул, атомов, то есть электронов. Данный показатель
измеряется в электронвольтах (ЭВ).
Следует обратить внимание на то, что слои проводника составляют непрерывную диаграмму от зоны валентности и до зоны
проводимости. Если эти две зоны осуществляют накладку друг на
друга, то возникает зона перекрытия.
В соответствии с влиянием некоторых влияний, например,
электрических полей, температурного режима и прочего, число
электронов может меняться.
Исходя из вышеописанных процессов, электроны при минимальном энергетическом воздействии начинают движение в проводнике.
13
Вопросы для самопроверки
1. Какова основная цель изучения курса? Перечислите основные
задачи изучения курса.
2. Какие объекты изучает данная наука, ее цели и объекты иссле-
дования?
3. Как отличить металл от неметалла? Дайте развернутый ответ.
4. Что такое заряд и какие заряды бывают? Назовите и нарисуйте
силовые линии электрических зарядов.
5. Что такое число электризация тел?
6. Какие задачи необходимо решить будущему специалисту с
техническим образованием по данному направлению подго-
товки?
7. Что такое электрический ток? Ответ поясните подробно.
8. Дайте определение и физический смысл закона Ома и его па-
раметры.
9. Что такое электрическое смещение, сила тока, напряжение и
сопротивление? Сформулируйте полный ответ и напишите
формулы, описывающие эти процессы.
10. Что такое напряженность электрического поля и ее единица
измерения? Каков ее физический смысл?
11. Что такое электрический потенциал? Дайте определение и по-
ясните подробно ответ.
12. Что такое проводниковые материалы и каковы основные тре-
бования к материалам?
13. Перечислите материалы, разделенные на три основные груп-
пы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Приведите
примеры этих материалов.
14. Почему необходимо знать технику безопасности при работе с
электрическим приборами? Какова предельная величина
напряжения и сила тока для человека? Поясните подробно с
учетом особенностей организма человека.
Задачи для самостоятельной работы
1. Определить размеры атомов (ионов) неметаллов водорода,
кислорода, азота, гелия, аргона и другие и металлов никеля, алюминия, железа, золото и другие. Проанализировать, сравнить и сделать выводы о размерах атомов и ионов. Что вы наблюдаете, какую
14
закономерность?
2. Два точечных заряда Q1 = Q2 = 6∙10
-11
К расположены в
воздухе на расстоянии 12 см друг от друга. Определить напряженность поля этих зарядов в точке В, если она находится на перпендикуляре к прямой ВГ к прямой АБ и, если АГ= ГБ= ГВ и силу F,
действующую на точечный заряд q = 2 ∙ 10
-11
К, находящийся в
точке В. Проанализировать, составить рисунок, сравнить и сделать
выводы.
3. Определить размеры между атомами и ионами в элемен-
тарных ячейках. Дайте полный развернутый ответ и обоснование.
Тема 2. Электрические цепи постоянного тока.
Источники, проводники и потребители. Закон Ома с ЭДС. ЭДС.
Зависимости сопротивления от температуры. Энергия.
Работа, теплота и мощность. Физические свойства металлов
(теплоемкость, плотность)
Как было ранее сказано, объектами исследования являются
электрические цепи, которые состоят из источников, проводников
и потребителей.
В электрической цепи постоянного тока могут действовать как
постоянные токи, значение и направление которых в любой момент
времени остаются неизменными, а также токи, направление которых остается постоянным, а значение изменяется во времени произвольно или по какому-либо закону (такие токи нельзя назвать
строго постоянными). Под цепями постоянного тока в современной
технике подразумевают цепи, в которых ток не меняет своего
направления, т. е. полярность источников, э. д. с. в которых постоянна. Электрическая цепь состоит из отдельных устройств или
элементов, которые по назначению можно подразделить на три
группы:
1. Элементы, предназначенные для генерирования (выработки)
электроэнергии (источники питания или источники ЭДС).
2. Элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды
энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и т. д.);
эти элементы называются приемниками электрической энергии,
или нагрузкой.
3. Элементы, предназначенные для передачи электроэнергии
15
от источника питания к электроприемнику (провода, устройства,
rRE+
=
I
обеспечивающие уровень и качество напряжения и др.).
