Пучков Л.В. Прикладная электротехника - файл n2.htm

Пучков Л.В. Прикладная электротехника
скачать (118.7 kb.)
Доступные файлы (22):
n1.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n2.htm21kb.02.07.2007 11:02скачать
n3.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n4.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n5.htm22kb.02.07.2007 11:02скачать
n6.htm50kb.02.07.2007 11:02скачать
n7.htm7kb.02.07.2007 11:02скачать
n8.htm11kb.02.07.2007 11:02скачать
n9.htm6kb.02.07.2007 11:02скачать
n10.htm18kb.02.07.2007 11:02скачать
n11.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n12.htm41kb.02.07.2007 11:02скачать
n13.htm5kb.02.07.2007 11:02скачать
n14.htm9kb.02.07.2007 11:02скачать
n15.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n16.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n17.htm4kb.02.07.2007 11:02скачать
n18.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n19.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n20.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n21.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n22.htm19kb.02.07.2007 11:02скачать

n2.htm

 Раздел 1. Природа электрического тока



Чтобы понять, что такое электрический ток, нам придется бегло познакомиться со строением вещества и его мельчайших частиц - атомов и таким распространенным в физике понятием, как поле сил.

Современные представления о природе электрического тока подробно объясняются теорией электромагнитного поля с использованием высшей и "высочайшей" математики.

Полем называется часть пространства, в которой обнаруживается действие каких-либо сил, в контексте данного курса - электрических и магнитных. Электромагнитное поле есть результат взаимодействия (но не суммирования) электрического и магнитных полей. Постоянный магнит (источник магнитного поля) и наэлектризованная расческа (источник электрического поля), расположенные рядом, не создадут электромагнитного поля.

Под электрическим током мы понимаем упорядоченное движение электрических зарядов. Носителями электрических зарядов являются электроны и ионы. Скорость теплового движения молекул газа сравнима со скоростью артиллерийских снарядов, скорость движения свободных электронов может достигать сотен тысяч километров в секунду (но не выше скорости света в данной среде!). Однако при отсутствии поля вследствие беспорядочности движения носителей электрического заряда и огромного их числа в единице объема (например, в одном кубическом сантиметре меди число свободных электронов выражается двадцатидвухзначным числом) происходят их бесконечные взаимодействия ("столкновения") и носители зарядов выписывают весьма сложные траектории. Результатом является то, что средняя скорость движения зарядов в любом направлении равна нулю, то есть направленного движения (тока) нет.

Если к концам проволоки приложить электрическое напряжение (например, от аккумулятора), то внутри проводника установится электрическое поле. Оно будет воздействовать на электрические заряды, что приведет к изменению характера движения зарядов. Все электроны дружно двинутся к положительному полюсу, однако при этом сохранят и беспорядочное движение. Постоянно задерживаемые и отклоняемые от курса, они перемещаются от одного конца проводника к другому медленнее улитки.

Измерено, что в медном проводе сечением 1 квадратный миллиметр при силе тока 6 Ампер электроны перемещаются вдоль провода со средней скоростью 0,03 см/сек.

Но разве можно сказать, что скорость электрического тока мала? Ведь стоит повернуть выключатель, и электрические лампы сейчас же загораются. Говоря по междугороднему телефону, не получаем ли мы впечатление, что наш собеседник на расстоянии сотен и тысяч километров от нас слышит нас в тот же момент, когда мы говорим "Алло"?

Как же примирить это противоречие - медленное передвижение электронов вдоль провода и быструю передачу сигнала? Чтобы понять это противоречие, необходимо уяснить себе, что именно мы подразумеваем под скоростью тока. Это не есть скорость движения электронов - это скорость распространения электромагнитного поля, вызывающего направленное движение электронов. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в данной среде (для металлов чуть меньше 300000 км/сек). Электромагнитное поле распространяется почти мгновенно, поэтому и приводит электроны в направленное движение почти одновременно по всему проводнику.

