ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ. ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ТОКОПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ.

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Металлы – очень распространенный материал современной промышленности. Большая часть машин, станков, инструментов и транспортных средств изготовлена из металла. Металлы хорошо проводят тепло и электричество, они достаточно прочны, их можно деформировать без разрушения. Некоторые металлы ковкие (их можно ковать), некоторые тягучие (из них можно вытягивать проволоку). Эти уникальные свойства объясняются особым типом химической связи, соединяющей атомы металлов между собой – металлической связью. Металлы в твердом состоянии существуют в виде кристаллов из положительных ионов, как бы “плавающих” в море свободно, движущихся между ними электронов (рис.6).

Рис.6 Модель кристаллической решетки металла.

Показана траектория одного из свободно движущихся электронов Электроны в металлах делокализованы, то есть не принадлежат какому-либо конкретному атому. Как получается такое уникальное электронное “море”? Когда два атома металла сближаются, орбитали их внешних оболочек перекрываются, образуя молекулярные орбитали. Если подходит третий атом, его орбиталь перекрывается с орбиталями первых двух атомов, что дает еще одну молекулярную орбиталь. Когда атомов много, возникает огромное число трехмерных молекулярных орбиталей, простирающихся во всех направлениях. Вследствие многократного перекрывания орбиталей валентные электроны каждого атома испытывают влияние многих атомов. Металлическая связь объясняет свойства металлов, в частности, их прочность. Под действием деформирующей силы решетка металла может изменять свою форму, не давая трещин, в отличие, например, от ионных кристаллов. Высокая теплопроводность металлов объясняется тем, что если нагреть кусок металла с одной стороны, то кинетическая энергия электронов увеличится. Это увеличение энергии распространится в “ электронном море” по всему образцу с большой скоростью. Становится понятной и электрическая проводимость металлов. Если к концам металлического образца приложить разность потенциалов, то облако делокализованных электронов будет сдвигаться в направлении положительного потенциала: этот поток электронов, движущихся в одном направлении и представляет собой всем знакомый электрический ток.

Рис.7 Действие деформирующей силы на кристаллическую решетку металла

Электрический ток проводимости – это явление направленного движения свободных носителей заряда в веществе или вакууме. Носителями зарядов в металлах служат электроны, а в жидкостях, газах - ионы. В электротехнике применяются разнообразные вещества, обладающие различной плотностью носителей зарядов, т.е. различной электропроводностью.

Таблица 2.

Изоляция элементов электрических цепей изготавливается из материалов, электропрводность которых в 10¹⁸-10²⁰ степени раз меньше электропроводности металлов (слюда, поливинил, текстолит, полиэтилен и т.д.).

Скорость упорядоченного движения свободных электронов в металлах относительно мала ( порядка 1мм/c), в то время как скорость распространения электрической энергии весьма велика - в воздушных линиях электропередач она практически равна скорости света (с=300 000км/c). Поэтому при замыкании электрической цепи ток в ней устанавливается пракически мгновенно. В этом нет противоречия – электрическое поле, создаваемое источником энергии и воздействующее на заряды, распространяется вдоль линии электропередачи со скоростью света, а электрические заряды под действием этого поля перемещаются относительно медленно.

Для возникновения электрического тока должны быть созданы соответствующие условия, т.е. должна быть создана электрическая цепь.

Основными частями простейшей электрической цепи являются (рис. 8) источник электричесой энергии Е, приемник электроэнергии с сопротивлением R (нагрузка или приемник), провода, соединяющие их между собой , и выключатель К (коммутирующее устройство) для размыкания и замыкания электрической цепи, а также защитная и измерительная аппаратура.

Рис.8

На нижеследующем рисунке (рис.9) показаны обозначения различных источников электрической энергии.

Рис.9

В приемниках электрической энергии (нагрузке) всегда наблюдается преобразование электрической энергии в другие виды: в электродвигателях –в механическую энергию, в осветительных устройствах –в лучистую энергию, в электроплитках, чайниках –тепловую ит.д.

Электрический ток в цепи возникает потому, что источник создает и поддерживает в цепи электрическое поле.

Силой тока I называют количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

(при постоянном токе) или (при изменяющемся токе). (2-1)

Единица силы тока 1А (ампер) = 1к/c (кулон в секунду)

Электрон, наименьшая и неделимая частица электричества, которая обладает отрицательным зарядом е=1,6 10^-19кул.

Величину, численно равную отношению силы тока I к площади поперечного сечения проводника S, называют плотностью электрического тока

(2-2)

Единица плотности тока [J] =1А/мм².

Для меди = 2А/ мм². Если плотность тока превысит это значение, то из-за сильного разогрева медь из твердого состояния переходит в жидкоподобное (плавится) и проводник теряет свои свойства (сгорает предохранитель).

2. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ, ПОТЕНЦИАЛ, НАПРЯЖЕНИЕ И ЭДС

Из механики известно, что если предмет приподнять над землей (рис.10) то на это тело действует сила тяготения F , под действием которой при перемещении на расстояние h совершается работа

.(2-3)

С другой стороны, в исходной точке тело обладает потенциальной энергией W₁ = mqh₁, а в конечной точке перемещения энергией W₂=mqh₂ и работу можно представить как разность энергий

(2-4)

где

Таким образом работу можно представить через силу, действующую на тело и как разность энергий тела в результате его перемещения. Рис. 10

В проводнике с током существует электрическое поле, воздействующее на электрические заряды и вынуждающие их перемещаться по направлению сил поля. Основной силовой характеристикой электрического поля служит величина, называемая напряженностью . Она определяется как сила, действующая на единицу положительного заряда в рассматриваемой точке поля (рис.11). Если на положительный заряд q действует сила , то напряженность данной точке

(2-5)

Напряженность как и сила, является векторной величиной.

а б

Рис. 11

Если напряженность поля во всех точках одинакова, то это поле является равномерным или однородным (рис.11). Работа, совершаемая силами поля при движении заряда по направлению такого поля из точки 1 в точку 4, равна произведению силы на путь ℓ, т.е.

(2-6)

Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал φ . Положительный электрический заряд , когда он находится у положительного полюса источника электроэнергии, обладает некоторой потенциальной энергией. При его перемещении в однородном поле производится работа . На эту же величину уменьшается потенциальная энергия заряда q. Такое уменьшение энергии происходит вследствие перехода заряда из точки, обладающей более высоким потенциалом, в точку с более низким потенциалом ( которая находится на расстоянии от положительного полюса). При переходе заряда q из точки 1 в точку 4 совершается работа, равная произведению заряда на разность потенциалов этих точек, т.е.

(2-7)

( ) = U –разность потенциалов двух точек равна напряжению между этими точками. Потенциал как и напряжение измеряется в вольтах (В).

Обычно потенциальную энергию и потенциал определяют относительно какого-либо уровня, принятого за начальный.

На практике начальным обычно полагают потенциал Земли, который принимают равным нулю.

Связь между энергетической и силовой характеристиками поля можно представить равенством

(2-8)

Электрическая цепь, содержит два участка: внешний и внутренний. Во внешней цепи источника электроэнергии положительные заряды движутся от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом. ( от плюса (+ ) к минусу ( - ))

Объемная диаграмма (см. рис.11б) изображает круговое движение зарядов в электрической цепи, т.е. на внутреннем и внешнем участках.

Внутри источника электроэнергии заряды перемещаются от точек с низким потенциалом к точкам с более высоким потенциалом (от минуса к плюсу). Такое перемещение внутри источника совершается сторонними силами (неэлектрического происхождения), например, за счет электромагнитной индукции в машинных генераторах, за счет лучистой энергии в фотоэлементах, за счет химических процессов в гальванических элементах. Эти сторонние силы создают внутри источника электроэнергии электродвижущую силу (эдс), являющуюся в цепи причиной перемещения зарядов от точек с низшим потенциалом. Она обозначается буквами или е.

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПРОВОДИМОСТЬ

Поступательное движение электронов, дрейфующих под действием сил электрического поля и обеспечивающих в проводнике электрический ток, тормозится вследствие столкновений их с узлами электрической решетки проводника ( с ионами , атомами, молекулами проводника) (рис.6).

При столкновении электрона с узлом кристаллической решетки электроны теряют часть своей кинетической энергии, уменьшая свою скорость, которая в результате действия сил электрического поля снова увеличивается и т.д. Таким образом скорость движения электронов изменяется. В результате в проводнике устанавливается некоторая средняя скорость движения электронов. Электроны, двигаясь вдоль проводника, всегда встречают сопротивление своему движению. Частота столкновений зависит от структуры материала и его температуры. Это противодействие или торможение, направленному движению электронов, т.е. электрическому току, называется электрическим сопротивлением. Под электрическим сопротивлением проводника понимают величину противодействия, которое оказывает проводник перемещению электрических зарядов. Ток в твердых проводниках создается только движением электронов. Это проводники первого рода, обладающие электронной проводимостью. В жидкостях и газах носителями зарядов являются положительные и отрицательные ионы. Их движение – положительных ионов по направлению поля и отрицательных ионов против этого направления – создает электрический ток. Такие проводники обладают ионной проводимостью и называются проводниками второго рода. Сопротивление обозначается буквами Rили r .

Сопротивление проводника зависит от рода материала, его размеров (длины, сечения) и температуры проводника.

При температуре порядка 20⁰С, численное значение сопротивления проводника определяется по формуле

(2-9)

где R -сопротивление проводника при комнатной температуре, ρ – удельное сопротивление проводника при 20⁰С, - длина проводника, S -площадь сечения проводника.

Единица электрического сопротивления – ом (Ом).

Величину, обратную сопротивлению, называют электрической проводимостью

1/R = g(2-10)

Единица электрической проводимости – сименс (См)

[g] = Ом^-1=См.

Понятие проводимости используется преимущественно при расчетах параллельного соединения приемников электрической энергии.

При нагревании проводника первого рода (металла) его сопротивление увеличивается по закону

R_τ = R₀ ( 1+ α t ), (2-11)

где R_τ – сопротивление проводника при температуре t, R₀ – сопротивление проводника при 0⁰С, α – температурный коэффициент сопротивления, который показывает относительное изменение сопротивления проводника при изменении температуры на 1⁰С.

Таблица 3.

Таблица удельных сопротивлений, проводимостей и температурных коэффициентов некоторых проводников

У чистых металлов коэффициент α положителен. У сплавов он может быть как положительным, так и отрицательным. В частности, для сплавов, применяемых при изготовлении реостатов, измерительных (эталонных) сопротивлений, значение α весьма мало. К таким сплавам принадлежит манганин (84%меди, 12% марганца,3% никеля), константан и др. Температурный коэффициент сопротивления для проводников второго рода (электролитов) и графита отрицателен, т.е. с повышением температуры их удельное сопротивление уменьшается.

4. ЗАКОН ОМА

Между основными электрическими параметрами цепи, такими, как ток, сопротивление, эдс, напряжение, существует строго определенная связь (рис.13). Эта связь устанавливается законом Ома.

(2-12)

т.е. сила тока на участке электрической цепи при постоянной проводимости пропорциональна напряжению.

Рис.13 Рис. 14

Зависимость тока от напряжения называют вольтамперной характеристикой (ВАХ) (рис.14). Как следует из выражения(1-12), ВАХ участка цепи при его постоянной проводимости есть линейная функция, т.е. прямая линия, проходящая через начало координат. Причем, ctgα = R= U/I. Ранее приведенную формулу можно представить и так

U = IR, (2-13)

причем, величину равную произведению тока на сопротивление участка цепи, называют падением напряжения на этом участке.

При установлении связи между параметрами, относящимися ко всей цепи, необходимо учитывать сопротивление всей цепи, а также эдс источника, т.е. закон Ома для всей цепи

,(2-14)

где R - сопротивление внешнего участка цепи, r-сопротивление внутреннего участка цепи. Произведение I r=ΔU называют падением напряжения на внутреннем участке цепи.

5. ЗАКОНЫ КИРХГОФА

Первый закон Кирхгофа - алгебраическая сумма токов, в узловой точке (а или б) (рис.15а) цепи равна нулю,

или (2-15)

а б

Рис.15

Второй закон – алгебраическая сумма всех действующих эдс в любом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме падений напряжений на резисторах, входящих в контур. Для замкнутого контура (рис.15б) второй закон Кирхгофа запишется в виде

(2-16)

Таким образом, закон Ома для всей цепи можно считать частным случаем второго закона Кирхгофа.

Знаки в алгебраической сумме для эдс и падений напряжений следует производить в соответствии со следующими правилами:

1) если направление эдс совпадает с условно выбранным направлением обхода по контуру, то эдс берут со знаком плюс и наоборот;

2) если направление тока на участке цепи совпадает с направлением выбранного обхода контура, то падение напряжения на этом участке берется со знаком плюс и наоборот.

6. СОЕДИНЕНИЕ РЕЗИСТОРОВ

Последовательное соединение. Последовательным соединением резисторов называют такое соединение, при котором между ними не существует узловых точек и через все участки цепи проходит один и тот же ток.

а б в

Рис.16

Электрическая цепь с последовательно соединенными резисторами (рис.16а)обладает следующими свойствами:

1. Сила тока на всех участках цепи одинакова:

I = const. (2-17)

1. Напряжение на зажимах цепи на отдельных ее участках равно арифметической сумме

U = U₁ + U₂ + U₃.(2-18)

1. Напряжение на зажимах отдельных резисторов прямо пропорционально их сопротивлениям U~R

U₁/U₂ = R₁/R₂ или U₂/U₃ = R₂/R₃ (2-19)

1. Полное (эквивалентное) сопротивление цепи при последовательном сопротивлении равно сумме сопротивлений отдельных резисторов, включенных в цепь:

R = R₁ + R₂ + R₃.(2-20)

1. Полная мощность цепи равна сумме мощностей, выделенных на каждом резисторе

Р = Р₁+ Р₂ + Р₃. (2-21)

Параллельное соединение. Параллельным соединением резисторов называют такое соединение, при котором резисторы образуют две узловых точки и находятся под действием одного и того же напряжения (рис.16б)

Электрическая цепь с параллельно соединенными резисторами обладает следующими свойствами:

1. Ток в неразветвленной цепи равен сумме токов в ее отдельных ветвях

I = I₁ + I₂ + I₃ +. . . (1-22)

2. Напряжение на всех ветвях одинаково:

U = U₁ = U₂ =U₃ = const.(2-23)

3. Токи в отдельных ветвях обратно пропорциональны сопротивлениям этих ветвей:

I₁/I₂ = R₂/R₁ или I₂/I₃ =R₃/R₂.(2-24)

4. Полная проводимость цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей:

g =g₁ + g₂ + g₃ + … или 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + …(2-25)

5. Полная мощность цепи равна арифметической сумме мощностей, выделенных на каждом резисторе:

P = Р₁ + P₂ + P₃ + …(2-26)

Параллельное соединение применяется в тех случаях, когда необходимо уменьшить полное сопротивление цепи.

Смешанное соединение. Смешанным соединением резисторов называют такое соединение, в котором сочетаются последовательное и параллельное соединение резисторов. На рис. 16 в представлена схема смешанного соединения резисторов. Резисторы R₂ и R₃ соединены параллельно, а резистор R₁ соединен с ними последовательно.

Методика расчета смешанных схем соединения резисторов состоит в том, чтобы путем замены отдельных видов соединений привести цепь к одному виду соединения – либо последовательному, либо параллельному.

7. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА. НАГРЕВАНИЕ ПРОВОДНИКОВ.

Роль сопротивления в электрической цепи подобна или эквивалентна роли трения в механической системе. Под действием электрического тока в проводнике электроны сталкиваются с узлами кристаллической решетки (ионами, атомами, молекулами) и ускоряют их движение (передают свою энергию узлам решетки), что усиливает колебания узлов кристаллической решетки и приводит к нагреву проводника. Следовательно, при наличии тока в проводнике происходит необратимое преобразование электрической энергии в тепловую энергию.

Количество теплоты Q, выделяемой током в проводнике, равно работе А, совершаемой электрическим полем при перемещении заряда Q = A. Связь между количеством выделенной теплоты Q , током I , сопротивлением R и временем t прохождения тока по проводнику можно представить уравнением

(2-27)

Это закон Джоуля – Ленца, определяющий количество энергии, выделяющейся в проводнике при протекании электрического тока.

Единица количества теплоты – джоуль (Дж)

Тепловое действие тока, в ряде случаев, представляет собой вредное побочное явление. Нагревание током проводов, соединяющих источник электрической энергии с ее приемником, ограничивает нагрузку проводов током, так как сильное повышение температуры вызывает разрушение изоляции.

Нагревание проводов обмоток электрических машин является нежелательным, но неизбежным явлением. Увеличение тепловых потерь снижает кпд электрических машин и других устройств. Для уменьшения этих потерь принимаются специальные меры для отвода выделяющейся теплоты (вентиляция и др.).

С другой стороны, нагревание электрическим током полезно применяется , например в лампах накаливания, в электрических печах, в электрочайниках, электроплитках и т.д.

8. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ И ПЕРЕГРУЗКИ. ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА.

Коротким замыканием называется всякое неправильное соединение в электрической цепи через провод с малым электрическим сопротивлением. Например, соединение между собой проводов воздушной линии или повреждение изоляции в обмотке электродвигателя, вследствие старения, износа, пробоя и т.д. Короткое замыкание (КЗ) сопровождается резким увеличением тока, при этом в проводах выделяется большое количество теплоты, так как тепловое действие пропорционально квадрату тока. Этот перегрев может вызвать пожар. Чем ближе КЗ к источнику электрической энергии, тем оно опаснее. При КЗ на зажимах источника ток короткого замыкания ограничивается только внутренним сопротивлением источника, т.е. . Токи короткого замыкания в силовых энергосистемах могут достигать 100 000А и более.

а б в

Рис.17

Из-за пожарной опасности очень важно быстрое отключение токов короткого замыкания.

Одним из основных отключающих элементов токов короткого замыкания служит плавкий предохранитель (рис. 17а). Плавкие предохранители выбирают и ставят с таким расчетом, что, как только ток в цепи по тем или иным причинам превысит допустимый предел, проволока или пластина предохранителя перегорает и отключает цепь тока. Правильно подобранный предохранитель всегда должен сгорать раньше, чем опасно нагреются провода самой цепи.
К приборам тепловой защиты можно отнести и устройство, называемое тепловым реле, применяемое в электрочайниках, электроутюгах, хлебопечках и т.д.. Если взять две пластины из одного и того же металла и нагреть их, то они будут удлиняться одинаково (рис. 17 б (а)). Если же взять пластины из разных металлов и нагреть их, то вследствие различного теплового расширения они будут удлиняться по - разному (рис.17 б(б)). Две пластины из разных металлов, скрепленные или сваренные, образуют одну биметаллическую пластину. Обычно биметаллическая пластина выполняется из инвара (сплав железа с никелем и латуни). При нагреве пластина изгибается в сторону металла с меньшим тепловым расширением (рис.17 б(в)). В тепловом реле для срабатывания устройства обычно используется биметаллический элемент. Он состоит в основном из двух механически скрепленных пластин, изготовленных из металлов с различными температурными коэффициентами расширения.

Схематично тепловое реле представлено на рис.17 в. Нагреватель 1, включенный последовательно в защищаемую цепь, своей теплотой воздействует на биметаллический элемент 2. Нагреваясь, одна из пластин элемента удлиняется сильнее, чем другая. Вследствие этого биметаллическая пластина изгибается вверх и освобождает защелку 3. Под действием пружины 4 подвижная часть поворачивается вокруг оси 5 и размыкает посредством тяги 6 контакты 7.

Так как тепловое реле из-за биметаллической пластины обладает значительной тепловой инерцией, то оно плохо защищает от токов КЗ и плавкий предохранитель является его необходимым дополнением.

9. МОЩНОСТЬ

Для характеристики энергетических условий важно сколь быстро совершается работа. Работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью

(2-28)

Если движение зарядов создает постоянный ток, то q = I t, где t- время, за которое был перенесен заряд q. Следовательно, работа, производимая за время t, А= UIt, тогда мощность

(2-29)

То или другое выражение мощности используется в зависимости от условий той или иной электротехнической задачи.

Единицей измерения активной мощности служит ватт. [Вт] = В А = Дж/c.

Для измерения больших мощностей применяются кратные единицы - 1кВт=1000Вт, 1МВт =10⁶Вт.

Прибор, измеряющий мощность – ваттметр - имеет две измерительные цепи (две катушки), из которых одна (цепь тока) включается как амперметр последовательно с нагрузкой,

Рис. 18 Схема включения ваттметра

а вторая (цепь напряжений) подключается к нагрузке как вольтметр (параллельно).

В электроэнергетике для измерения работы служит более крупная, чем джоуль единица , называемая кВт час. Это работа, совершаемая в течение одного часа при неизменной мощности в 1кВТ. Следовательно, 1кВт час = 1000Вт 3600с =3 600 000 Дж.

10. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ С НЕСКОЛЬКИМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ

По тем или иным причинам для питания потребителей, подключают несколько источников, соединенных между собой различными способами.

Последовательное и согласованное соединение. При таком соединении источников энергии постоянного тока отрицательный полюс первого источника (рис.19 а) соединяют с положительным полюсом второго, а отрицательный полюс второго с положительным полюсом третьего и т.д.

а б

Рис.19

Свободные выводы первого и последнего источников служат зажимами внешней цепи.

Эквивалентная (общая) эдс всех источников равна сумме эдс отдельных источников:

(2-30)

Если соединение состоит из n одинаковых источников эдс, то

(2-31)

Эквивалентное внутреннее сопротивление батареи равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников

(2-32)

Если соединение состоит из n источников с одинаковыми внутренними сопротивлениями, то

(2-33)

При последовательном и согласном включении источников в замкнутой электрической цепи устанавливается ток, который согласно закона Ома

, (2-34)

R- сопротивление внешней цепи.

Рассматриваемое включение источников применяют в тех случаях, когда необходимо увеличить эквивалентную эдс цепи и ее мощность.

Последовательно – встречное соединение. При данном соединении (рис. б) отрицательный полюс одного источника соединяется с отрицательным полюсом другого, а положительные выводы являются зажимами внешней цепи, или наоборот, положительный полюс одного источника соединен с положительным полюсом другого, а отрицательные выводы являются зажимами внешней цепи.

При таком соединении источников эквивалентная эдс равна алгебраической сумме эдс отдельных источников, т.е. в схеме (рис. б), если

В данном случае источник Е₂ работает в режиме генератора, а источник эдс Е₁ – в режиме потребителя.

Если цепь состоит из двух источников, с одинаковыми эдс, то общая эдс равна нулю.

Эквивалентное внутреннее сопротивление источников равно

=

Закон Ома запишется в виде

(2-35)

Рассматриваемое соединение применяется достаточно редко, например при измерениях эдс методом компенсации.

Параллельное соединение. При таком соединении все положительные полюса присоединяются к одному зажиму внешней цепи, а все отрицательные полюса – к другому.

Обычно при параллельном соединении включают источники с одинаковыми эдс и внутренними сопротивлениями. Тогда эквивалентная (общая) эдс цепи равна эдс одного из источников

= (2-36)

Эквивалентное внутреннее сопротивление определяется как параллельного соединения резисторов

(2-37) Рис.20

где n –число источников, включенных параллельно.

Ток во внешней цепи равен сумме токов всех источников

(2-38)

Данное соединение на практике применяют в тех случаях, когда необходимо увеличить ток и мощность во внешней цепи.

11. ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

На практике часто нагрузку присоединяют к источнику питания через, реостат позволяющий регулировать напряжение. Реостат, включенный в цепь и позволяющий регулировать напряжение, называют потенциометром или делителем напряжения.

В качестве делителя напряжения можно использовать обычный ползунковый реостат. Для этого напряжение цепи включают на полное сопротивление реостата, а к подвижному и к одному из неподвижных контактов подключают нагрузку. При перемещении движка меняется разность потенциалов и соответственно напряжение, подаваемое на нагрузку.

Если перемещать движок от зажима (а) к зажиму (б), то напряжение, подводимое к нагрузке (R₂) будет меняться от 0 до U.

Рис. 21

12. ПОТЕРИ НАПРЯЖЕНИЯ И МОЩНОСТИ В ПРОВОДАХ

Для электротехнических устройств важно, чтобы они находились под номинальным напряжением (например, под напряжением 220В). Необходимо иметь в виду следующее. При превышении номинального напряжения всего на 5% , длительность горения лампы накаливания сокращается на 50%. В то же время снижение подаваемого напряжения (от номинального) на те же 5% световой поток лампы уменьшается на 18-20%.

При передаче электрической энергии в проводах происходит потеря энергии.

На рис.22 представлена схема двухпроводной лини передачи электрической энергии. Потерей напряжения называют арифметическую разность напряжений в начале и конце линии:

конце линии:

(2-39) Рис.22

Для цепи постоянного тока падение напряжения в линии можно представить и так:

(2-40)

где R_л==2ρL/S – - сопротивление линии, l- длина одного провода линии, ρ - удельное сопротивление материала провода, S - площадь поперечного сечения провода. Откуда . (2 41)

Мощность потерь в линии определяется произведением потерь напряжения и тока, т.е.

.(2-42).

13. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПО ПРОВОДАМ

Для практики большое значение имеет то, что одну и ту же мощность можно по проводам передать при низком напряжении и большом токе или при высоком напряжении и малом токе.

Согласно, представленной схемы (рис.22),

(2-43)

Умножим это уравнение на величину тока, преобразовав его в уравнение мощностей

(2-44)

где - мощность генератора электрической энергии,I² R_л- потеря мощности в проводах линии, U₂I –мощность потребляемая нагрузкой.

Если повысить напряжение на зажимах нагрузки в 100 раз (U₂^*=100U₂), то, чтобы получить ту же мощность, нужно уменьшить в 100 раз ток, т.е. до значения I^*=I/100. Тогда потери в проводах линии (при неизменном R_л) уменьшаются в 10 000раз, т.к.

I^*2 R_л = I ²R_л/10 000.

Следовательно, при повышении напряжения в десять раз и, если сохранить процент потерь мощности при передаче энергии неизменным, можно уменьшить площадь сечения проводов линии в 10 000 раз или удлинить линию в 10 000 раз.

Или другой оценочный пример.

Пусть генератор на электростанции имеет мощность Р = 200МВт=2 10⁸Вт. Оценим диаметр медного провода при передаче этой энергии при напряжениях 100В и 1МВ=10⁶В.

При напряжении 100В для передачи такой мощности требуется ток в I=P/U =2 10⁶А, а при напряжении 10⁶В величина тока равна 200А.

Максимальная плотность тока для меди составляет величину порядка

j = I/S = 2А/мм².

Тогда, в первом случае, сечение и диаметр медного провода составляют величины порядка 1м² и 1м, соответственно. Во втором случае, эти величины 10^-4 м² и 10^-2м, соответственно.

Сравнение этих значений свидетельствует о том, что передача электрической энергии экономически более выгодна при повышенном напряжении. Это и применяется на практике с использованием высоковольтных линий электропередач (ЛЭП).

Кроме того, следует учитывать и большие тепловые потери при протекании больших токов при передаче электрической энергии.

14. ТОКОПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

В качестве проводниковых материалов наибольшее применение имеют металлы и их сплавы.

Основными из электрических характеристик проводниковых материалов являются удельная проводимость j (или удельное сопротивление ρ) и температурный коэффициент α.

С точки зрения электропроводности различают проводниковые материалы с малым и большим удельным сопротивлением, а также сверхпроводящие материалы.

Материалы с малым удельным сопротивлением идут на изготовление проводов, кабелей ( для передачи электрической энергии), обмоточных проводов (для всевозможных обмоток электрических машин, аппаратов, приборов). Для этих целей наибольшее применение имеют медь и алюминий.

Широкое применение меди обусловлено не только высокой удельной проводимостью, но и высокой механической прочностью и коррозийной стойкостью. Из меди легко изготовлять проволоку разной толщины (до 0,001мм), ленты и тонкую фольгу. Кроме чистой меди в электротехнике применяют ее сплавы (бронзу, латунь).

Кроме меди в электротехнике по технико-экономическим показателям все большее применение находит алюминий. Удельное сопротивление алюминия выше, а механическая прочность ниже, чем у меди, но его плотность примерно в 3,5 раза меньше. Поэтому алюминиевый провод такого же сопротивления, что и медный, при большей толщине оказывается приблизительно вдвое легче. Очень важное преимущество алюминия состоит в том, что он менее дефицитен , чем медь, по обработке не уступает меди (кроме пайки).

При понижении температуры величина ρ металлов уменьшается. В настоящее время известно, что многие чистые металлы и сплавы при охлаждении до некоторой температуры, приближающейся к абсолютному нулю, переходят в состояние сверхпроводимости, с наступлением которой их удельное сопротивление скачком уменьшается практически до нуля. В числе сверхпроводников можно отметить алюминий, ртуть, тантал, свинец, ниобий и их сплавы. Из перечисленных веществ наиболее низкую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 1,2 К имеет алюминий.

В сверхпроводнике при наличии электрического тока потерь энергии практически нет, поэтому в замкнутом сверхпроводящем контуре возникший однажды ток