Электрическая цепь, электрическое сопротивление участков
которой не зависит от значений и направлений токов и напряжений
в цепи, называется линейной электрической цепью. Такая цепь состоит только из линейных элементов, а ее состояние описывается
линейными алгебраическими уравнениями. В противном случае
цепь называется нелинейной и описывается более сложными математическими уравнениями.
Электрическая цепь – это совокупность устройств, посредством которых осуществляется протекание тока. Преобразование и
передача электрического тока, а переменные, которые описывают
эти процессы – это ток, напряжение и электродвижущая сила
(ЭДС).
Располагая неограниченным количеством проводников, сопротивление которых известно, можно отказаться от громоздких определений напряжения с помощью калориметра. Ведь напряжение
равно произведению силы тока на сопротивление. Однако здесь
необходимо уточнить, как мы сказали ранее, по уравнению (1.3б)
при использовании одного и того же источника тока, замыкаем его
полюсы различными сопротивлениями. Сила тока при этом будет
разной.
Запишем закон Ома с учетом ЭДС, равен
(2.1)
где r – внутреннее сопротивление источника тока.
Поясняя, что аккумулятор обладает своим внутренним сопротивлением, смысл величины r, стоящей в новой формуле, очевиден:
это внутреннее сопротивление источника тока. Для другой величины Е носит название электродвижущая сила, при этом не имеет ни
смысла, ни размерности силы. Измерять калориметрическим способом напряжение крайне неудобно, вдобавок приходится взвешивать катод с осадком меди. Поэтому догадались рядом с проводником с током поставить магнитную стрелку, при этом стрелка поворачивается в разные стороны, в зависимости от направления тока.
Из этого определения следует, что в общем случае электрическая цепь представляет собой соединение источников электрической энергии и потребителей этой энергии (нагрузки). Обычно со-
16
единение источника и нагрузки осуществляется металлическими
dt
d
Ф
−=E
проводниками, хорошо проводящими электрический ток.
Источник электрической энергии – это устройство, преобра-
зующее другие виды энергии, например, химическую, механическую, тепловую в электрическую. Источник электрической энергии
характеризуется величиной и направлением электродвижущей силы (ЭДС).
Электродвижущей силой называется величина, измеряемая работой сторонних (неэлектрических) сил источника при переносе
единицы положительного заряда в своей внутренней цепи от вывода с меньшим потенциалом к выводу с большим потенциалом [3].
Следует заметить, что ЭДС может возникать не только вследствие
разделения зарядов в источнике под действием сторонних сил, но и
вследствие явления электромагнитной индукции. Это явление возникает при изменении магнитного потока Φ, проходящего через
площадь контура, образованного проводником с током согласно
закону Фарадея-Максвелла [3]:
, (2.2)
где Е – ЭДС электромагнитной индукции.
Законы Ома и закон Джоуля-Ленца связывают между собой
силу тока, напряжение и сопротивление, т.е. силой тока называется
напряжение, поделённое на сопротивление, а можно сказать, что
напряжение равно произведению силы тока на сопротивление. Но
оба эти определения страдают недостатком, они удобны в том случае, если справедлив закон Ома. Но было сказано этот закон верен
не всегда. Поэтому уточним, что производной величиной является
сопротивление проводника, которое определяется как отношение
напряжения на концах проводника к силе тока, идущее через него.
Поскольку энергию электрического тока измеряют на основе
закона сохранения энергии по тепловым и механическим действиям тока, ясно, что целесообразно определения силы тока и напряжения как величины, производной от энергии.
В электрических цепях за условно положительное направление
тока принимают направление движения положительных зарядов в
электрической цепи [3]. Анализ электрической цепи можно проводить при произвольном выборе одного из двух возможных направлений тока в качестве положительного. Для однозначного опреде-
17
ления знака напряжения между двумя точками электрической цепи
одной точке приписывают положительную полярность, а другой –
отрицательную. Условно положительные направления обозначают
с помощью стрелок для токов и знаков «+», «–» или стрелок для
напряжений.
