Напряжение и электродвижущая сила

Электрическое напряжение U - это отношение рабо­ты А, затрачиваемой силами электрического поля на перемещение заряда q_о из одной точки поля в другую, к величине переносимого заряда:

Единицей напряжения является вольт (В): 1 В = 1 Дж/1 Кл. Один вольт - это электрическое напряжение, при котором совершается работа в один джоуль при перемещении между двумя точками электрического поля заряда в один кулон.

Кратными и дольными единицами измерения напряжения являются: 1 киловольт (кВ) = 1000 В = 10³ В; 1 милливольт (мВ) = 0,001 В = 10^-3 В; 1 микровольт (µВ) = 0,000001 В = 10^-6 В.

Напряжение измеряют вольтметром (киловольтметром, милливольтметром).

В электрическом поле и в электрической цепи (при наличии источника тока) имеются точки с различными потенциалами (φ_А, φ_В), следовательно, между ними существует электрическое напряжение (U_АВ), представля­ющее собой разность электрических потенциалов, U_АВ=φ_А - φ_В.

Напряжение, соответствующее постоянному току, на­зывается напряжением постоянного тока.

В замкнутой цепи электрический ток протекает под действием электродвижущей силы (ЭДС) источника энер­гии. Численно ЭДС Е равна отношению работы А' сто­ронних (непотенциальных) сил к величине перемещае­мого внутри источника заряда q:

ЭДС возникает в источнике и при отсутствии тока в цепи, т. е. когда цепь разомкнута. В этом случае она равна напряжению на зажимах источника энергии. Так же как и напряжение, ЭДС измеряется в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ).

Электрическое сопротивление проводника и проводимость

Электрическое сопротивление можно представить в виде особого трения, которое преодолевают электроны, постоянно сталкиваясь с атомами проводника, колеблю­щимися в узлах кристаллической решетки. Из этого сле­дует, что как внешняя цепь, так и сам источник энер­гии оказывают препятствие прохождению тока.

Электрическое сопротивление обозначается буквой R (r). Устройства, включаемые в электрическую цепь и об­ладающие сопротивлением, называются резисторами.

Рисунок 2.2 - Разновидность резисторов

Единицей сопротивления является ом (Ом). Один ом  -  это электрическое сопротивление такого проводника, по которому при напряжении в 1 В проходит ток в 1 А, т. е. 1 Ом = 1 В/1 А.

Кратными и дольными единицами измерения сопро­тивления являются: 1 килоом (кОм) = 1000 Ом = 10³ Ом; 1 мегаом (МОм) = 1 000 000 Ом = 10⁶ Ом; 1 миллиом (мОм) = 0,001 Ом = 10^-3 Ом.

Электрическое сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, а также от его длины и площади поперечного сечения:

где l  -  длина проводника, м;

S  -  площадь поперечного сечения, мм²;

ρ -  удельное сопротивление, Ом ∙ мм²/м.

Удельное сопротивление  -  это сопротивление провод­ника длиной 1 м при поперечном сечении 1 мм² и темпе­ратуре 20 °С. Удельное сопротивление некоторых мате­риалов приведено в таблице 2.1.

Сопротивление проводников зависит также от температуры. Для металлических проводников оно увеличивается с повышением температуры и уменьшается с ее понижением. Коэффициент, характеризующий изменение сопротивления в 1 Ом при изменении температуры на 1 °С, называется температурным коэффициентом сопротивления и обозначается буквой α (таблица 2.1).

Зависимость между сопротивлением при температуре 20 °С и сопротивлением при других температурах вы­ражается следующей формулой:

где r_τ - сопротивление проводника при температуре Т, Ом;

 r  -  сопротивление того же проводника при температу­ре 20 °С, Ом.

Эта формула широко используется на практике для определения температуры нагрева обмоток электрических машин. Пусть r₁  -  омическое сопротивление обмотки при некоторой начальной температуре τ₁. Если при работе тем­пература обмотки повысилась до значения τ₂, то ее со­противление:

Откуда:

Исследования показывают, что средняя температура обмотки, измеренная методом сопротивления, ниже ее на­ибольшей температуры в среднем на 10 °С.

Электрическое сопротивление электролитов, полупро­водников и диэлектриков с повышением температуры уменьшается.

Регулируемые резисторы называют реостатами. Их из­готовляют из проволоки с большим удельным сопротив­лением (таблица 2.1).

Для расчетов иногда удобнее пользоваться не сопро­тивлением проводника, а величиной, обратной сопротив­лению  -  проводимостью g = 1/г.

Единицей проводимости является сименс (См): 1 См = 1/Ом.

Следовательно, соотношение между сопротивлением и проводимостью проводника следующее:

Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью, м/Ом ∙ мм²:

Формула для определения электрического сопротивления проводника приобретает вид:

Для наиболее часто применяемых материалов величи­ны удельных проводимостей приведены в таблица 2.1.

