Здравствуйте. Как я и обещал в статье Электричество. Основные понятия , в этой части мы продолжим знакомство с основами электротехники, на этот раз рассмотрим основные электротехнические законы.
Начнем наверное с основного закона в электротехнике — закона Ома, открытого в 1826 году немецким физиком Георгом Омом. Я думаю многие о нем слышали и знают, но я все таки напомню:
Сила тока участка электрической цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку и обратно пропорциональна его сопротивлению.
В виде формулы это выглядит так:
где
I – сила тока, идущего через участок цепи (измеряется в амперах);
U – напряжение на участке цепи (измеряется в вольтах);
R – сопротивление участка цепи (измеряется в Омах);
Для лучшего запоминания закона Ома очень удобно пользоваться вот таким треугольником:
Для нахождения нужного значения, закрываем его пальцем и два оставшихся подскажут, как его найти. Если значения расположены на одном уровне, то значит их необходимо перемножить. Если значения расположены на разном уровне, то тогда необходимо разделить верхний параметр на нижний.
Понятия и свойства электрического тока
Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.
Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении.
Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специфические признаки:
- Нагревание проводника, по которому протекает ток.
- Изменение химического состава проводника под действием тока.
- Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.
Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором – периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах
Электродинамика: понятие и предмет изучения
Определение 1
Электродинамика – это раздел физики, который изучает электромагнитное поле (временные поля, которые зависят от времени), а также его взаимодействие с теми телами, что имеют электрический заряд.
Предмет электродинамики включает в себя изучение:
- связи магнитных и электрических явлений;
- электромагнитного излучения, которое рассматривается в различных условиях (как свободное взаимодействие с веществом);
- электрического переменного тока;
- взаимодействие тока с электромагнитным полем (электрический ток может рассматриваться как совокупность заряженных частиц).
Любое магнитное и электрическое взаимодействие между заряженными частицами изучается в физике как действие, которое осуществляется посредством электромагнитного поля, следовательно, также является предметом электродинамики.
Замечание 1
Зачастую под термином «электродинамика» понимается именно классическая электродинамика, которая описывает непрерывные свойства электромагнитного поля при помощи системы уравнений Максвелла. Для того чтобы обозначить современную квантовую теорию электромагнитного поля, применяется термин «квантовая электродинамика».
Появились вопросы по этой теме? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос
Основные токовые величины
При возникновении в цепи электрического тока, происходит постоянный перенос заряда через поперечное сечение проводника. Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, называется силой тока, измеряемой в амперах.
Для того чтобы создать и поддерживать движение заряженных частиц, необходимо воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такого действия, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как напряженность электрического поля. Именно она вызывает разность потенциалов или напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется специальная единица – вольт. Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который будет рассмотрен подробно.
Важнейшей характеристикой проводника, непосредственно связанной с электрическим током, является сопротивление, измеряемое в омах. Данная величина является своеобразным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В результате воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления увеличивается. Величина в 1 Ом возникает, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока – 1 А.
Закон Джоуля — Ленца
Закон Джоуля — Ленца — это физический закон теплового действия электрического тока. Открыт в 1840 году независимо Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцом.
Закон Джоуля — Ленца гласит:
Количество теплоты, выделяемой в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания.
В виде математической формулы это выражение имеет вид:
Где:
Q — количество теплоты, выделяемое током (Дж);
I — сила тока, проходящего по проводнику (А);
R — это сопротивление, оказываемое проводником (Ом);
t — время, затрачиваемое на прохождение тока ©;
Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме выглядит так:
Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля
где
w — мощность выделения тепла в единице объёма;
— плотность электрического тока;
— напряжённость электрического поля;
σ — проводимость среды;
Закон Ома
Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и мощность. Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.
Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:
- Сила тока: I = U/R (ампер).
- Напряжение: U = I x R (вольт).
- Сопротивление: R = U/I (ом).
Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким – на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов – напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.
Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.
Энергия и мощность в электротехнике
В электротехнике существуют еще и такие понятия, как энергия и мощность, связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, тепловой, ядерной и электрической форме. В соответствии с законом сохранения энергии, ее невозможно уничтожить или создать. Она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Например, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.
Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии на протяжении установленного промежутка времени. Эта величина индивидуальна для каждого прибора и представляет собой мощность, то есть объем энергии, который может потребить тот или иной прибор. Этот параметр вычисляется по формуле P = I x U, единицей измерения служит ватт. Он означает перемещение одного ампера одним вольтом через сопротивление в один ом.
Таким образом, основы электротехники для начинающих помогут на первых порах разобраться с основными понятиями и терминами. После этого будет значительно легче использовать полученные знания на практике.
Основные законы электротехники
Элементы основ электротехники Закон
Кулона.Силавзаимодействиямеждудвумяточечныминеподвижнымизарядамиq1иq2,расположенныминарасстоянииRдруготдругаводнороднойсредепрямопропорциональнавеличинезарядовиобратнопропорциональнаквадратурасстояниямеждуними:
1-й
Закон
Ома
справедлив для цепей постоянного и переменного синусоидального тока и связывает между собой величины сопротивления элемента цепи, его тока и напряжения.
Падение напряжения на участке цепи пропорционально току и величине сопротивления этого участка:
при постоянном токе U
-1г,
при переменном токе U
= I
z.
Например, для электрической цепи (рис. 1.1): U
=
1гRt.
Обобщенный
законОма
имеет место для цепи (ветви)
тп
постоянного или переменного тока, содержащей источники ЭДС £,• и сопротивления fy или
z^:
при постоянном токе Imn
£ fy =
Umn
+ 1£;;
при переменном токе Imn
£
zk
«
Umn
+ £ f • ^ где
Umn
— напряжение между началом и концом ветви
тп;
£ Ef
— алгебраическая сумма всех ЭДС, находящихся в
этой ветви;
£ rk
— арифметическая сумма всех сопротивлений в ветви;
£-Zfc — геометрическая сумма всех сопротивлений в ветви при переменном токе.
Из обобщенного закона Ома следует, в частности, что напряжение на зажимах источника ЭДС равно величине ЭДС минус падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника.
Первый
законКирхгофа.Алгебраическаясуммавсехтоков,сходящихсявлюбомузлеэлектрическойцепи,равна нулю.
| Для цепи переменного тока: |
Первый закон Кирхгофа является одним из непосредственных следствий закона сохранения энергии. Для цепи постоянного тока:
где — комплексные действующие значения синусоидальных токов;
— мгновенные значения токов.
Второй
законКирхгофа.Алгебраическаясуммаэлектродвижущихсилкакого—либозамкнутогоконтураэлектрическойцепиравнаалгебраическойсуммепаденийнапряженийвнем.
Для цепей постоянного тока:
или
Для цепей переменного тока:
где еК
_ мгновенные значения переменных ЭДС;
и,-
— мгновенные значения падения напряжений на пассивных элементах контура;
Ек
— векторы действующих значений ЭДС;
Uf
— векторы действующих значений падений напряжений.
Направление обхода контура выбирается произвольным. ЭДС имеют знак плюс, если их направление совпадает с направлением обхода контура. Падения напряжений имеют знак плюс, если выбранные знаки токов в ветвях контура совпадают с направлением обхода контура.
Законы Кирхгофа и Ома справедливы и для магнитных цепей.
Закон
электромагнитнойиндукцииФарадея.
