9. Основные положения электротехники.

Строение вещества

Все тела состоят из отдельных очень малых частиц – атомов и молекул. Атомов свыше 100 видов, они различаются массой и химическими свойствами.

Упрощенно атом можно представить в виде ядра окруженного оболочкой из постоянно движущихся с большой скоростью электронов (рис.9). Ядро состоит из протонов и нейтронов. Электроны располагаются вокруг ядра несколькими слоями (оболочками, уровнями).

Э

Рис. 9

лектроны, расположенные на внешней оболочке, называютсявалентными. Они слабее связаны с ядром, чем электроны, находящиеся на ближних к ядру орбитах. Ими определяется способность атомов данного элемента вступать в химические связи, а также электропроводность различных материалов.

Ядро и электроны обладают электрическими зарядами. Протоны имеют положительный заряд, электроны – отрицательный, нейтроны – не имеют заряда.

В целом атом электрически нейтрален.

Масса протона равна массе нейтрона, масса электрона = 1/1836 массы ядра водорода.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля, электрический потенциал и напряжение.

В

Рис. 10

пространстве вокруг заряженного тела существует электрическое поле, обладающее запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные частицы. Условно электрическое поле изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направление действия электрических сил, создаваемых полем (рис.10). Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую бы двигалась в поле положительно заряженная частица.

Напряженность поля (Е) - характеризует интенсивность электрического поля, т.е. его способность притягивать или отталкивать некоторый электрический заряд принятый за единицу.

Численно напряженность поля определяется как отношение силы, действующей на заряженное тело, к заряду этого тела.

Электрический потенциал (φ) характеризует энергию, запасенную в каждой точке поля.

Электрический потенциал поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

За нулевой потенциал условно принят потенциал поверхности земли.

Разность потенциалов двух точек поля характеризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемещение единичного положительного заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую точку с меньшим потенциалом, и называется электрическим напряжением (U) U=φ₁- φ₂ [В]

Электрический ток и электропроводность вещества.

Согласно электронной теории одни атомы могут терять электроны, другие же приобретать их, в результате чего превращаются в положительные и отрицательные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Ионизация может возникнуть только при сообщении атому определенного количества энергии: в виде тепла, облучения и т.д. Электроны, потерявшие связь с атомами и перемещающиеся в пространстве между ними, называются свободными.

Если в каком-либо теле накопятся электроны или ионы, то говорят, что в теле накопилось электричество или они несут электрический заряд. Единицей электрического заряда принято считать заряд электрона. В системе СИ количество электричества измеряют в кулонах 1Кл=6,29*10¹⁸ электронов.

В веществе, помещенном в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения элементарных носителей электричества – ионов и электронов.

Направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля называется электрическим током (I).

За единицу силы тока принят ампер [A]: это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит 1 кулон электричества.

Постоянным называется ток, значение и направление которого в любой момент времени остаются неизменными. Токи, значение и (или) направление которых не остаются постоянными, называются переменными.

Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью. Электропроводность веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Существует два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока. Это металлы – ток в них обусловлен движением свободных электронов (электронная проводимость) и электролиты – прохождение тока в них связано с движением ионов (ионная проводимость).

Электрическое сопротивление и проводимость.

При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются с ионами и атомами вещества, из которого сделан проводник и передают им часть своей энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего проводник.

Противодействие проводника прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением (R) [Ом].

Сопротивление прямолинейного проводника зависит не только от материала проводника, но и его длины и площади поперечного сечения. R= ρl/s; ρ [Ом/м/мм²]

Электрическая цепь

Электрическую цепь образуют источники электрической энергии (источники питания), ее приемники (электродвигатели, электронагревательные приборы, лампы) и соединительные провода, а также вспомогательное оборудование (для включения и выключения электроустановок), электроизмерительные приборы, защитные устройства.

Электрическую цепь можно разделить на два участка: внутреннюю цепь (сам источник) и внешнюю цепь (линейные провода и приемники).

Чертеж, на котором на котором изображены электрические цепи с помощью условных графических обозначений, называют электрической схемой (Рис.11).

Д

Рис.3

ля того чтобы обеспечить непрерывное прохождение тока по электрической цепи, цепь должна быть замкнутой, а на зажимах источника питания необходимо поддерживать разность потенциалов.

Во внешней цепи ток направлен от плюса к минусу, внутри источника наоборот. Такое перемещение зарядов внутри источника совершается благодаря э.д.с., которая возбуждается внутри источника.

Э.д.с. поддерживает разность потенциалов на зажимах источника и определяет собой напряжение источника питания.

Э.д.с. обозначается Е и численно, равна работе, которую необходимо затратить на перемещение единичного положительного заряда от одного зажима к другому.

Направления тока, напряжения и э.д.с. на схемах изображают стрелками, за положительное направление тока принимают движение положительных зарядов, т.е. от плюса к минусу. Положительное направление напряжения и э.д.с. совпадает с направлением тока.

