Фащевська Т.М. Конспект лекцій ТОЕ - файл n1.doc

приобрести
Фащевська Т.М. Конспект лекцій ТОЕ
скачать (2891.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2892kb.16.09.2012 07:04скачать

n1.doc

  1   2   3   4


Міністерство освіти і науки України

Запорізький електротехнічний коледж

Запорізького національного технічного університету

ЗАТВЕРДЖЕНО

Протокол засідання ПЦК 5.05070104

від « ___ » _______ 2011р. № ____

Голова ПЦК______Т.М. Фащевська


ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ

Конспект лекцій

Частина 1

для спеціальностей «Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств і цивільних споруд», «Виробництво електричних машин і апаратів»
Викладач Т.М. Фащевська


2011

Конспект лекцій з предмету "Теоретичні основи електротехніки" для студентів денної та заочної форми навчання спеціальностей 5.05070104 «Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств і цивільних споруд», 5.05070201 «Виробництво електричних машин і апаратів», розглянуто на засіданні методичної ради коледжу та рекомендовано для використання у навчальному процесі.
Секретар методичної ради В.В. Кузьменкова

Конспект лекцій з предмету "Теоретичні основи електротехніки" для студентів денної та заочної форми навчання спеціальностей 5.05070104 «Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств і цивільних споруд», 5.05070201 «Виробництво електричних машин і апаратів » оформлено згідно з вимогами стандартів коледжу.
Фахівець зі стандартизації В.О.Білий


Передмова
Конспект лекцій з "Теоретичних основ електротехніки" призначено для студентів спеціальностей коледжу: «Монтаж і експлуатація електроустаткування підприємств і цивільних споруд», «Виробництво електричних машин і апаратів». В конспекті, який складається з двох частин висвітлюються основні закони електротехніки, поняття про електричні кола та електричні схеми, електричні процеси у колах, методи розрахунку кіл постійного струму, основні характеристики магнітного поля, закони й правила, електромагнітні взаємодії, намагнічування й перемагнічування феромагнітних матеріалів у магнітному полі, поняття про потокозчеплення, індуктивність, взаємоіндуктивність, явища взаємоіндукції та самоіндукції, основні поняття про синусоїдальний струм, та його електричні кола, методи розрахунку кіл з активним опором, індуктивністю та ємністю, явища резонансів напруг і струмів, енергетичні процеси у колах, основні поняття й методи розрахунку трифазних кіл.

Конспект лекцій з "Теоретичних основ електротехніки" складено згідно з діючими робочими навчальними програмами.

Зміст
Вступ 8

1 Основні поняття про електричне поле 9

1.1Електричне поле та його характеристики 10

1.2 Електричне поле як особливий вид матерії.Електрична взаємодія зарядів Закон Кулона 11

1.3 Електричне поле декількох зарядів 12

1.4 Однорідне електричне поле. Еквіпотенціальні поверхні 13

1.5 Потік вектора напруженості

2 Електричний струм провідності як фізичне явище 15

2.1 Провідники, діелектрики. Напівпровідники 15

2.2 Провідники в електричному полі 16

2.3 Поляризація діелектрика 17

2.4 Електричний пробій діелектрика 18

3 Електричний струм та опір 19

3.1 Електричний струм та його густина 19

3.2 Опір та закон Ома. Залежність опору від температури та геометричних розмірів 20