Закон связывает ЭДС, наводимую в произвольном контуре или проводнике, помещенном в магнитное поле, со скоростью изменения магнитного потока поля или скоростью движения контура или проводника относительно неизменного по величине магнитного потока поля. ЭДС измеряется в вольтах (В).
| Если контур содержит G3 витков, то говорят о потокосцеплении контура ; тогда |
Электродвижущая
силае,наводимаявпроводникеиликонтуре,пропорциональнаскоростиизменениямагнитногопотокаФ,пронизывающегоэтотпроводникиликонтур,взятойсознакомминус:
В соответствии с законом Фарадея изменение тока, протекающего в контуре с индуктивностью L,
вызывает изменения его магнитного потока, что наводит в этом контуре ЭДС, называемую ЭДС
самоиндукции:
ЭДС взаимоиндукции наводится в одном из магнитно связанных контуров, если в другом происходит изменение величины тока:
где M
12 — коэффициент взаимоиндукции, Гн.
Знак (+) ставят при встречных направлениях магнитных потоков, (—) — при согласных направлениях.
При перемещении проводника в магнитном поле с неизменным магнитным потоком в нем наводится ЭДС, В’
где В
— магнитная индукция поля, Тл;
/ — длина проводника, м;
D — скорость движения проводника, м/с;
а — угол между векторами магнитной индукции и скорости,
град.
При α = 0
Закон электромагнитной индукции носит фундаментальный характер и лежит в основе принципа действия всех современных электромеханических преобразователей энергии: электрических машин, электрических аппаратов и т.д.
Закон
Ленца,Еслипопроизвольномуконтуру,протекаетизменяющийсяток,тоонсоздаетсобственныйизменяющийсямагнитныйпоток,наводящийвконтурепроти—во—ЭДС,направленнуютак,чтобывоспрепятствоватьвсякомуизменениютока.
Указанную противо-ЭДС называют также ЭДС самоиндукции.
Это обстоятельство отмечается в приведенных выше соотношениях знаком минус. Таким образом, появление в контуре с током ЭДС самоиндукции возможно при двух непременных условиях: изменяющемся характере тока и наличии индуктивности в цепи.
Это свидетельствует об ошибочности представлений некоторых авторов, полагающих, что ЭДС самоиндукции определяет меру электромагнитной инерции элемента цепи. Мерой инерции является величина индуктивности элемента цепи. ЭДС самоиндукции играет в электротехнических устройствах важную роль.
Закон
Джоуля—Ленца.
Закон определяет меру
тепловогодействия
электрического тока.
Количество теплоты, выделяющейся током в проводнике, равно работе электрического поля по перемещению заряда за время t:
Единица измерения количества теплоты — джоуль
(Дж). Поскольку 1 кал = 4.1868 Дж, а 1 Дж = 0,24 кал, то количество теплоты, измеряемое в
калориях:
Закон
электромагнитныхсилАмпера.СиламеханическоговзаимодействияпроводникастокомIимагнитногополясиндукциейВпрямопропорциональнапроизведениюмагнитнойиндукции,длиныпроводникаисилытокавпроводнике:
где F
—
сила взаимодействия, Н; / — длина проводника, м;
α — угол между векторами магнитной индукции и тока
Сила взаиодействия
двух достаточно длинных проводов
расположенных параллельно на расстоянии α:
где F
— сила взаимодействия, Н;
I1 и
I2 –
токи в проводах А
— относительная и абсолютная магнитная проницаемости.
Закон
электролизаФарадея.
При неизменном токе
I,
проходящем через электролит за время
t,
из раствора выделяется масса вещества
М,
пропорциональная току и времени:
где М
— масса, кг;
к
— электрохимический эквивалент выделяемого вещества.
Уравнения
Максвелла
для электромагнитного поля для линейной изотропной среды:
(закон полного тока);
(закон электромагнитной индукции);
где Н
— вектор напряженности магнитного поля;
Е
—
вектор напряженности электрического поля;
В
— вектор магнитной индукции;
D
— вектор тока смещения:
уЕ
=
J
вектор плотности тока проводимости;
Y — удельная проводимость среды;
— относительная и абсолютная магнитная проницаемость;
— относительная и абсолютная электрические постоянные.
← Предыдущая | Следующая → … содержание …