Примером простейшей электрической цепи может служить,
например, соединение аккумулятора и лампы накаливания, показанное на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Изображение простейшей электрической цепи: 1 – источник ЭДС (аккумуляторная батарея); 2 – выводы (зажимы) источника; 3 – соединительные провода; 4 – зажимы нагрузки
Источники питания цепи постоянного тока – это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические
генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др.
Все источники питания имеют внутреннее сопротивление R
в
значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи.
Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую,
нагревательные и осветительные приборы, электролизные установки и др.
Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых основные – напряжение и мощность.
Для нормальной работы электроприемника на его зажимах
необходимо поддерживать номинальное напряжение U
емников постоянного тока по ГОСТ 721−77 U
= 27, 110, 220, 440
ном
(для при-
ном
В, а также 6, 12, 24, 36 В). Источники питания и электроприемники
,
18
(нагрузка) на электрических схемах отображаются графически в
виде символов в соответствии с ГОСТом.
Нагрузка показана в виде последовательного соединения выключателя 5 и лампы накаливания 6 при условии обеспечения элементов цепи (рис. 2.1).
Рис. 2.2. Условные графические обозначения некоторых элементов
электрических цепей: 1 – источник ЭДС; 2 – идеальный источник
ЭДС; 3 – резистор; 4 – конденсатор; 5 – катушка индуктивности;
6,7 – соответственно замыкающий и размыкающий контакты; 8 –
биполярный транзистор; 9 – полупроводниковый диод.
Соединительные проводники, если не учитывается их собственное сопротивление, в схемах замещения показываются тонкими линиями. Выходящие и входящие зажимы устройств в схеме
замещения обычно не показываются. Существует большое количество видов электрических цепей, различающихся структурой, формой передаваемых электрических сигналов, мощностью, составом
элементов. В любой электрической цепи происходит передача
электромагнитным полем электрической энергии от источника к
приемнику (потребителю). Наиболее точный анализ электромагнитных явлений в электрической цепи должен осуществляться на
основе системы векторных дифференциальных уравнений Максвелла в частных производных [3]. В этой системе электромагнитное поле описывается локальными значениями электрического
смещения D, магнитной индукции B, плотностью электрического
тока Y, напряженностью электрического поля E, напряженностью
магнитного поля H. С целью упрощения локальные векторные параметры электромагнитного поля во многих случаях можно заменить интегральными скалярными значениями ЭДС, напряжения и
тока. При этом состояние электрических цепей можно описать
обыкновенными дифференциальными уравнениями, а в некоторых
19
случаях преобразовать систему дифференциальных уравнений в
систему алгебраических, что существенно упрощает анализ электрических цепей. В дальнейшем изложении используется именно
такой упрощённый подход к анализу процессов в электрических
цепях (рис. 2.3.).
Рис. 2.3. Схема замещения электрической цепи
В схеме замещения источник электрической энергии заменяется источником ЭДС Е с внутренним сопротивлением R
, а нагрузка
в
(лампа накаливания) – резистором с сопротивлением R. Сопротивление соединительных проводов и выключателя чаще всего не учитывается, однако их можно учесть в сопротивлении нагрузки. В
схеме замещения можно стрелками указать выбранные произвольно условно положительные направления токов и напряжений (см.
рис. 2.3). Расчёт электрической цепи по схеме замещения сводится
обычно к нахождению приближенных значений токов и напряжений, существующих в реальной электрической цепи. Например, для
схемы замещения (см. рис. 2.3) при указанных условиях в замкнутой цепи будет протекать ток I, величина которого, согласно закону
Ома, определяется по выражению, согласно (2.1):
I = E/(Rв+ R) (2.3)
Напряжение на выводах источника при протекании тока может
быть определено по выражению:
U
= E- IRв , (2.4)
12
где IR
источника ЭДС; U
– падение напряжения на внутреннем сопротивлении
в
– напряжение на выводах источника ЭДС.
12
По выражению (2.4) можно сделать вывод, что при отсутствии
тока в цепи напряжение на выводах источника равно величине
ЭДС, а при наличии внутреннего сопротивления и протекании тока
это напряжение меньше ЭДС и будет уменьшаться с ростом тока.
20