3.3 Елементи опору та реостати 21

4 Ємність. Конденсатор 24

4.1 Сполучення конденсаторів 24

4.2 Плоский конденсатор 26

4.3 Циліндричний конденсатор 28

4.4 Енергія електричного поля конденсатора 29

5 Найпростіше електричне коло та його елементи 30

5.1 Електричне коло та його елементи. Схема електричного кола 30

5.2 Електроенергія. Потужність та ККД 32

5.3 Закон Джоуля-Ленца 33

6 Режими роботи джерела електричної енергії 34

6.1 Узагальнений закон Ома 34

6.2 Електричне коло з декількома джерелами ЕРС 35

6.3 Баланс потужностей 36

6.4 Потенціальна діаграма 36

7 Розрахунок лінійних електричних кіл постійного струму 39

7.1 Закони Кірхгофа 39

7.2 Застосування законів Кірхгофа 39

7.3 Врахування джерел струму 40

8 Еквівалентні перетворення в лінійних електричних схемах 41

9 Поняття про трикутник та зірку з пасивних елементів кола 43

9.1 Перетворення трикутника опорів в еквівалентну зірку та

навпаки 43

9.2 Сполучення джерел живлення 44

9.3 Розрахунок електричних кіл методом перетворення схеми (метод згортання) 44

10 Поняття про втрату напруги у проводах ліній 46

електропередач

10.1 Втрати напруги у проводах ліній електропередач 46

10.2Вибір перерізу проводів за допустимою втратою напруги 48

10.3 Вибір раціональних напруг 50

11 Нерозгалужене коло із змінним опором 50

11.1 Коло зі змінним опором 50

11.2 Режими роботи кола 52

12 Розрахунок складних електричних кіл постійного струму 53

12.1 Розрахунок складних електричних кіл методом

накладання(метод суперпозиції полів) 53

12.2 Розрахунок складних електричних кіл методом контурних

струмів 56

12.3 Розрахунок складних електричних кіл методом вузлової

напруги 60

12.4 Розрахунок складних електричних кіл методом

еквівалентного генератора 63

12.4.1 Теорема об еквівалентом генераторі 63

12.4.2 Метод еквівалентного генератора 64

13 Магнітне поле 66 13.1 Магнітне поле електричного струму. Правило свердлика 66

13.2 Індукція магнітного поля 68

13.3 Магнітна проникність 69

13.4 Правило лівої руки 70

14Характеристики магнітного поля 72

14.1Магнітний потік 72

14.2 Вектори намагніченості та напруженості 73

14.3 МРС та магнітна напруга. Закон повного струму 74

15 Магнітне поле провідника зі струмом та котушки 75

15.1 Магнітне поле провідника зі струмом 75

15.1 Магнітне поле котушки зі струмом 77

16 Електромагнітна індукція 78

16.1 Явище електромагнітної індукції 78

16.2 ЕРС електромагнітної індукції 78

16.3 Правило правої руки 80

17 Закон електромагнітної індукції 81

17.1 Закон електромагнітної індукції 81

17.2 Правило Ленца 82

17.3 Види магнітних полів 83

18 Феромагнетики 83

18.1 Намагнічування феромагнетиків 83

18.2 Циклічне перемагнічування 85

18.3 Гістерезис. Втрати від гістерезису 86

19 Феромагнітні матеріали 88

19.1 Класифікація феромагнітних матеріалів 88

19.2 Вихрові струми. Втрати в сталі 89

20 Магніти 91

20.1 Постійні магніти 91

20.2 Електромагніти 93

21 Магнітні кола 95

21.1 Класифікація магнітних кіл 95

21.2 Закон Ома для ділянки магнітного кола. Магнітний опір 96

21.3 Закони Кірхгофа для магнітного кола 97

21.4 Розрахунок нерозгалужених магнітних кіл 98

21.5 Розрахунок розгалужених магнітних кіл 100

21.5.1 Розгалужене симетричне магнітне коло 100

21.5.2 Розгалужене несиметричне магнітне коло 102

22 Явище самоіндукції 105

22.1 Індуктивність 105

22.2 Індуктивність кільцевої та циліндричної котушок 106

22.3 Самоіндукція. ЕРС самоіндукції 107

22.4 Нелінійна котушка індуктивності 108

23 Явище взаємоіндукції 109

23.1 Енергія магнітного поля 109

23.2 Взаємоіндукція. ЕРС взаємоіндукції 110

23.3 Принцип дії трансформатора 112

24 Принцип дії електричних машин 113

24.1 Перетворення механічної енергії в електричну.(принцип дії генератора) 113

24.2 Перетворення електричної енергії в механічну (принцип дії двигуна) 115
Список літератури 117
Вступ
Метою предмету є вивчення основних елементів кіл, фізичної сутності електричних та магнітних явищ, які спостерігаються в електротехнічних пристроях. Вивчення предмету ґрунтується на навчальному матеріалі, насамперед, математики та фізики, та стає теоретичною базою для вивчення предметів за фахом: електричні машини, основи електроприводу, електропостачання підприємств та цивільних споруд.

Задачі предмета: вивчити основні закони електротехніки, поняття про електричні схеми, електричні процеси у колах, методи розрахунку кіл постійного струму, основні характеристики магнітного поля, електромагнітні взаємодії, намагнічування й перемагнічування феромагнітних матеріалів у магнітному полі, поняття про потокозчеплення, індуктивність, взаємоіндуктивність, явища взаємоіндукції та самоіндукції, основні поняття про синусоїдальний струм, та його електричні кола, методи розрахунку кіл з активним опором, індуктивністю та ємністю, явища резонансів напруг і струмів, енергетичні процеси у колах, основні поняття й методи розрахунку трифазних кіл.

На рисунку 1.1 представлена блок-схема взаємодії предмета з іншими предметами.

Рисунок 1.1 - Блок-схема взаємодії предмета з іншими предметами
Електротехніка - це наука о застосуванні електричної енергії у практичних цілях. Електротехніка розглядає питання виробництва електроенергії, її розподілення та перетворення у інші види енергії. Електроенергія володіє цінними властивостями: вона дуже просто перетворюється з інших видів енергії, передається на великі відстані з малими втратами, у пункті споживання вона розподіляється та перетворюється у потрібний вид енергії.

Споживачами електроенергії є електродвигуни, електропечі, електролізні, термічні, зварювальні устаткування, освітлювальні та побутові прибори тощо.
1 Основні поняття про електричне поле
Ще давні греки знали, що янтар потертий об хутро отримує здатність притягувати до себе пух, волосся та інші легкі тіла, але зовсім не знали у чому суттєвість цього явища та чим воно може бути корисним для людства. Грецький філософ Фалес Мілетський у VI столітті до нашої ери описав це явище, яке більш ніж 2000 років залишалось не вивченим. У XVI столітті англійський вчений Гілберт повторив досліди, описані Фалесом Мілетським. На базі дослідів він встановив, що крім янтарю, властивість притягувати легкі тіла отримують при терті алмаз, гірський кришталь, сірка, смола… Тіла, які володіють подібними властивостями почали називати наелектризованими.

