1 Конспект для ЭЧК по Электротехнике. Основные сведения о строении вещества и физической природе электричества Молекула
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
Электрический ток и его основные законы Основные сведения о строении вещества и физической природе электричества Молекула - предел механического деления вещества. Молекула состоит из атомов. Центральная часть атома – ядро. В ядре расположены положительно заряженные протоны. Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.  Протон – частица, обладающая положительным электрическим зарядом. Протон входит в состав атомного ядра, сообщая ему положительный заряд. Электроны – мельчайшие отрицательно заряженные частицы, которые с огромной скоростью вращаются по орбитам вокруг ядра атома. Заряд электрона е=16х10-20Кл. это наименьшая возможная (неделимая) частица электричества. Тело, приобретая электроны, получает отрицательный заряд «-» При потере электронов тело приобретает положительный заряд «+» Атомы различных химических веществ отличаются друг от друга количеством протонов и электронов. Атом нейтрален если число протонов равно числу электронов. Отрицательный ион- атом, в котором число электронов больше числа протонов. Положительный ион – атом, в котором число протонов больше числа электронов. Свободный электрон - электрон, оторвавшийся от ядра. Он имеет свободное движение. Электрическое поле В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое поле, представляющее собой один из видов материи. Оно обладает запасом электрической энергией, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на тело. Электрическое поле условно изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направление действия электрических сил, создаваемых полем. Направление поля принято считать от плюса к минусу. Электрическое поле можно сделать видимым, если поместить в него взвешенные в жидком масле частички гипса: они расположатся вдоль силовых линий.   Электроны, расположенные на внешней , самой удалённой от ядра оболочке называются валентными. Ими определяется способность атомов данного элемента вступать в химические связи друг с другом и с атомами других элементов, а также электропроводность различных материалов. Ядро и электроны обладают электрическими зарядами. Протоны имеют положительный заряд, электроны – отрицательный Заряды протона и электрона равны. Нейтроны не имеют электрического заряда, т. е. являются нейтральными частицами. Между ядром и электронами возникают электрические силы, которые удерживают электроны в атоме и заставляют их двигаться вокруг ядра, они же определяют размер атома. Ядра атомов являются значительно более устойчивыми системами, чем их электронные оболочки. Объясняется это тем, что между протонами и нейтронами действуют огромные силы взаимного притяжения, называемые ядерными силами. Эти силы значительно больше сил взаимного отталкивания между одноимёнными электрическими зарядами протонов, поэтому ядра атомов большинства химических элементов разделить на части очень трудно. Несмотря на то, что все атомы состоят из электрически заряженных частиц, в них не возникает сил притягивания или отталкивания между окружающими нас телами. Атом в целом электрически нейтрален, поэтому тело, состоящее из атомов, не обладает электрическим зарядом и не проявляет электрических свойств. При определённых условиях атомы могут терять или приобретать электроны и становятся либо положительными или отрицательными ионами. Этот процесс называется ионизацией и тело приобретает положительный или отрицательный заряд. Электрическим зарядом – называется количество электричества, содержащееся в заряженном теле ( Кл). При взаимодействии электрических зарядов между ними возникают электрические силы притяжения или отталкивания.  Напряжённость поля. Электрическое поле действует на внесённый в него заряд ( g ) с некоторой силой ( F). Под напряжённостью электрического поля понимают отношение силы F , действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду этого тела. Поле с большой напряжённостью изображается графически силовыми линиями большей густоты, поле с малой напряжённостью – редко расположенными силовыми линиями. По мере удаления от заряженного тела силовые линии становятся реже. 