Как солдаты на параде! Команда - и тысячи людей одновременно пришли в движение. Академик Иоффе приводит такой интересный расчет. Если на одном конце телеграфного провода, например, в Санкт-Петербурге, изменить потенциал на 10В, то наблюдатель в Москве заметит появление тока через 600км/300000км/сек = 0.002 сек!

Но те заряды, которые в данный момент находятся в Питере, переместились бы в Москву через 100000 лет! Их гораздо быстрее можно принести туда пешком, чем передать по проводам.

Есть несколько моделей протекания электрического тока. Упрощенно можно считать, что по современным представлениям полный электрический ток является результатом сложного взаимодействия (а не простого суммирования - это важно подчеркнуть) трех токов:

- конвекционного тока;

- тока смещения;

- тока проводимости.

Конвекционный ток может быть постоянным и переменным и существует в металлах, электролитах и ионизированных газах.

Конвекционный ток в диэлектриках (изоляторах) - явление ненормальное и обусловлен только наличием загрязнений, металлическими и металлизированными примесями. Эти примеси могут быть внутренними (плохое изготовление) и внешними (плохая эксплуатация). Изоляторы с внутренними примесями отбраковываются при высоковольтных испытаниях. Поверхностные примеси устраняются периодической чисткой изоляции.

Ток смещения существует только в диэлектриках и в вакууме. В отличие от конвекционного тока, который может быть как постоянным, так и переменным, ток смещения всегда переменный. Постоянный ток диэлектрики и вакуум не проводят.

Любой атом диэлектрика можно представить в виде двух упруго сцепленных "облаков" - положительного (ядра) и отрицательного (электронного). Под действием поля в атомах происходит смещение электрических зарядов без разрыва упругой связи между ними. При постоянном напряжении это смещение будет однократным (при включении) и ток смещения будет проходить только до тех пор, пока смещение зарядов не достигнет максимальной в данных условиях величины. При переменном напряжении смещение будет происходить каждый раз при переполюсовке металлических пластин, между которыми зажат диэлектрик.

При отключении напряжения упругие связи между зарядами вернут атомы диэлектрика в нейтральное положение, и ток смещения прекратится. Таким образом, диэлектрики в электрических цепях противодействуют напряжению точно так же, как упругие элементы в механических конструкциях препятствуют сжимающим или растягивающим усилиям и вращающим моментам.

Важно запомнить, что изоляторы под напряжением работают не только электрически, препятствуя замыканию токоведущих частей между собой и с землей, но и механически, причем механическая работа их очень тяжела.

Представьте себе, что вы получаете 100 грубых толчков в секунду - поочередно то в грудь, то в спину. Именно это испытывает вся изоляция электрических установок переменного тока. Как в металлах накапливается усталость, так старение в изоляции, особенно в неблагоприятных условиях, например, при высоких температурах...

Поэтому не следует давать изоляции еще и дополнительные нагрузки - крепить с перекосами жесткую ошиновку на опорных изоляторах, перетягивать болты и шпильки и т.д.

Что касается тока смещения в вакууме, то, естественно, в абсолютном вакууме, в котором нет материальных носителей электричества, нет и тока как такового. Однако электромагнитные поля через вакуум проникают.

Под действием этого поля на границе вакуума (например, в металлических пластинах, между которыми "зажат" вакуум) происходит поляризация зарядов, и во внешней по отношению к вакууму цепи протекает ток.

Характер тока проводимости станет понятней после изучения магнитных и электромагнитных явлений, о чем речь будет несколько дальше...

Сложнейшее взаимодействие конвекционного тока, тока смещения и тока проводимости определяется законами электродинамики, вникать в которые здесь нет ни возможности, ни необходимости. Результатом такого взаимодействия является полный электрический ток, с которым мы и имеем дело в нашей работе - генерируем, трансформируем, передаем, распределяем, потребляем и измеряем.