Слово «електрика» походе від слова «електрон», що грецькою мовою означає янтар. А явище виникнення цих властивостей у тіл було названо електризацією. Доказ електризації металів тертям уперше було дано руським фізіком В.В.Петровим. Виявилось, що наелектризувати тертям можна всяке тіло не залежно від того в якому воно стані: твердому, рідкому чи газоподібному.

Дюфе у 1733 році виявив, що тіла електризуються різнорідними електриками: перший рід з’являється на склі, дорогоцінних каменях, хутрі, другий - на янтарі, смолі, шовку. Пізніше електрику, яка з’являється на склі, назвали позитивною, а на янтарю - негативною.

Таким чином, всяке тіло вміщує у себе багату кількість елементарних часток речовини, які мають електричний заряд: позитивний ( протони ) чи негативний

( електрони ). Коли тіло має однакову кількість протонів й електронів, то кажуть, що воно електрично нейтральне. В електрично зарядженому тілі переважають ті чи інші заряди, й тоді кажуть, що тіло позитивно чи негативно заряджене.

Заряди ( чи електрично заряджені тіла ) взаємодіють між собою на відстані: різнойменні заряджені частки притягуються один до одного ( "+ та -" ), однойменні заряджені частки відштовхуються один від одного ( "- та -" чи "+ та +" ). Цю властивість зарядів назвали законом взаємодії зарядів.

Таким чином, заряд - це властивість та міра наелектризованості тіла. Електричний заряд позначають - q, Кл (кулон). Електричний заряд електрона: q = 1,6 Ч 10-19 Кл. Тобто, при числі електронів 6,3 Ч 1018 q = 1 Кл та його називають одиничним зарядом. Заряд розміщується тільки на поверхні.

Електричне поле - це матеріальне середовище, яке оточує заряди, в якому заряди взаємодіють між собою і яке неможливо відчути органами почуття.

Кожний заряд пов’язаний з оточуючим його електричним полем. Електричне поле чинить силову дію на внесене в нього електричне заряджене тіло. Тобто електричне поле виконує роботу по відношенню до внесеного тіла, та володіє енергією, яку називають електричною.

Електрична енергія - це властивість електричного поля виконувати роботу по відношенню до внесеного в нього електрично зарядженого тіла чи часток. Позначається - W, Дж.
1.1ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ ТА ЙОГО ХАРАКТЕРИСТИКИ
Кожна точка електричного поля характеризується напруженістю поля, яка позначається - E, В/м (вольт/метр). Напруженість поля числено дорівнює силі поля, яка діє на одиничний заряд:



де - сила поля, яка діє на одиничний заряд, Н

Крім числового значення напруженість характеризується напрямом, який збігається з напрямом сили поля, діючи на позитивний заряд у цій точці. Таким чином, напруженість поля - векторна величина.

Електричне поле графічно зображується лініями напруженості, які починаються на позитивному заряді, а закінчуються на негативному, тобто є незамкненими. Лінії проводяться так, щоб у кожній її точці вектор напруженості був направлений уздовж дотичної до неї у цій точці.

При переміщенні заряду в однорідному полі силами поля виконується робота, яка числено дорівнює добутку сили електричного поля, яка діє на заряд, на відстань, на яку перемістився заряд під дією електричного поля. Позначається - А. Вимірюється у Дж.

,

де - відстань, на яку перемістився заряд під дією електричного поля, м

Електрична напруга між двома точками електричного поля ( далі напруга ) - це величина, яка визначається відношенням роботи по переміщенню заряду між цими двома точками поля, до заряду. Позначається - . Вимірюється - В.

або

Потенціал точки - це напруга між даною точкою та точкою нульового потенціалу. Потенціал нульової точки умовно приймається рівним нулю. Потенціал позначається - ?, В

Електрична напруга між двома точками електричного поля дорівнює різниці потенціалів цих точок:

1.2 Електричне поле як особливий вид матерії
Електрична взаємодія зарядів. Закон Кулона
У 1785 році французький вчений Кулон встановив кількісну залежність між силою взаємодії двох електричних зарядів, їх величиною та відстанню між ними. Для дослідження взаємодії зарядів Кулон використав крутильні ваги, які складаються з непровідного електричний заряд стрижня, підваженого на тонкій кварцовій нитці, у скляному циліндричному сосуді. На одному кінці стрижня був закріплений металевий шар, на іншому - противаг. На скляному сосуді була нанесена шкала, яка дозволяла вимірювати кут закручування нитки. Через отвір у кришці сосуду ввели другий аналогічний за розмірами нерухомий металевий шар. На шкалі відмічають місце розташування рухомого шару. Потім шари заряджають й спостерігають кут закручування нитки. Змінюючи відстань між шарами й вимірюючи кут закручування було знайдено залежність сили взаємодії зарядів на відстані.