Закон Ома для электрической цепи: сила тока в электрической цепи равна э.д.с. источника поделенного на полное сопротивление цепи, которое можно представить виде суммы сопротивления приемника и внутреннего сопротивления источника питания. I=E/R I=E/R+R₀

Закон Ома может быть применен не ко всей цепи, но к любому ее участку (например аб): сила тока на данном участке цепи равна напряжению, приложенному к участку, поделенному на сопротивление этого участка. I=U/R; U=IR; R=U/I

Закон Ома применим только к линейным цепям.

Способы соединения потребителей.

При последовательном соединении (рис.12) по всем элементам цепи протекает один и тот же ток.

E=IR₁₊IR₂ = I(R₁₊R₂)=IR_Э.

R

Рис.12

Рис.11

_Э =R₁₊R₂+… U₁:U₂ =R₁:R₂

Если последовательно включено n резисторов с одинаковыми сопротивлениями R, то R_Э=nR

При параллельном соединении (рис.13) нескольких приемников ко всем резисторам приложено одинаковое напряжение

I=I₁+I₂+…

I=U/R₁+U/R₂ =U/(1/R₁+1/R₂)

I

Рис.13

₁:I₂ =1/R₁+1/R₂

Для двух резисторов

При параллельном включении n одинаковых резисторов R_Э= R/n.

При смешанном соединении резисторов эквивалентное сопротивление определяют методом преобразования.

Понятие о магнитном поле

При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле.

Магнитное поле обладает энергией, которая прояв­ляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдель­ные движущиеся электрические заряды и на их потоки, т. е. электрический ток.

Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направле­нии, перпендикулярном полю.

Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды.

Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изме­нение магнитного поля сопровождается возникновением электри­ческого поля.

Интенсивность магнитного поля, т.е. его способность производить работу определяется магнитной индукцией (В).

Магнитный поток (Ф), проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом м.с.л. пронизывающих эту поверхность Ф=BS, B=Ф/S, где S поперечное сечение магнитопровода.

Магнитная индукция зависит не только от тока, возбуждающего магнитное поле, но и от среды, в которой оно существует. Влияние среды на магнитное поле характеризуется абсолютной магнитной проницаемостью среды µа (Гн/м)

Относительная магнитная проницаемость µ_отн=µа/µ₀, где µ₀-магнитная проницаемость вакуума = 4π*10^-7(Гн/м).

Напряженность магнитного поля Н не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводника на интенсивность магнитного поля в данной точке. H=B/µ_а (А/м)

Магнитные свойства проводника с током и способы его усиления.

При прохождении тока по прямолинейному проводнику вокруг него возникает магнитное поле. Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током (рис.14). Направление этого поля всегда зависит от направления тока в проводнике и определяется по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика совместить с направлением тока в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля.

Д

Рис.14

ля получения более сильных полей при небольших токах увеличивают длину проводника с током, сгибая его в виде витков, и вставляют внутрь катушки сердечник. Т.о. получают электромагнит (рис.15).

Полярность электромагнита можно определить с помощью правой руки или по правилу буравчика: если совместить направление вращения буравчика с направлением тока в проводнике, то поступательное движение буравчика покажет направление магнитного поля внутри катушки.

Д

Рис.15

ля того, чтобы сосредоточить магнитное поле в определенной части аппарата применяют ферромагнитные материалы. Элементы из ферромагнитных материалов с разделяющими их воздушными зазорами составляет магнитопровод (магнитную цепь).

Проводник с током в магнитном поле.

Если поместить в магнитное поле проводник с током, то между электронами, проходящими по проводнику, и магнитным полем возникнут электромагнитные силы, которые, складываясь, образуют результирующую силу, стремящуюся вытолкнуть проводник из магнитного поля.

Н

Рис.16

аправление действия силы определяют по правилу левой руки: ладонь левой руки надо расположить так, чтобы силовые линии входили в нее, четыре вытянутых пальца совместить с направлением тока, тогда отогнутый большой палец укажет направление действия силы (рис.16).

Виток с током в магнитном поле.

Рис.17

Если поместить в магнитное поле не проводник, а виток (или катушку) и расположить его вертикально, то, применяя правило левой руки к верхней и нижней сторонам витка, получим, что электромагнитные силы, действующие на них, будут направлены в разные стороны. Возникает вращающий момент, который вызовет поворот витка. Виток будет поворачиваться, пока не займет горизонтальное положение (рис.17).

Электромагнитная индукция.

1. Если проводник движется в постоянном магнитном поле (пересекает силовые линии), то в нем наводится э.д.с. е=Вlvsinα – закон электромагнитной индукции Фарадея.

Направление индуцированной э.д.с. определяется по правилу правой руки: правую руку расположить так, чтобы силовые линии поля входили в ладонь, большой отогнутый палец показывал направление движения проводника, то вытянутые пальцы укажут направление э.д.с.

2. Е

   Рис.18

   сли каким-либо образом изменять магнитный поток, пронизывающий неподвижный виток (рис.19), то индуцированная э.д.с.e=-ΔΦ/Δt

Н

Рис.19

аправление э.д.с. в неподвижном замкнутом контуре определяется по правилу Максвелла: если замкнутый контур пронизывается уменьшающимся магнитным потоком, то э.д.с. индукции направлена в ту сторону, в которую приходится вращать рукоятку буравчика, ввинчиваемого поступательно по направлению магнитных линий, если магнитный поток увеличивается, то направление э.д.с. обратное.