Теперь попытаемся понять, что же заставляет заряды двигаться. Сначала рассмотрим движение в самом общем виде. В каждый момент времени часть окружающих нас предметов (тел) покоится, а часть движется. Первое, что бросается в глаза - это однообразие покоя и разнообразие движения. У покоящихся тел можно выделить только два состояния:

- естественный покой, когда тело предоставлено самому себе и сохраняет неподвижность на горизонтальной плоскости под действием веса или удерживается силами трения на наклонной плоскости;

- искусственный покой, когда тело искусственно закреплено на наклонной или вертикальной плоскости - стене или даже на потолке.

Движущиеся тела перемещаются по прямолинейным и криволинейным траекториям, поступательно и возвратно-поступательно, вращаются вокруг своей оси или вокруг других тел, колеблются и вибрируют. Одно и то же тело может участвовать сразу в нескольких видах движений. Любое из этих движений может быть ускоренным или замедленным, ускорения сами по себе могут быть равномерными и неравномерными и т.д.

Кроме разнообразия движений, обращает на себя внимание то, что работу совершают именно движущиеся тела. Покоящиеся тела работы не совершают, но готовы ее совершить, когда будут приведены в движение. Например, подвешенный под потолком груз неподвижен и работы не совершает. Но он готов оборваться и совершить работу по разрушению находящегося под ним, например, стола.

Если бы мы могли видеть электрические заряды, то нашим глазам предстала бы примерно такая же картина, которая только что описана. Но мы не только не можем их увидеть - мы даже толком не знаем, что они собой представляют. Споры о физическом смысле и природе электрического заряда продолжаются свыше 150 лет и конца им не видно.

Для производственника достаточно знать, что электрический заряд - это некоторое количество электричества, а материальными носителями электрических зарядов являются электроны и ионы ("Ион" - греческое слово, в переводе на русский язык означает "путник", "странник").

Согласно упрощенной планетарной модели атом представляет собой микроскопическую планетную систему. Роль Солнца в этой системе играет положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны со скоростью порядка 2-3 тысяч км/сек. Некоторые из этих электронов, находящиеся на самой дальней от ядра орбите, связаны с ядром атома непрочно, и могут быть достаточно легко оторваны от атома. Такие электроны могут двигаться в пространстве между атомами, а сам атом в случае потери электронов приобретает положительный заряд, равный количеству потерянных электронов...(или отрицательный, если он присоединяет "чужие" электроны). Подобной модели вполне достаточно для изучения электротехники в нашем курсе.

Итак, материальными носителями положительного заряда являются положительно заряженные ионы, то есть атомы, у которых не хватает одного или нескольких электронов. Материальными носителями отрицательного заряда являются электроны и отрицательно заряженные ионы, то есть атомы, у которых есть один или несколько избыточных электронов.

От редактора:

Автор не упомянул о еще одном носителе положительного заряда - позитронах. Это элементарные частицы, по свойствам аналогичные электрону, но с положительным зарядом, абсолютная величина которого равна абсолютной величине заряда электрона. Встреча позитрона с электроном заканчивается "смертью" обеих частиц и полным их превращением в излучение (этот процесс называется аннигиляцией). Окружающий нас мир - мир господства электронов, поэтому позитроны в электротехнических системах не играют никакой роли.

Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Работу совершают движущиеся заряды. Покоящиеся заряды работы не совершают, но готовы ее совершить при выполнении определенных условий. Эти условия станут понятней, если опять провести механическую аналогию.

В школьном курсе физики потенциальная энергия определяется как энергия тела, поднятого над землей, или энергия сжатой пружины, или энергия отклоненной пластинчатой пружины, или энергия растянутой резины, или... (продолжите сами).

Ясно, что для сообщения телу потенциальной энергии нужно произвести определенную работу - поднять, сжать, отклонить, растянуть и т.д. Например, достаточно часто применяются выключатели с отключающими пружинами. При включении такого выключателя производится работа не только по замыканию первичной цепи, но и по подготовке выключателя к отключению, то есть по сжатию его отключающей пружины. Запасенная при этом потенциальная энергия освобождается при выбивании защелки при прохождении команды на отключение выключателя и превращается в работу по отключению выключателя, в том числе и по растягиванию дуги, возникшей между его главными контактами.

Рассмотрим некоторое тело, покоящееся на Земной поверхности. Это тело обладает некоторой потенциальной энергией относительно, скажем, центра Земли. Если мы поднимем тело, например на один метр, его потенциальная энергия увеличится, а нам придется совершить против силы тяжести работу, равную приращению потенциальной энергии тела. Если мы отпустим тело, оно под действием силы тяжести начнет падать, при этом постепенно будет увеличиваться его кинетическая энергия, а потенциальная энергия тела будет в той же самой мере уменьшаться.

Потенциальную энергию тела можно выражать в высоте подъема (метрах), которую в этом случае удобно называть потенциалом (потенциал - это работа, которую может тело при падении с данной высоты).

Для электрического заряда потенциал - это работа, которую может совершить один электрический заряд при аналогичном "падении". Таким образом, потенциал - это тоже возможность совершать работу, но возможность, выраженная не в единицах энергии или работы, а в некоторых других, более удобных в данном случае единицах (в нашем случае - в метрах).

Для получения работы важен не потенциал сам по себе, а разность потенциалов - верхнего и нижнего положений тела. А раз так, то нижний потенциал всегда можно принимать за нулевую отметку и все измерения потенциалов производить относительно него.

Если считать вес тела электрическим зарядом, то подъем тела все выше и выше будет соответствовать накоплению статического электричества (неподвижных электрических зарядов) на каком - либо проводнике, изолированном от земли и других проводников. Это электричество неощутимо для человеческих органов чувств, пока заряды не получат возможность двигаться, то есть пока не будет создан электрический (проводящий) путь от заряженного проводника к поверхности более низкого потенциала, например, к земле, которая в электротехнике считается поверхностью нулевого потенциала.

Все видели, что бензовозы волокут за собой цепочку, по которой стекает в землю статическое электричество, образующееся на цистерне за счет трения о воздух. Отключенный с обеих сторон высоковольтный кабель обладает большим остаточным зарядом и прикоснувшемуся к нему человека сильно "тряхнет" разрядным током, так что прикасаться к нему можно только после установки заземления.

Таким образом, электрические заряды "падают" по проводнику от более высокого электрического потенциала к более низкому. Точно так же тело падает в поле силы тяжести от более высокого гравитационного потенциала к более низкому потенциалу. Произведенная при этом работа (затраченная энергия) определяется:

-в первом случае величиной заряда и разностью электрических потенциалов;

- во втором случае весом тела и разностью гравитационных потенциалов (высот).

Разность электрических потенциалов принято называть напряжением. Единица электрического заряда - кулон - численно равна заряду, который несут приблизительно 6х1018 электронов.

На нашем механическом примере с поднимаемым телом мы видим, что обеспечить непрерывное и длительное совершение работы падающим телом можно только в том случае, если тел будет много и если обеспечить какой-то механизм возврата тел наверх, к состоянию более высокого потенциала.

Так как при возврате тела перемещаются из области низкого гравитационного потенциала (на земле) в область с более высоким потенциалом, то для совершения работы, необходимой для такого перемещения, требуется внешний источник энергии (в нашем примере - это человек, поднимающий тело).

Аналогично предыдущему и перемещение электрических зарядов из области низкого потенциала в область высокого потенциала также требует затрат энергии, получаемой от постороннего источника. В замкнутых электрических цепях постоянного тока перемещение зарядов в обратном направлении осуществляется гальваническими элементами, аккумуляторами и вращающимися генераторами.

Посторонними источниками здесь являются:

- энергия естественных химических реакций (у гальванических элементов);

- запасенная от зарядных и подзарядных устройств и агрегатов энергия (у аккумуляторов);

- механическая энергия первичных двигателей, например, турбин (у генераторов).

Содержание



© 1999 Л.В. Пучков, Редакция 2000 А.Н. Бугаев.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации