Основные сведения о строении вещества.

Введение

Электротехника – это наука о техническом использовании электрических и электромагнитных явлений. Электрическая энергия имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами энергии:

1.Относительно не сложное получение электроэнергии с ГЭС, ТЭЦ, АЭС.

2.Возможность передачи электрической энергии на дальние расстояния.

3.Несложное распределение между потребителями.

4.Возможность преобразования электрической энергии в другие виды (механическую, световую, звуковую и др.)

Основные сведения о строении вещества.

Все вещества и материалы состоят из атомов. Атомы химических элементов могут объединяться между собой и образовывать молекулы. Строение молекул определяет в основном химические свойства вещества, то есть его способность взаимодействовать с другими веществами. Строение атомов определяет в основном физические свойства материалов, такие как электропроводность, теплоемкость, радиоактивность и др.

Упрощенно атом можно представить в виде ядра, окруженного оболочкой из электронов.

 

П – протоны (Р⁺)

Н - нейтроны (n⁰)

Эл- электроны (е^-)

 

 

Строение атома меди Электрон Ядро атома

Ядро атома состоит из протонов (Р⁺), имеющих положительный заряд, и нейтронов (n⁰), заряда не имеющих. Электроны располагаются на определенных орбитах вокруг ядра и имеют отрицательный заряд, который по величине равен заряду протона.

Порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева определяет количество протонов в ядре атома этого элемента и, соответственно, заряд его ядра.

В обычном состоянии атома общее количество отрицательных электронов равно количеству положительных протонов в ядре, поэтому такие атомы электрически нейтральные.

Примеры химических элементов: водород -Н, кислород -О, углерод-С, железо-Fe, медь-Cu, алюминий-Al, свинец-Pb, сера-S и др.

Примеры веществ (химических соединений): вода- Н₂О, поваренная соль- NaCl, серная кислота- Н₂SО₄, углекислый газ-СО₂ и др.

Отрицательно заряженные электроны удерживаются вокруг положительно заряженного ядра атома силами электрического притяжения.

Положительные протоны в ядре, за счет очень близкого расположения друг к другу, притягиваются силами ядерного взаимодействия.

Электрические заряды и их взаимодействие.

Общее количество избыточных или недостаточных электронов, содержащееся в теле определяет величину электрического заряда.

Электрические заряды обозначаются Q или q и измеряются в кулонах [Кл].

Прим. Заряд одного электрона очень маленький - q (е^-) = - 1,6*10^-19 Кл. Чтобы накопить заряд Q =1 Кл требуется избыток или недостаток 6,3*10¹⁸электронов

Разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются.

 

 

Электрическое поле.

Электрическое поле – это особый вид материи, который образуется

1) вокруг электрических зарядов или заряженных тел;

2) при изменении магнитного поля.

Свойства электрического поля:

* Электрическое поле обладает энергией, за счет которой способно перемещать другие электрически заряженные частицы и тела;

* Электрическое поле не имеет ни запаха, не цвета, поэтому условно обозначается электрическими силовыми линиями. Электрические силовые линии всегда проводятся перпендикулярно к поверхности заряженного тела и всегда направлены в ту сторону, куда будет двигаться свободная положительно заряженная частица, помещенная в данное электрическое поле.

Изображение электрических полей:

 

 

1. Вокруг одиночных положительных и 2. Вокруг разноименных зарядов отрицательных зарядов

 

 

3. Двух одноименных зарядов 4. Двух параллельных и разноименно

заряженных пластин

 

*Металлы любой толщины (даже металлическая сеть) не пропускают (экранируют) электрическое поле.

 

Электрический ток.

Электрический ток – это направленное и упорядоченное движение заряженных частиц (в металлах - электронов, а в жидкостях и газах - положительных и отрицательных ионов) под действием сил электрического поля, т.е. между точками с разными потенциалами.

Электрическое поле (ток) распространяется мгновенно, со скоростью 300000 км/сек (скорость света), хотя сами свободные электроны двигаются со скоростью от нескольких мм до нескольких см в секунду.

Атомы металлов находятся в узлах кристаллической решетки и лишь немного колеблются вокруг положения равновесия (размах колебаний зависит от температуры нагрева металла, при температуре плавления размах колебаний настолько велик, что разрушается кристаллическая решетка и металл из твердого состояния переходит в жидкое). Часть электронов в металлах (на внешней орбите за счет малого их числа (1-3)) слабо связаны с ядрами атомов и хаотично перемещаются от одного ядра к другому, поэтому они называются свободными электронами. Если металлический проводник поместить в зону действия электрического поля (то есть приложить напряжение к концам проводника), то свободные электроны будут направленно и упорядоченно двигаться к «плюсу», создавая электрический ток. Но направление тока принято указывать в ту сторону, куда двигались бы положительные заряды, т.е обычно от «плюса» к «минусу». Ток обозначается буквой I (постоянный) или i (непостоянный) и измеряется в амперах (А). При очень малых или больших значениях соответственно 1 мА = 0,001 А (миллиампер), 1 кА = 1000 А (килоампер)

Виды токов.

 

1. Постоянный – с течением времени не меняется ни по величине, ни по направлению. Обозначается одной или двумя чертами (–, =) или буквами DC (ди-си)

 

2. Переменный - с течением времени изменяется и по величине и по направлению. Обозначается символом синусоиды ~ или буквами АС (эй-си)

 

 

3.Пульсирующий – с течением времени изменяется только по величине.

 

 

 

4. Импульсный – сочетание коротких импульсов тока

 

 

Проводимость.

Параметр проводника, обратный его сопротивлению называется проводимостью G (же)=1/ R, [См] (сименс).

Все вещества и материалы в природе по способности проводить электрический ток делятся на:

1. Проводники- G>>0 (высокая проводимость)

2. Полупроводники - G>0 (средняя проводимость)

3. Диэлектрики (изоляторы)- G~0 (проводимость очень низкая)

Проводники, в свою очередь, делят на два рода:

- твердые (металлы, графит);

-жидкие (водные растворы солей, щелочей и кислот и др.).

Электродвижущая сила (ЭДС).

Если соединить два разноименно заряженных тела (две точки с разными потенциалами), то между ними пройдет кратковременный ток и заряды сравняются. Что бы ток проходил длительно, необходимо поддерживать разность потенциалов между этими точками, а для этого в источнике тока, по отношению к цепи за пределами источника, заряды должны двигаться в обратном направлении (т.е. отрицательные заряды не к (+) а к (-). Это происходит за счет ЭДС, которая разделяет заряды внутри источника, «заставляя» отрицательные заряды двигаться и накапливается на (-) минусе, а положительные на (+) плюсе для поддержания напряжения. Для этого в аккумуляторах используется энергия химической реакции, а в генераторах механическая энергия. ЭДС обозначается Е или е, [ В,V ] (вольт)

 

1.12. Элементы электрической цепи.

Любая электрическая цепь включает в себя основное и вспомогательное оборудование и состоит из двух участков. Внутренний участок цепи – это сам источник, и ток по нему направлен от (-) к (+). Внешний участок – это вся остальная цепь. Ток во внешнем участке направлен от (+) к (-).

Примечание: в основном, при изучении электрических схем локомотивов, рассматриваются внешние участки цепей.

К основным элементам цепи относятся: источник, потребитель и соединительные провода.

Простейшая электрическая цепь постоянного тока.

 

Прим. Отличительными признаками потребителя является его способность преобразовывать электрическую энергию в другой вид – механическую, тепловую, излучение. Примеры: электродвигатель, лампа, резистор, нагревательные элементы, телефоны и т.п. Для сравнения - трансформатор считать потребителем нельзя.

К вспомогательным элементам относятся:

1) выключатели, рубильники;

2) измерительные приборы (амперметры, вольтметры, ваттметры, гальванометры и др.);

3) аппараты защиты (предохранители, автоматические выключатели).

 

 

Законы Ома.

Устанавливают зависимость между основными параметрами электрической цепи.

1. Закон Ома для участка цепи:

Законы Кирхгофа.

(В 1847г. установил законы для электрических цепей, названные его именем).

Первый закон Кирхгофа (устанавливает зависимость между токами для узлов электрической цепи, к которым подходит несколько ветвей): сумма токов входящих в узел ровна сумме токов выходящих из узла.

Распределение токовв узле электрической цепи

.

Для электрического тока имеет место полная аналогия с распределением потоков воды

в соединенных друг с другом трубопроводах.

Второй закон Кирхгофа используется для расчета сложных электрических цепей с несколькими источниками.

Параллельное соединение

При параллельном соединении каждый потребитель подключается на одинаковое напряжение (часто говорят, что напряжение подается на потребитель)

U общ = U1 = U2 = U3;

Общий ток в цепи складывается из токов через каждый потребитель;

I общ = I1 + I2 + I3; (по 1-му закону Кирхгофа)

 

В такой схеме складываются не сопротивления потребителей, а их проводимости

 

G_общ = G₁ + G₂ + G₃; т.е. 1/Rобщ = 1/R₁+ 1/R₂ +1/R₃;

Следствия:

1) общее сопротивление цепи при параллельном соединении будет всегда меньше самого наименьшего сопротивления любой из ветви;

2 ) при увеличении числа потребителей включенных параллельно, общее сопротивление цепи уменьшается, а общий потребляемый ток увеличивается (увеличивается нагрузка цепи);

3) больший ток пойдет по цепи с меньшим сопротивлением;

4) если при параллельном соединении сопротивление потребителей одинаково, то общее сопротивление R _общ можно определять по формуле:

 

R - сопротивление одного потребителя

R _общ = ----

N - количество потребителей

 

3. Смешанное соединение (мостовая схема)

Частным случаем смешанного соединения является мостовая схема.

Мостовая схема имеет четыре плеча A – C – B – D, каждое плечо моста включает в себя потребитель (на данной схеме – резисторы, но могут быть электродвигатели). Так же мост имеет две диагонали

А – С - питающая диагональ

В – D - измерительная диагональ.

 

 

При одинаковых параметрах потребителей (R1 = R2 = R3 =R4 или, в схеме с двигателями – если они работают в одном режиме)падение напряжений на плечах моста будет равным, и потенциалы точек В и D будут равны (φв = φD). Тогда напряжение на гальванометре равно нулю, т.е. ток через измерительную диагональ не идет. Такой мост называется уравновешенным. При изменении сопротивления любого плеча (один из двигателей выходит из общего режима работы) равновесие моста нарушается, на измерительной диагонали появляется напряжение и ток. Поэтому такая схема используется, в частности, для срабатывания реле боксования в электровозах, тепловозах, секциях электропоездов.

 

 

Параллельное соединение

При параллельном соединении «плюс» одного источника соединяется с «плюсом» другого (соответственно соединяются и «минусы»).

 

Е1=Е2 Е1>Е2

При равенстве ЭДС, ток через потребитель не изменяется, но уменьшается ток через каждый из источников, что позволяет поддержать большой ток нагрузки (если для одного источника потребитель слишком мощный). Но при этом очень важно чтобы источники имели одинаковые параметры (то есть были одного и того же типа - Е1 = Е2, r₁ =r₂), иначе между ними будут проходить вредные уравнительные токи, которые могут повредить их.

Параллельное соединение применяется, когда мощный потребитель нужно запитать от маломощных источников.

Прим. За счет меньшего тока, проходящего через каждый источник, расход электроэнергии на них уменьшается, а время работы увеличивается.

Смешанное соединение

Выполняется, когда нужно увеличить и напряжение и поддержать большой ток нагрузки.

Т.е. когда ЭДС одного источника не хватает для напряжения на потребитель

и один источник не способен выдержать весь ток нагрузки

Тепловое действие тока.

Количество тепловой энергии, которая выделяется при прохождении тока по проводнику, определяется законом Джоуля – Ленца.

Q = I ² · R · t, [Дж] (Джоуль).

Прим. 1 Дж = 1 Вт · сек, 1л.с.(лошадиная сила)≈760Вт

 

1.20. Плотность тока.

Плотность тока определяет силу тока на один квадратный миллиметр площади сечения проводника.

δ ( дельта(греческий)) = I / S, [ А/ мм² ]

В зависимости от материала проводника, класса изоляции, типа проводки и условий охлаждения определяют номинальную и допустимую (предельную) плотность тока, превышение которой может повредить изоляцию

А А

Пример (для алюминиевых проводов): δ _ном ≈ 6 -----, δ _доп ≈ 9 -----

мм² мм²,

при большей плотности тока плавится изоляция. Это значит, что стандартная алюминиевая проводка сечением 2.5 мм² рассчитана на ток 16А (мощность около 3,5кВт). Предельный ток 23 – 24 А (около 5 кВт). Для медного провода данные значения выше на 30-40%.

Упрощенно, для подбора сечения проводов, используется следующее соотношение: для алюминия – 1 мм² сечения на 1кВт. Для меди - 1 мм² на 2 кВт мощности потребителей.

Переходное сопротивление.

Это повышенное сопротивление контактов из–за их подгара, малой площади контакта, силы нажатия, окисления и т.п. Из-за недостаточной эффективной площади контакта увеличивается плотность тока и происходит переброс тока по воздуху в виде искрения. Нагрев контактов ускоряет процесс окисления, качество контакта еще более ухудшается.

Для уменьшения переходного сопротивления контакты зачищают, облуживают, вставляют в наконечники, соединяют клеммами, спаивают, выполняют посеребрение контактных поверхностей

 

Введение

Электротехника – это наука о техническом использовании электрических и электромагнитных явлений. Электрическая энергия имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами энергии:

1.Относительно не сложное получение электроэнергии с ГЭС, ТЭЦ, АЭС.

2.Возможность передачи электрической энергии на дальние расстояния.

3.Несложное распределение между потребителями.

4.Возможность преобразования электрической энергии в другие виды (механическую, световую, звуковую и др.)

Основные сведения о строении вещества.

Все вещества и материалы состоят из атомов. Атомы химических элементов могут объединяться между собой и образовывать молекулы. Строение молекул определяет в основном химические свойства вещества, то есть его способность взаимодействовать с другими веществами. Строение атомов определяет в основном физические свойства материалов, такие как электропроводность, теплоемкость, радиоактивность и др.

Упрощенно атом можно представить в виде ядра, окруженного оболочкой из электронов.

 

П – протоны (Р⁺)

Н - нейтроны (n⁰)

Эл- электроны (е^-)