Величину заряду при постійній відстані між шарами змінювали таким чином: незаряджений шар аналогічний шарам у сосуді присували до одного із заряджених шарів, при цьому половина заряду з останнього стікала до незарядженого шару. Таким чином була встановлена залежність між силою взаємодії та величиною зарядів, які знаходяться у повітрі.

На базі зроблених вимірювань Кулон вивів наступне:

Сила взаємодії двох точкових електричних зарядів прямо пропорційна добутку цих зарядів, та обернено пропорційна квадрату відстані між ними та направлена уздовж прямої, яка з’єднує ці заряди. Математично цей закон можна виразити такою формулою:

де - величини зарядів, Кл

К - відстань між зарядами, м

?а - абсолютна діелектрична проникність середовища,Ф/м

Досліди показали, що величина сили взаємодії наелектризованих тіл також залежить від ізолюючого середовища, в якому вони знаходяться. Наприклад, сила взаємодії у керосині при усіх рівних умовах менше, ніж у вакуумі, у два рази, а в воді - у 81 раз.

Величина, яка дозволяє врахувати вплив ізолюючого середовища на силу взаємодії наелектризованих тіл, називається абсолютною діелектричною проникністю середовища. Позначається ?а. Чим більше ця проникність, тим менше сила взаємодії зарядів. Абсолютну діелектричну проникність середовища можна представити як добуток двох величин: ,

де - це діелектрична проникність ( чи відносна діелектрична проникність ), величина безмірна, залежить лише від властивостей середовища й не залежить від вибору одиниць вимірювання, вона показує у скільки раз сила взаємодії між електричними зарядами у даному середовище менше, ніж у вакуумі. Для вакууму =1, для керосину - 2, скла - 6ч8, води - 81, повітря - 1, папір - 4.

- це електрична постійна, або стала величина, вона є розмірною, та залежить лише від вибору одиниць вимірювання та не залежить від властивостей середовища. У системі СІ має значення: Ф/м

Сили взаємодії нерухомих електричних зарядів називають електростатичними. Електричне поле нерухомих зарядів називають електростатичним.

Коли в електричне поле заряду внести заряд , то буде виникати Кулонівська сила. Тобто поле виконує роботу, та при цьому виділяється енергія. Відношення цієї електроенергії до величини заряду поля називається потенціалом:



При нескінченній відстані потенціал дорівнює нулю, тобто потенціал нескінченно віддаленої точки дорівнює нулю.
1.3Електричне поле декількох зарядів
Коли електричне поле створюється не одним, а декількома точковими зарядами, то має місце принцип накладання (метод суперпозиції полів). Тобто сила, з якою два заряду діють на третій заряд дорівнює геометричній сумі двох сил:

силі, з якою перший заряд діє на третій при відсутності другого заряду:



силі, з якою другий заряд діє на третій при відсутності першого заряду:



де - відстань між першим та третім зарядами, м

- відстань між другим та третім зарядами, м

Вектори напруженості поля першого та другого зарядів:


Зарядженні тіла, розміри яких малі в порівнянні з відстанню між ними, називаються точковими зарядами. Два точкових електричних заряду, рівні за величиною й протилежні за напрямком, і які знаходяться один від одного на дуже малій відстані при зрівнянні з відстанню від них до точок спостереження ( чи іншого заряду ), утворюють електричний диполь. Електричний момент диполя - це векторна величина, яка дорівнює добутку абсолютного значення одного з даних зарядів і відстані між ними й направлена від негативного до позитивного заряду. Позначається - р, :


1.4Однорідне електричне поле. Еквіпотенціальні поверхні
Якщо взяти дві рівні та паралельно розташовані металеві пластини з однаковими , але протилежними за знаком зарядами, то вони утворять простіший вигляд електричного поля, яке назвали однорідним. В однорідному полі силові лінії паралельні між собою та перпендикулярні до пластин, а щільність ліній всюди однакова. Лише на краях пластин лінії скривлені й мають іншу щільність. Ми будемо називати поле однорідним, якщо у всіх точках його вектори напруженості однакові за величиною та напрямком.

Чим густіше розміщенні силові лінії однорідного поля, тим більше напруженість у кожній його точці.



Рисунок 1.2-Електричне поле, між двома зарядженими плоскими пластинами
Площина, усі точки якої мають однаковий потенціал, називається рівнопотенціальною чи еквіпотенціальною. Вектор напруженості ( а також силові лінії ) завжди перпендикулярні до еквіпотенціальної площини. Еквіпотенціальні поверхні повторюють конфігурацію тіла.

Еквіпотенціальні поверхні проводяться так, щоб напруга між всякими суміжними поверхнями була однакова. При збільшенні відстані від центру шару та при зменшенні напруженості поля щільність електричних ліній зменшується обернено пропорційно квадрату відстані ( тобто Е зменшується обернено пропорційно квадрату відстані ). Разом з цим зростають відстані між сусідніми еквіпотенціальними поверхнями, так як у більш слабкому полі потребується більша відстань для зміни потенціалу на одну і ту ж величину.
1.5Потік вектора напруженості
Загальну кількість силових ліній ( тобто щільність поля, або густину ), які пронизують площину S, визначає потік вектора напруженості електричного поля.

