Раздел V

ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Глава 27

ПОЛУЧЕНИЕ, ПЕРЕДАЧА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

27.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрический ток —это упорядоченное движение электри­ческих зарядов под действием сил электрического поля. В метал­лических проводниках и вакууме ток образуется электронным потоком, а в жидкостях и газах — потоком ионов и электронов. Чтобы получить электрический ток, необходимо собрать элект­рическую цепь, состоящую из источника электрической энергии, электроприемника и замкнутого проводящего пути (цепи) для движения электрических зарядов.

Различают внешнюю и внутреннюю части электрической цепи. Электроприемники и соединительные провода образуют ее внешнюю часть, а источник электрической энергии представляет собой ее внутреннюю часть.

Электрическая энергия получается в результате преобразова­ния других видов энергии: механической в машинных генерато­рах, тепловой в термоэлементах, лучистой в фотоэлементах, хи­мической в гальванических элементах и аккумуляторах и т.д. Электроприемники или потребители электроэнергии преобразу­ют ее в другие виды энергии: в электродвигателях — в механичес­кую, в электрических нагревательных приборах —в тепловую, в осветительных приборах —в излучение, в аккумуляторах — в хи­мическую и т. п.

В промышленности, сельском хозяйстве и быту широко приме­няется постоянный и переменный (однофазный, трехфазный) ток.

Постоянным током называется электрический ток, который не изменяется во времени и по направлению. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряжен­ных частиц, то его направление считают противоположным на­правлению движения частиц.

Наиболее распространенные источники постоянного тока — гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоян­ного тока и выпрямительные установки.

Для количественной оценки тока в электрической цепи ис­пользуют понятие «сила тока».

Сила тока — это количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени. Если за время t через поперечное сечение проводника переместилось количество электричества Q, то сила тока

(27.1)

Единица измерения силы тока — ампер (А). Плотность тока — это отношение силы тока / к площади по­перечного сечения /'проводника:

(27.2)

В замкнутой электрической цепи ток возникает под действием источника электрической энергии, который создает и поддержи­вает на своих зажимах разность потенциалов (напряжение), из­меряемую в вольтах (В).

Сопротивление, которое влияет на силу тока в проводнике при заданном напряжении, — важный параметр электрической цепи. Сопротивление проводника характеризует его способность про­тиводействовать протеканию электрического тока. Единица из­мерения сопротивления — ом (Ом).

Сопротивление зависит от материала проводника и его гео­метрических размеров (длины / и площади поперечного сечения F):

(27.3)

где р — удельное сопротивление, Ом ■ м.

Сопротивление проводников изменяется Т1ри изменении их температуры. С повышением температуры сопротивление метал­лических проводников увеличивается, а угля, растворов и рас­плавов солей и кислот уменьшается. Свойство проводников из­менять сопротивление при изменении температуры используется в проволочных датчиках температуры.

Между напряжением, током и сопротивлением существует математическая зависимость, выражаемая законом Ома. Соглас­но этому закону для участка однородной цепи сила тока прямо пропорциональна значению приложенного напряжения:

(27.4)

где U— напряжение на зажимах цепи, В.

На практике применяют параллельное, последовательное и смешанное соединение элементов электрических цепей. Общеесопротивление цепи при параллельном соединении, например трех резисторов, определяют по формуле

(27.5)

При последовательном соединении общее сопротивление

(27.6)

Мощность тока

( 27.7)

Единица мощности — 1 ватт (Вт) = 1 вольт х 1 ампер. Ватт — это мощность, при которой за 1 с равномерно выполняется ра­бота в 1 Дж. Мощность также измеряется единицами, кратными ватту: киловатт — 1 кВт = 1000 Вт, мегаватт — 1 МВт = 1 000 000 Вт.

Практическая единица измерения электрической энергии — киловатт-час (кВт ■ ч) — представляет собой работу, совершае­мую при постоянной мощности 1 кВт в течение 1 ч.

Выражение мощности электрического тока можно преобразо­вать, заменив на основании закона Ома напряжение U произве­дением IR. Тогда

(27.8)

Большое практическое значение имеет то, что одну и ту же мощность электрического тока можно получить при низком на­пряжении и большой силе тока или при высоком напряжении и малой силе тока. Это используется при передаче электрической энергии на расстояния.