Проводники и диэлектрики Электропроводность определяется наличием свободных заряженных частиц. Способность атома терять или приобретать электроны зависит от числа электронов в наиболее удаленном от ядра внешнем слое. Для отрыва электрон должен извне получить дополнительную энергию (тепловую, световую, механическую). Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники бывают первого и второго рода. К проводникам первого рода относятся все металлы и их сплавы. К проводникам второго рода относятся водные растворы солей, кислот, щелочей, которые называются электролитами. По проводникам первого рода могут перемещаться свободные электроны. По проводникам второго рода – ионы. Диэлектрики. В диэлектриках при нормальных условиях свободные, электрически заряженные частицы отсутствуют, поэтому они обладают ничтожной электропроводностью. К диэлектрикам относятся: керамика, стекло, кварц, пластмассы, асбест, каучук, резина, слюда, минеральные масла, лаки, эмали, воздух. Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводниками являются германий, кремний, селен. Закись меди, сернистый свинец и др. Диэлектрики Электропроводность Д. мала, однако всегда отлична от нуля (таблица 2). Носителями тока в Д. могут быть электроны и ионы. Электронная проводимость Д. обусловлена теми же причинами, что и электропроводность полупроводников. В обычных условиях, однако, электронная проводимость Д. мала по сравнению с ионной. Ионная проводимость может быть обусловлена перемещением как собственных ионов, так и примесных. Возможность перемещения ионов по кристаллу тесно связана с наличием дефектов в кристаллах. Если, например, в кристалле есть вакансии (незанятые узлы кристаллической решётки), то под действием поля ион может перескочить на соседнее с ним вакантное место. Во вновь образовавшуюся вакансию может перескочить следующий ион и т.д. В итоге происходит движение вакансий, которое приводит к переносу заряда через весь кристалл. Перемещение ионов может происходить и в результате перескоков ионов по междоузлиям. С ростом температуры ионная проводимость сильно возрастает. Заметный вклад в электропроводность Д. может вносить поверхностная проводимость.  Пробой. Электрический ток в Д. пропорционален напряжённости электрического поля Е (Ома закон). Однако в достаточно сильных полях ток нарастает быстрее, чем по закону Ома. При некотором критическом поле Епр наступает электрический пробой Д. Величина Епр называется электрической прочностью Д. (таблица 2). При пробое однородное токовое состояние становится неустойчивым и почти весь ток начинает течь по узкому каналу. Плотность тока j в этом канале достигает очень больших значений, что приводит к необратимым изменениям в Д. Табл. 2. — Удельное сопротивление r и электрическая прочность Епр некоторых твёрдых диэлектриков, используемых в качестве изоляционных материалов.
где удельное сопротивление r не постоянная величина, как в законе Ома, а зависит от j. Дифференцируя это соотношение, получим выражение: может стать отрицательной (дифференциальное отрицательное сопротивление). Состояние с отрицательным дифференциальным сопротивлением является неустойчивым и приводит к образованию канала тока при Е = Uпр/h. В твёрдых Д. различают тепловой и электрический пробой. При тепловом пробое с ростом j растёт джоулево тепло и, следовательно, температура Д., что приводит к увеличению числа носителей тока n. В результате r падает. При электрическом пробое с ростом j также возрастает число носителей n, а r c увеличением n падает. В реальных Д. большую роль при пробое играют всегда присутствующие неоднородности. Они способствуют пробою, т.к. в местах неоднородности Е может локально возрасти. Необратимые изменения в Д., связанные с образованием токового канала при пробое, могут быть разного характера. Например, в Д. образуется сквозное отверстие или Д. проплавляется по каналу. В канале могут протекать химические реакции, например в органических Д. осаждается углерод, в ионных Д. выпадает металл (металлизация канала). 1.4. Э  лектрический ток в проводникахНаправленное движение электронов в проводнике называется электрическим током в металлах. Для прохождения электрического тока нужно создать и поддерживать по концам проводника разность потенциалов путем: а) периодической смены полярности по концам проводника; б) путем подачи электронов на один конец проводника и снятие их с другого конца. Эту работу выполняют источники тока. Признаки прохождения тока: тепловые, магнитные, химические, биологические. Величина тока – заряд протекающий через поперечное сечение проводника за единицу времени. I = Q\t Q - заряд, Кл (Кулон) t - время , сек 1А= 1 Кл\1 сек 1 А = 103mA = 106mkA = 10-3 kA Д  ля измерения тока используется прибор – амперметр. Амперметр включается в электрическую цепь последовательно.Род тока  Постоянный ток – ток, значение и направление которого в любой момент времени остаются постоянными. (Химические источники тока)  Переменный ток – ток, значение и направление которого изменяется с течением времени. (Синхронные генераторы переменного тока)  Пульсирующий ток – ток неизменяемый по направлению, но меняющийся по величине. (Генераторы постоянного тока, выпрямители) Направление постоянного тока выбрано за движение положительно заряженных частиц от плюса к минусу. 1.5. Электродвижущая сила. Электрическое напряжение ЭДС - это работа, совершаемая по переноске положительного пробного заряда по всей цепи. Причина, которая устанавливает и поддерживает разность потенциалов, вызывает ток в цепи, преодолевая ее внешнее и внутреннее сопротивление, называется электродвижущей силой Прибор вольтметр. Вольтметр для измерения ЭДС включается к зажимам источника питания при выключенной нагрузке, для измерения напряжения параллельно участку цепи на котором производится измерение. Обозначение ЭДС – Е вольт. Е = Uвнутр+ Uвнеш Напряжение – разность потенциалов между двух точек. Размерность напряжения в СИ: [U] = Дж / Кл = А·В·с / (А·с) = В  Потенциал – (энергетическая характеристика) величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению единичного положительного заряда Электрическим потенциалом в данной точке называют отношение потенциальной энергии заряженной частицы, помещенной в данную точку электрического поля, к величине ее заряда. Размерность потенциала в СИ: [φ] = В  1.6. Электрическое сопротивление Противодействие, которое оказывает проводник протеканию тока, называется электрическим сопротивлением. Обозначается –R Единица измерения – Ом; 1Ом = 10-3 mОм = 103 Ком = 106 МОм Величина сопротивления зависит от материала проводника, его размеров, температуры. Для сравнения сопротивления различных материалов введено понятие удельного сопротивления. Удельное сопротивление - это сопротивление проводника длиной 1 м сечением 1 мм2, измеренное при температуре 20о с. Обозначение – p Единица измерения – Ом мм2 \ м
С увеличением длины сопротивление увеличивается, а с увеличением сечения уменьшается. R = pl\s l - длина проводника, м S- площадь сечения, мм2 S=πD2\4 π=3.14 D- диаметр проводника Повышение температуры металлического проводника вызывает увеличение числа столкновений свободных электронов с ионами, вследствие чего уменьшается средняя скорость направленного движения электронов, что соответствует увеличению сопротивления. В электролитах, где электрический ток создается ионами, с увеличением температуры сопротивление наоборот уменьшается. R2 = R1 + R1 α (t2 – t1) α – температурный коэффициент У металлических проводников, при температуре близкой к абсолютному нулю, сопротивление резко уменьшается. Электрическая проводимость Величина обратная сопротивлению называется проводимостью. Обозначается- q q = 1\R Единица измерения 1\Ом = См (Сименс) 1.7. Электрическая цепь Электрическая цепь это замкнутый контур, по которому проходит ток. Состоит из источника питания, нагрузки, соединительных проводов, измерительных коммутационных, защитных приборов. Разделяется на внутреннею и внешнюю. К внутренней цепи относится источник питания, а все остальное к внешней.  Условные обозначения элементов в электрических схемах
1.8. Основные законы электрической цепи Закон Ома а) для всей цепи Сила тока в цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе Е источника электрической энергии о обратно пропорциональна полному сопротивлению R цепи I = E\ Rвнеш + rвнут б) для участка цепи Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна падению напряжения на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению I = U\ R Первый закон Кирхгофа – сумма токов, направленных к узлу электрической цепи, равна сумме токов, направленных от этого узла. При этом токи, направленные к узлу считаются положительными, а от узла – отрицательными.  
Второй закон Кирхгофа – в любом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений в отдельных сопротивлениях.
  1.9. Способы включения потребителей и источников тока Последовательное соединение образует неразветвленную цепь, по которой проходит один и тот же ток.  Напряжения между концами отдельных участков цепи составляет; U1=Ir1; U2=Ir2; U3=Ir3. Следовательно, U1 : U2 : U3 = r1 : r2 : r3 т.е. падения напряжения в отдельных сопротивлениях пропорциональны величинам сопротивлений. Сумма падений напряжения в отдельных сопротивлениях равна приложенному к цепи напряжению: U = U1 + U2 + U3 Общее сопротивление равно сумме отдельных сопротивлений: Rоб = R1 + R2 + R3 Параллельное соединение образует разветвленную цепь. Все сопротивления включены между одними и теми же двумя узлами А и Б так, что напряжение U на них одинаковое.  По закону Ома токи в отдельных ветвях равны: I1 = U/r1 = Uq1; I2 = U/r2 = Uq2 ; I3 = U/r3 = Uq3 Следовательно, I1: I2 : I3 = q1: q2 : q3 = 1/ r1 : 1/ r2 : 1/ r3, т.е. разделение тока между отдельными ветвями прямо пропорционально проводимостям ветвей или обратно пропорционально их сопротивлениям. Сумма токов, направленных к точке разветвления, равна сумме токов, направленных от нее это первый закон Кирхгофа: I = I1 + I2 + I3 Электрическое сопротивление 1/r = 1/ r1 + 1/ r2 + 1/ r3 1.10. Работа и мощность, тепловое действие электрического тока Работа постоянного тока на участке цепи равна произведению силы тока на напряжение и на время, в течении, которого совершается работа W = IUt W-работа электрического тока, Вт час I-электрический ток, А U-напряжение, В t -время ,с Признаком работы является вызванный током нагрев проводника. Работа, совершаемая током за одну секунд, называется мощностью. Р = UI Единица измерения мощности – Вт (ватт). Прибор для измерения мощности ваттметр. Независимо от способов подключения потребителей мощность, отдаваемая генератором, равна сумме мощностей отдельных потребителей включенных в данную цепь. Тепловое действие тока Сталкиваясь с атомами, электроны передают им часть своей энергии. За счет этой энергии. Усиливаются колебания атомов в узлах кристаллических решеток, а это в свою очередь приводит к увеличению температуры проводника. Q =I2Rt, Дж Q- количество выделяемого тепла I – электрический ток, А R- сопротивление, Ом t- время, с Тепловое действие тока используется в нагревательных приборах, лампах накаливания, тепловых реле и т.д. Нагрев проводов, обмоток электрических машин приводит к бесполезному расходу энергии, нагреву и порче изоляции. Нагрев проводов зависит от величины тока и сопротивления. А также от условий отдачи тепла в окружающее пространство. В зависимости от величины тока выбирается сечение проводов. Выбор сечения производится по таблице. Для уменьшения нагрева в местах соединений следует производить пайку или чистку концов проводов и их плотное зажатие. 1.11. Режимы работы электрической цепи     
Домашнее задание 2. При изучении материала ответить на вопросы: 1. Какой атом считается нейтральным? 2. Когда атом превращается в положительный (отрицательный) ион? 3. Какие электроны называют свободными? 4. Как классифицируется материалы по электропроводности? 5. Чем отличается ток в металлах и электролитах? 6.Какое условие создания тока в проводнике и как его можно поддерживать? 7.Какое действие производит ток? 8. Что такое величина тока? 9.Как обозначается ток? Единицы измерения. 10.Каким прибором можно измерить ток и как он включается в электрическую цепь? 11.Что такое электрическое сопротивление. 12. Как обозначается электрическое сопротивление и в чем оно измеряется? 13. От чего зависит сопротивление и как? 14.Что такое ЭДС? Как обозначается ЭДС и в чем измеряется? 15. Как измерить ЭДС? 16. Что такое электрическая цепь? Из каких элементов она состоит? Какое условие работы электрической цепи? 17. Что принято за направление тока? 18. Чем отличается ЭДС и напряжение внешней цепи? 19. Закон Ома для всей цепи. 20. Закон Ома для участка цепи. 21.Что такое мощность ? Как она обозначается и в чем измеряется? 22.В каких случаях применяется последовательное соединение? 23.Как определяется общее сопротивление при последовательном соединении сопротивлений? 24.Как распределяется напряжение при последовательном соединении? 25.Недостатки последовательного соединения? 26.Что такое узловая точка? 27.Как определит общее сопротивление при параллельном соединении? 28.Первый закон Кирхгофа.Цепь со смешанным соединением потребителей и ее расчет. 29. Закон Джоуля –Ленца. 30.От чего зависит нагрев проводов и как его снизить? 3.Для закрепления материала решить задачи: - Проводник, у которого площадь поперечного сечения 0,5 мм² и сопротивление 16 Ом, надо заменить проводником из того же металла и той же длины, но сопротивлением 80 Ом. Какой площади поперечного сечения проводник необходимо подобрать для этой замены? - Сопротивление стального провода круглого сечения длиной 5 км составляет 260 Ом при температуре 20ос. определить сечение и диаметр этого провода. -При напряжении 220 В на зажимах резистора сила тока равна 0,1 А. Какое напряжение подано на резистор, если сила тока в нем стала равной 0,05 А. -К двум одинаковым сопротивлениям по 10 Ом соединенным последовательно и подключенным к напряжению 90 В последовательно включить еще одно такое же сопротивление. Как изменится ток и напряжение на каждом? - Определить ток в каждом резисторе, ЭДС источника тока, развиваемую им мощность, если R1=R7=18 Ом, R2 = 12 Ом, К3 = 10 Ом, R4=15 Ом, R5 = 20 Ом, R6 = 30 Ом, Ro =0,8 Ом, напряжение на первом резисторе 36 В.  - Выбрать сечение медного провода по нагреву, если мощность нагрузки 3.6 кВт. Сеть выполнена двумя одножильными изолированными проводами, проложенными в трубе. Напряжение 120 В.
|