Добуток напруженості електричного поля й площі, яка перпендикулярна до напрямку електричних ліній ( силових ліній напруженості ), називається потоком вектора напруженості поля крізь цю площу. Позначається - N, .



де - напруженості електричного поля, В/м

- площа, яка перпендикулярна до напрямку електричних ліній, м2

Коли вектор напруженості не перпендикулярний площі, визначають нормаль ( тобто перпендикулярну ) складову вектора напруженості - ЕН, і тоді:



Теорема Остроградського і Гауса встановлює лінійну залежність між потоком вектора напруженості поля крізь замкнену поверхню та величиною заряду внутрі цій поверхні: потік вектора напруженості електричного поля крізь замкнену поверхню дорівнює відношенню алгебраїчної суми зарядів, замкнених внутрі цій поверхні, до абсолютної діелектричної проникності:

,

де n - кількість зарядів, замкнутих всередині поверхні.


2 Електричний струм провідності як фізичне явище
2.1 Провідники, діелектрики, напівпровідники
Всі речовини складаються з атомів й молекул, які мають позитивно заряджені ядра та негативно заряджені електрони. Атоми й молекули електрично нейтральні, так як заряд ядра дорівнює сумарному заряду електронів, які оточують ядро. При наявності зовнішніх факторів ( збільшення температури, електричне поле тощо ) атом чи молекула втрачає електрон. Цей атом перетворюється у позитивний іон, а електрон, який відірвався від атому, може приєднатися до іншого атому, перетворивши його на негативний іон, чи залишитися вільним. Процес утворення іонів називають іонізацією. Кількість вільних електронів чи іонів в одиниці об’єму речовини називається концентрацією заряджених часток. Таким чином, в речовині, яку помістили у електричне поле, під дією сил поля виникає процес руху вільних електронів чи іонів у напрямку сил поля, який назвали електричним струмом.

Властивість речовини проводити струм під дією електричного поля називається електропровідністю речовини, яка залежить від концентрації вільних електрично заряджених часток. Чим більше концентрація заряджених часток, тим більше електропровідність речовини. Всі речовини в залежності від електропровідності діляться на:

1 Провідники. Володіють дуже великою електропровідністю. Провідники діляться на дві групи. До провідників першої групи відносяться метали (мідь, алюміній, срібло тощо ) та їх сплави, в яких можливо переміщення тільки електронів. Тобто в металах електрони дуже слабо зв’язані з ядрами атомів й легко від них відділяються. В металах явище електричного струму пов’язано з рухом вільних електронів, які володіють дуже великою рухомістю та знаходяться в стані теплового руху. Цю електропровідність називають електронною. Провідники використовуються для виготовлення проводів, ЛЕП, обмоток електричних машин тощо. До провідників другої групи відносяться водні розчини солей, кислот тощо, які називають електролітами. Під дією розчину молекули речовини розпадаються на позитивні та негативні іони, які під дією електричного поля почнуть переміщатися. Іони електроліту при проходженні струму почнуть осаждатися на електродах, опущених в електроліт. Процес виділення речовини з електролітів електричним струмом називається електролізом. Його використовують для добичі кольорових металів з розчинів їх з’єднань ( мідь, алюміній ), а також для покриття металів захисним шаром іншого металу ( наприклад, хромування ).

2 Діелектрики ( чи електроізоляційні речовини ). Речовини з дуже малою електропровідністю ( гази, гумові речовини, мінеральні олії тощо ). В цих речовинах електрони дуже сильно пов’язані з ядрами атомів і під дією електричного поля рідко відділяються від ядер. Тобто діелектрики не проводять електричний струм. Цю їхню властивість використовують при виробництві електрозахисних засобів: діелектричні рукавички, взуття, коврики, ізолюючи підставки, накладки, ковпаки, ізолятори на електрообладнанні тощо.

Діелектрики можуть бути: тверді, газоподібні, рідині.

3 Напівпровідники (германій, селен, кремній). Це речовини, які окрім електронної провідності, мають «діркову» провідність, яка в великій ступені залежить від наявності зовнішніх факторів: світла, температури, електричного чи магнітного поля. Ці речовини мають ковалентний зв'язок ( - це хімічний зв'язок між двома електронами сусідних атомів на одній орбіті ). Ковалентний зв'язок дуже неміцний. При наявності зовнішнього фактора він руйнується і з’являються вільні електрони (електронна провідність). У момент утворення вільного електрону у ковалентному зв’язку з’являється вільне місто - «електрона дірка»(еквівалентна протону), яка притягує до себе електрон з сусіднього ковалентного зв’язку. Але тоді утворюється нова «дірка», яка знову притягує до себе електрон з сусіднього ковалентного зв’язку й так далі. Тобто під дією електричного поля переміщуються «дірки» у напрямку поля (назустріч електронам) - рух протонів. Таким чином, при електронній провідності - електрон проходе увесь шлях, а при «дірковій» - електрони почергово заміщуються у зв’язках, кожний електрон проходе частку шляху. При порушені зв’язків у напівпровідниках одночасно виникає однакова кількість електронів та «дірок». Тобто, провідність складається з електронної та «діркової» й називається власною провідністю напівпровідника. Властивості напівпровідників можливо змінити, якщо до них внести домішки інших речовин. Тим самим збільшити ту чи іншу провідність. Це використовується у промисловій електроніці: діоди, транзистори, тиристори. Використовують, як підсилювачі, випрямлячі, електронні генератори, стабілізатори тощо. Їх переваги: мала втрата енергії, вартість, розмір та маса, простота експлуатації, великий строк роботи. Недолік: залежність провідності від температури.