При протекании электрического тока через проводник он на­гревается. Количество теплоты, выделяющейся в проводнике, опре­деляют по формуле

(27.9)

Эта зависимость называется законом Джоуля—Ленца.

На основании законов Ома и Джоуля—Ленца можно проана­лизировать явление, которое возникает на практике при непос­редственном соединении между собой проводников, подводящих электрический ток к нагрузке. Это явление называется коротким замыканием, так как ток начинает протекать более коротким пу­тем, минуя нагрузку. Это аварийный режим работы цепи, сопро­вождающийся уменьшением сопротивления и резким ростом тока.

На рисунке 27.1 показана схема включения лампы накалива­ния в электрическую сеть. Если сопротивление лампы R = 500 Ом, а напряжение сети U = 220 В, то в цепи лампы соглас­но уравнению (27.4) протекает ток силой /_л = 220/500 = 0,44 А.

Рассмотрим случай, когда провода, идущие к лампе накалива­ния, оказываются соединенными через очень малое сопротивле­ние (i?c = 0,01 Ом), например толстый металлический стержень. В этом случае ток цепи, подходя к точке А, будет разветвляться по двум направлениям: большая его часть пойдет по пути с ма­лым сопротивлением — к металлическому стержню, а небольшая часть тока будет проходить по пути с большим сопротивлени­ем — к лампе накаливания.

Определим ток, протекающийпо металлическому стержню:

При коротком замыкании напряжение сети будет меньше 220 В, так как большой ток в цепи вызовет большую потерю на­пряжения, и ток, протекающий по металлическому стержню, бу­дет несколько меньше, но тем не менее во много раз превышать ток, потреблявшийся ранее лампой накаливания.

Как известно, ток, проходя по проводам, выделяет теплоту, и провода нагреваются. В рассматриваемом примере площадь по­перечного сечения проводов рассчитана на небольшой ток — 0,44 А. При соединении проводов более коротким путем, минуя нагрузку, по цепи будет протекать очень большой ток — 22 000 А. Такой ток вызовет выделение большого количества теплоты, что приведет к обугливанию и возгоранию изоляции, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оп-» давлению контактов выключателей, ножей рубильников и т.п. Источник электрической энергии, питающий такую цепь, также может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать по­жар.

Каждую электрическую проводку рассчитывают на номиналь­ный для нее ток. Для предотвращения в цепи короткого замыкания необходи­мо соблюдать следующие требования. Электропроводка должна соответствовать условиям работы и напряжению в сети, места соединений и ответвлений должны быть хорошо изолированы, провода необходимо прокладывать в местах, защищенных от ме­ханических и химических повреждений, а также от сырости. Что­бы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электричес­кой цепи при коротком замыкании, ее защищают с помощью предохранителей или автоматических выключателей, имеющих электромагнитные расцепители.

Переменный однофазный ток —это ток, изменяющийся во вре­мени по значению и направлению. На практике применяют пе­риодически изменяющийся по синусоидальному закону пере­менный ток (рис. 27.2).

Синусоидальные величины характеризуются следующими ос­новными параметрами: периодом, частотой, амплитудой, на­чальной фазой или сдвигом фаз.

Период Т— время (с), в течение которого переменная величи­на совершает полное колебание.

Частота f— число периодов в 1 с. Единица измерения часто­ты — герц (Гц). Один герц равен одному колебанию в секунду.

Период и частота связаны зависимостью

В нашей стране применяют переменный ток частотой 50 Гц. Это значит, что полярность зажимов источника переменного тока частотой 50 Гц меняется 100 раз в 1 с.

Изменяясь во времени, синусоидальные величины (напряже­ние, ток, электродвижущая сила — ЭДС) принимают различные значения. Значение величины в данный момент времени называ­ют мгновенным.

Амплитуда — наибольшее значение синусоидальной величины.

Переменный трехфазный ток широко распространен благодаря его важным преимуществам по сравнению с постоянным током (легко повышается и понижается напряжение с помощью транс­форматора) и переменным однофазным током (значительная экономия металла на провода, а также создание вращающегося магнитного поля, которое используется в трехфазных асинхрон­ных электродвигателях).