Индукционные токи возникают не только в изолированных проводниках и обмотках, но и в сплошных металлических массах, которые подвергаются действию изменяющихся магнитных полей. Эти токи называются вихревыми и вызывают дополнительные потери на нагревание.

Для ослабления вихревых токов сердечники электрических машин собирают из отдельных изолированных пластин.

Самоиндукция.

Если по витку протекает ток, изменяющийся по величине или направлению, то в нем наводится э.д.с., которая называется э.д.с. самоиндукции.

Направление э.д.с. самоиндукции определяется по правилу Ленца: э.д.с. самоиндукции всегда имеет такое направление, при котором она препятствует изменению вызвавшего ее тока.

При постоянном токе этот процесс наблюдается в момент замыкания и размыкания цепи.

В момент замыкания магнитный поток, создаваемый протекающим по цепи током увеличивается, а появляющаяся э.д.с. препятствует увеличению тока, в момент размыкания ток уменьшается, а э.д.с. самоиндукции препятствует уменьшению тока. Т.о. при замыкании и размыкании цепей ток нарастает и падает постепенно.

Если замкнутый проводник состоит из одного витка, то магнитный поток, пронизывающий контур этого проводника при постоянной магнитной проницаемости пропорционален току, протекающему по проводнику.

Обозначим коэффициент пропорциональности L, получим Ф=LI,

L=Ф/I (Гн), где L индуктивность данного проводника.

Если имеется обмотка из w витков, то L= wФ/I=Ψ/I,

Ψ(пси)-потокосцепление.

Если в цепи, обладающей индуктивностью L, ток за время Δt изменяется на величину ΔI, то в такой цепи наводится э.д.с. самоиндукции

e= LΔI/Δt.

Э.д.с. самоиндукции пропорциональна скорости изменения тока.

Взаимоиндукция.

В

Рис.20

Рис.21

заимоиндукцией называется явление индуцирования э.д.с. в проводнике или катушке при изменении магнитного потока создаваемого другим проводником или катушкой. Индуцируемая таким образом э.д.с. называется э.д.с взаимоиндукции. З.д.с взаимоиндукции, как и самоиндукции, пропорциональна скорости изменения ток, создающего этого поля, кроме того зависит от числа витков обеих катушек и их взаимного расположения (рис.20).

Направление определяется по правилу Ленца.

Трансформаторы силовые

Трансформатор статический электромагнитный аппарат переменного тока преобразует электрическую энергию с одними значениями тока и напряжения в электрическую энергию иными значениями этих величин.

Трансформаторы бывают общего и специального назначения, одно и многофазные, стержневые и броневые, двух и многообмоточные, сухие и масляные, с естественным и принудительным охлаждением.

Однофазный двух обмоточный трансформатор стержневого типа (Рис.21) имеет обмотку высшего напряжения (ВН) с большим числом витков изолированного медного или алюминиевого провода меньшего сечения, состоящую из двух одинаковых частей, и такую же обмотку низшего напряжения (НН) с меньшим числом витков аналогичного провода большего сечения.

Различие сечений проводов, которые могут быть круглыми или прямоугольными, обусловлено неодинаковыми значениями токов, протекающих в обмотках трансформатора, питающего нагрузку Z.

Обе части обмоток соединяются между собой последовательно или параллельно и располагаются на гильзах или каркасах из электрокартона, которые укрепляются на стержнях замкнутого ферромагнитного сердечника. Выводы обмоток ВН – А,Х, НН – а,х.

Сердечник трансформатора собирается из тонких, изолированных друг от друга листов слабоуглеродистой электротехнической стали.

Для трансформаторов малой мощности применяют квадратное или прямоугольное сечение, а для трансформаторов средней и большой мощности крестообразное или многоступенчатое сечение, позволяющее уменьшить расход провода.

Помимо магнитопровода и обмоток в конструкцию трансформатора входят металлический кожух, панель с зажимами и крепежные детали. Для предохранения изоляции от недопустимого перегрева предусматривается охлаждение их окружающим воздухом или трансформаторным маслом.

При подведении синусоидального напряжения к обмотке ВН с числом витков w₁ в ней возникает переменный ток I₁, обусловливающий намагничивающую силу I₁w₁, которая возбуждает магнитный поток Ф, который наводит в первичной обмотке э.д.с. самоиндукции

e=- w₁ΔΦ/Δt,

этот же поток наводит в обмотке НН с числом витков w₂ э.д.с. взаимоиндукции

e=-w₂ΔΦ/Δt.

Отношение Е₁/Е₂= w_1/w₂=к – коэффициент трансформации.

Включение нагрузки Z сопровождается появлением тока I₂ во вторичной обмотке с намагничивающей силой I₂w₂, которая в соответствии с правилом Ленца противодействует намагничивающей силе первичной обмотки и вызывает появление магнитного потока Ф2, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке.

Таким образом, трансформатор обладает свойством саморегулирования.