2.2 Провідники в електричному полі
Коли провідник помістити у електричне поле, то під дією поля вільні електрони провідника почнуть переміщатись у напрямку, протилежному напрямку силових ліній поля. При цьому на одній поверхні провідника виникає надмірний негативний заряд, а на іншій - надмірний позитивний. Тобто, всередині провідника виникає додаткове електричне поле, напруженість якого направлена назустріч напруженості зовнішнього поля. Тоді, напруженість й дія зовнішнього поля на вільні електрони буде слабнути. Це буде відбуватися доки напруженість результуючого поля всередині провідника не стане рівною нулю:

Тоді, розподілення зарядів закінчиться і електрони стануть нерухомими.

Таким чином, електричне поле всередині провідника відсутнє й всякий провідник, який знаходиться біля наелектризованого тіла, електризується. Це явище називається електростатичною індукцією чи електризацією. Слово індукція йде від латинського слова «індуко» - навожу. Явище електричної індукції було вивчено у 18 столітті руським вченим Ф.У. Епінусом.

Тобто, електростатична індукція - це явище розділення електричних зарядів провідника під дією зовнішнього електричного поля. При віддаленні цього поля електрони розподіляються по всьому провіднику й нейтральний стан провідника відновлюється. Електричні заряди розміщуються лише на зовнішній поверхні плоского чи випуклого провідника, але вони не розміщуються ні всередині тіла ні на вигнутих поверхнях. Тобто, електричне поле відсутнє всередині пустого зарядженого провідника. Це явище пояснюється тим, що по закону взаємодії однаково заряджених зарядів відбувається переміщення зарядів доки напруженості не зрівняються, але зовнішня поверхня завжди далі від внутрішньої, тому заряди розміщуються на зовнішній поверхні. При чому, чим більше кривизна поверхні, тим щільніше розміщуються заряди. Це явище використовують у вигляді металевих сіток для екранування ( захисту від зовнішніх електростатичних полей обладнання та людини при виконанні робіт у зоні впливу електричного поля ). При напруженості електричного поля до 5 кВ/м тривалість присутності людини у зоні його впливу не обмежується, при напруженості 20ч25 кВ/м - не більше 10 хвилин, при напруженості вище 25 кВ/м - треба використовувати екранування.
2.3 Поляризація діелектрика
Якщо діелектрик помістити у електричне поле, то під дією сил поля електрони на орбітах зміщуються назустріч поля ( тобто відносно один одного, так як вільних електронів діелектрик не має ).Тобто кожна раніше нейтральна молекула чи атом стають диполями з рівними зарядами ядра та електронів на орбітах. У деяких діелектриках та при відсутності електричного поля є диполі, але вони розташовані хаотично. А коли діелектрик знаходиться у електричному полі, то диполі розташовуються так що їх позитивні заряди знаходяться у напрямку силових ліній поля, а негативні - у протилежному напрямку. Такий діелектрик називається поляризованим, а явище - поляризацією діелектрика. Явище поляризації діелектриків було вивчено у 18 столітті руським вченим Ф.У. Епінусом. Виникає внутрішнє поле, напруженість якого направлена назустріч напруженості зовнішнього поля, та результуюча напруженість зменшується. Диполі з’являються на межі діелектрика та провідника, нейтралізують частку зарядів провіднику, тому сила взаємодії зарядів у провіднику зменшиться, та напруженість у кожній точці провіднику теж зменшиться, а діелектрична проникність за законом Кулона такого діелектрика збільшиться. При внесені діелектрика у електричне поле ЕРС цього поля зменшується на величину, яка дорівнює діелектричній проникності діелектрику, тобто у раз. Коли діелектрик знаходиться у змінному електричному полі, то зміщення електронів теж змінне. Це приводе до збільшення рухомості часток, а тобто до нагріву діелектрика згідно закону Джоуля - Ленца. Чим частіше змінюється поле, тим сильніше нагрівається діелектрик.
2.4 Електричний пробій діелектрика
В нормальних умовах діелектрик володіє малою провідністю. Ця його властивість зберігається доки напруженість зовнішнього електричного поля, в якому він знаходиться, не збільшиться до деякого значення, при якому починається іонізація молекул діелектрика (розчеплення молекул на іони). При цьому зв'язок між електронами й протонами розривається й з’являються вільні електрони. В такому стані діелектрик переходить в стан провідника, та утворюється утвір для проходження електричного струму, тобто діелектрик починає проводити струм. Це значення напруженості для кожного діелектрика різне.

Напруженість електричного поля, при якому у діелектрика починається іонізація молекул, називається пробивною напруженістю (чи електричною міцністю) діелектрика. Величина напруженості електричного поля, яка допускається в діелектрику при його використанні у електричних устаткуваннях, називається допустимою напруженістю діелектрика. Ця величина менше за електричну міцність діелектрика. Відношення пробивної напруженості до допустимої визначає запас міцності діелектрика.

У газів та рідких діелектриків ізолюючі властивості відновлюються при зниженні прикладеної напруженості поля до величини меншої за пробивну напруженість, а у твердих діелектриків не відновлюється.

Значення пробивної напруженості для деяких діелектриків: скло - 40 кВ/мм, фарфор - 7,5 кВ/мм, повітря - 3 кВ/мм.

З точки зору міцності діелектриків кращими діелектриками є вакуум й гази, особливо при високому тиску.


3 Електричний струм та опір
3.1 Електричний струм та його густина
Електричний струм - це спрямований рух заряджених часток під дією електричного поля в провіднику. Позначається - І, А(ампер).

Сила струму - це кількість зарядів, які пройшли скрізь поперечну площину провідника в одиницю часу:

де - час, с

Постійний струм - це струм, який не змінюється ні за значенням ні за напрямком з часом. За додатній напрямок струму приймають напрямок переміщення протонів, тобто назустріч електронам - від "+" до "-".

Густина струму - це величина, яка чисельно дорівнює відношенню сили струму до площини поперечного перерізу проводу, по якому проходить цей струм. Позначається - , .

,

де - площа поперечного перерізу проводу, мм2



Рисунок 3.1- Електричний струм в різних перетинах проводу

Таким чином, густина струму визначається зарядом, який проходе через одиницю поперечного перерізу провода в одиницю часу. Заряд пропорціональний швидкості руху заряджених часток, а швидкість руху пропорціональна напруженості електричного поля: ,

де - коефіцієнт пропорціональності, який називають питомою електропровідністю провідника. При постійній температурі питома електропровідність провідника теж постійна. При збільшені температури у провідників першого класу електропровідність зменшується, а у провідників другого класу збільшується.

Електропровідність провідника позначається - G. Вимірюється у См.



де l - довжина провідника, м

Тобто, електропровідність провідника залежить від довжини та поперечного перерізу проводу, та при постійній температурі електропровідність даного проводу постійна. Густина струму - векторна величина, яка направлена за нормаллю до площини поперечного перерізу провода. Густина струму при різних площинах поперечного перерізу провідника різна: чим більше переріз, тим менше густина струму, та навпаки.
3.2 Опір та закон Ома. Залежність опору від температури та геометричних розмірів
При переміщенні електронів (електричного струму) серед атомів та іонів матеріалу, які не мають поступального руху, а знаходяться у коливальному стані, виникає зіткнення цих часток між собою. Наразі взаємодії електронів з атомами та іншими електронами виникають сили, які діють на електрони в різних напрямках. Це приводе до часткової хаотичності у руху електронів і викликає зменшення сили струму. Тобто всі елементи електричного кола чинять протидію, або опираються проходженню через них струму, та зменшують цей струм. Це явище характеризує величина, яка обернена провідності, яку назвали опором. Таким чином, опір - це властивість провідника протидіяти проходженню через нього струму. Позначається - R. Вимірюється в Ом.



Позначення опору в електричних схемах вказане на рис. 3.2:


Рисунок 3.2 - Позначення опору в електричних схемах
Зв'язок між струмом у проводі та напругою на кінцях цього проводу встановлює закон Ома (названий в ім’я німецького фізика Ома, який відкрив дослідним шляхом у 1827 році цей закон): струм на ділянці електричного кола прямо пропорційний напрузі на затискачах цієї ділянки та обернено пропорційний його опору:

Величина опору визначається електропровідністю матеріалу із якого виготовлений провід та геометричними розмірами проводу:



Як видно з формули, чим більше довжина проводу, тим більше його опір, чим більше переріз проводу, тим менше його опір. Величина, зворотна питомій провідності, називається питомим опором. Позначається - .



де - питома електропровідність матеріалу провода,

Питомий опір - це постійна величина матеріалу із якого зроблено провод. Порівняно малим питомим опором володіють провідники, із яких виготовляються ЛЕП, кабелі, обмотки електричних машин, трансформаторів: , . Для виготовлення обмоток нагріваючих пристроїв та реостатів використовують сплави з великим питомим опором: , . Опір діелектриків дуже великий при порівнянні з опором провідників.