Зависимость между ЭДС, силой тока и сопротивле­нием определяется одним из основных законов электро­техники - законом Ома, который формулируется так: си­ла тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна электро­движущей силе (ЭДС) источника тока и обратно про­порциональна сопротивлению всей цепи:

где r  -  сопротивление внешней части цепи, Ом;

r_o  -  внутреннее сопротивление источника тока, Ом;

Е  -  ЭДС источника тока, В;

V  -  падение напряжения во внешней цепи, В;

ΔU  -  падение напряжения внутри источника тока, В.

Сопротивление всей цепи:

Режим, при котором сопротивление внешней цепи прак­тически равно нулю, называется режимом короткого за­мыкания.

Для источников электрической энергии с малым внут­ренним сопротивлением (генераторы, кислотные аккуму­ляторы) короткое замыкание очень опасно  -  оно может вывести из строя эти источники. Одной из причин ко­роткого замыкания является нарушение изоляции про­водов, соединяющих приемник с источником энергии. Для защиты электротехнического оборудования, элек­трических сетей от токов короткого замыкания приме­няют плавкие предохранители, автоматические выключа­тели (автоматы).

Закон Ома справедлив не только для всей цепи, но и для любого ее участка. В этом случае сила тока I на участке электрической цепи равна напряжению U на зажимах этого участка, деленному на его сопротивление r:

Пример.Определить материал проволоки, если при длине 20 ми диаметре 5,64 мм сопротивление ее при температуре 20 °С равно 0,0229 Ом.

Решение.Сечение проволоки:

Удельное сопротивление:

Таблица 2.1 -  Основные характеристики проводниковых материалов

Материал	Плотность, кг/м3	Удельное сопротивление ρ, м/Ом∙мм2	Удельная проводимость γ, м/Ом∙мм2	Теплоемкость от 0о до 100 оС, Дж/кг∙оС	Температурный коэффициент сопротивления α (от 0о, до 100 оС), оС-1	Температура плавления, оС	Примечание
1	2	3	4	5	6	7	8
Алюминий	2700	0,0288	35	0,92	0,004	657	Провода, кабели, шины
Медь	8900	0,0176	57	0,392	0,004	1084
Сталь	7900	0,13	7,6	0,46	0,0063	1400
Латунь	8500	0,04	25	0,384	0,002	900	Контакты, зажимы
Вольфрам	19100	0,0612	16,34	0,146	0,0047	3300	Нити накала ламп
Олово	7300	0,143	7	0,234	0,0044	232	Припой при лужении и пайке, фольга для электродов

 

Продолжение таблицы 2.1

1	2	3	4	5	6	7	8
Свинец	11400	0,221	4,52	0,129	0,0041	327	Защитные оболочки кабелей, пластины аккумуляторов
Константан	8800	0,5	2	-	0,000005	1200	Нагревательные элементы печей, реостаты, сопротивления приборов
Нихром	8200	0,98	1,02	-	0,00015	1360
Манганин	8100	0,42	2,38	-	0,000006	960
Фехраль	7600	1,4	0,7	-	0,00028	1450

Рисунок 2.3 -Цепь с электроизмерительными приборами, включенными: а) правильно; б) неправильно

По таблице 2.1 определяем, что материал проволоки -  алюминий.

Пример. Медный провод длиной 200 м имеет сопротивление 0,35 Ом. Определить сечение и массу этого провода той же длины и с тем же сопротивлением.

Решение. Определяемиз таблицы 2.1 удельное сопротивление и плотность медного провода ρ = 0,018 Ом ∙ мм²/м; g = 2700 кг/м³.

Сечение медного провода:

Масса:

Пример.Определить длину мотка алюминиевого изолированного провода, не разматывая его, если при присоединении выведенных концов провода к источнику ЭДС напряжением 12 В по проводу проходит ток 8 А. Сечение провода 1,5 мм²; ρ = 0,029 м/Ом ∙ мм².

Решение.Сопротивление провода:

Длина мотка провода:

Пример.Определить, до какой температуры нагрелась обмотка электродвигателя, выполненная из медного провода, если ее сопротивление до начала работы было 0,15 Ом (при температуре окружающей среды 20°С), а после окончания работы - 0,17 Ом; α = 0,004°С^-1 (таблица 2.1).

Решение.Сопротивление проводника в зависимости от температуры:

Следовательно, температура обмотки электродвигателя:

Пример.Ток в цепи (рисунок 2.3, а) в нормальных условиях равен 12 А. Вольтметр с сопротивлением 1200 Ом показывает напряжение 120 В. Определить показания амперметра и вольтметра, если вольтметр ошибочно включить в цепь последовательно (рисунок 2.3, б).

Решение.Внешнее сопротивление:

Показания амперметра:

Показания вольтметра:

Пример.Определить ЭДС, индуктируемую в обмотке якоря генера­тора постоянного тока, и напряжение на его зажимах, если сопро­тивление якоря r_о = 0,3 Ом, а ток во внешней цепи I = 10 А. Сопро­тивление внешней цепи r = 11,5 Ом.

Решение.ЭДС генератора:

Падение напряжения в обмотке якоря:

Напряжение на зажимах генератора:

---

Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 1355; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!