Питомий опір матеріалу залежить від температури навколишнього середовища: зі збільшенням температури рухомість вільних електронів зменшується, що приводе до збільшення питомого опору у провідниках 1-го класу:

де - питомий опір при температурі 0°С чи 273К - первісний опір,

t - температура навколишнього середовища, °С,

- температурний коефіцієнт опору, 1/К

Температурним коефіцієнтом опору називається величина, яка показує на яку частину змінюється опір провідника при нагріві на 1К чи на 1°С. Деякі сплави мають дуже мале змінення опору при змінені температури. Наприклад, нікелін, манганін. Проволока з таких металів використовується у приладах, які потребують постійного опору: у еталонах опору, реостатах. Коли провідник нагрівається не від 0°С, а від температури t1 до температури t2, то його опір змінюється від R1 до R2, а температурний коефіцієнт залишається майже незмінним у межах від 0 до 100°С. Тоді можна вважати: або
3.3 Елементи опорів та реостати
Існує два терміну «опір»: перший - це коли опір розуміють, як властивість провідника протистояти проходженню через нього струму, та другий - це коли опір розуміють, як пристрій, призначений для вмикання у електричне коло з метою регулювання, зменшення чи обмеження струму у цьому колі. До таких



Рисунок3.3 –Резистор типу ВС
пристроїв, наприклад, відносяться реостати.

Реостати - це пристрої, які дозволяють змінювати опір кола й тим самим змінювати силу струму. Реостат був винайдено у 1841 році руським вченим Б.С.Якобі. Існують різні типи реостатів. Дротові реостати виготовляють зі спеціальних сплавів: константану, манганіну, нікеліну, ніхрому, так як ці сплави мають великі питомі опори та мали температурні коефіцієнти, тому реостати з цих сплавів невеликі за розміром й витримують значний нагрів без помітної зміни опору. Також ці матеріали не піддаються корозії при нагріві, коли елементи призначені для роботи на повітрі. Найчастіше використовуються важільні, з ковзким контактом та штепсельні. Важільний реостат має важіль, який переміщується з одного елементу опору на інший при певних умовах, він дає стрибкоподібну зміну опору. Реостат з ковзким контактом складається з ізолятору, на який намотано дріт. По дроту переміщають повільно металевий повзунок, який вмикає виток за витком. Штепсельний реостат складається з ряду котушок, які вмонтовані у ящик. Зверху на кришці ящика є товсті мідні смуги, розділені проміжками, в які вставляються штепселі. У тім місці, де ввімкнено штепсель, струм піде по пластині через штепсель, мінуючи інші котушки опору. На кришці ящику наносять величини опорів котушок штепсельного реостату.

Рисунок

Рисунок 3.4-Реостат
В залежності від призначення опори ділять на наступні групи: пускові, гальмові, регулювальні, добавочні, економічні, розрядні, баластні, навантажувальні, нагрівальні, заземлювальні, встановлювальні. Основним конструктивним вузлом таких опорів є елемент опору. Для можливості змінення величини опору, окремі елементи з’єднуються між собою за певними схемам. Величина опору змінюється за допомогою перемикаючого пристрою, наприклад контролера. В залежності від матеріалу провідника розрізняють металеві, рідинні, вугільні та керамічні опори. У електроприводі використовують металеві опори. Керамічні опори використовують у високовольтних апаратах, наприклад, розрядниках. Опори виготовляють з спеціальних сплавів: сталь, електротехнічний чавун, константан, ніхром, фехраль. Ці сплави мають великі питомі опори та мали температурні коефіцієнти. Робоча температура матеріалу повинна бути як можна більше, що дозволяє скоротити масу матеріалу та поверхню охолодження. Існують такі конструкції елементів опорів:

У вигляді вільної спіралі з дроту чи стрічки на циліндричній оправі «виток до витку». Для збільшення жорсткості спіралі дріт може намотуватися на фарфоровий чи керамічний каркас у вигляді трубки. В цьому випадку у процесі нагріву бере участь не лише дріт, а й сам каркас. Для захисту від механічних пошкоджень зверху проводу наносять склоемаль. Використовують при малих потужностях двигунів, у зв’язку з великими розмірами каркасу.

Рамочні елементи (дротові чи стрічкові поля) використовують на двигунах з великими потужностями. На сталеву пластину прикріплюють ізолятор з фарфору чи стеатиту. Дріт з константану намотують у канавки, розміщенні на поверхні ізоляторів. Елементи опору компонуються у ящик. Для великих струмів використовують стрічку. З точки зору охолодження цей елемент гірше за вільну спіраль. Але маса ізоляторів невелика.

Фехралеві елементи використовують на двигунах з великими потужностями та напругами. Так же як і у попередній конструкції є ізолятор з канавками, в які намотується стрічка. Лише стрічка фехралева. Елементи опору компонуються у ящик по п’ять штук. Потужність кожного елемента 450 Вт. При великих струмах елементи з’єднуються паралельно. Відпайки опорів приварюються до спіралі й при монтажі не можуть перевстановлюватись.

Чавунні елементи використовують як пускові на двигунах з великими потужностями та напругами, так як опір цих елементів сильно залежить від температури. Елементи мають форму зигзагу. Для з’єднання друг з другом на кінцях елементів є вушки з отворами для кріплення. Елементи опору з’єднуються послідовно у ящик за допомогою сталевих стрижнів. Загальна потужність ящика не повинна перевищувати 4,5 кВт. У зв’язку з малою механічною міцністю в установках, в яких можлива вібрація чи удари, ці елементи не використовують.
  1   2   3   4


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации