ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА 2 глава

·

· Процесс заряда конден­сатора(рис. 6). При уста­новке ключа на контакт 1 пластины конденсатора ока­жутся подключенными к ба­тарее и на них появятся про­тивоположные по знаку элек­трические заряды («+» и «—»). Произойдет заряд конденсатора и между его пластинами возникнет элек­трическое поле. При заря­де конденсатора свободные электроны правой пластины переместятся по проводнику в направлении положитель­ного полюса батареи и на этой пластине останется недостаточное количество электронов, в результате чего она приобретет, положительный заряд.

· Свободные электроны с отрицательного полюса батареи переместятся на левую пластину конденсатора и на ней появится избыток электронов — отрицательный заряд.

· Таким образом, в проводах, соединяющих пластины конденса­тора с батареей, будет протекать электрический ток. Если между конденсатором и батареей не включено большое сопротивление, то время заряда конденсатора очень мало и ток в проводах протекает кратковременно.

· При заряде конденсатора энергия, сообщаемая батареей, переходит в энергию электрического поля, возникающего между пластинами конденсатора.

· Процесс разряда конденсатора (см. рис. 6). Если ключ устано­вить на контакт 2, пластины заряженного конденсатора окажутся соединенными между собой. При этом произойдет разряд конденса­тора и исчезнет электрическое поле между его пластинами.

· При разряде конденсатора избыточные электроны с левой пла­стины переместятся по проводам к правой пластине, где их недо­стает; когда количество электронов на пластинах конденсатора ста­нет одинаковым, процесс разряда закончится и ток в проводах ис­чезнет.

· Энергия электрического поля конденсатора при его разряде расходуется на работу, связанную с перемещением зарядов,— на создание электрического тока.

· Время разряда конденсатора через провода, обладающие ма­лым сопротивлением,также весьма мало.

· Процесс заряда и разряда конденсатора широко используется в различных устройствах.

· Наиболее широко распространены бумажные, слюдяные и элек­тролитические конденсаторы постоянной ёмкости.

· Бумажный конденсатор КБГ. Бумажный конденсатор (рис.7) представляет собой металлический корпус 1, в котором герметиче­ски закрыт пакет 2, состоящий из пластин, выполненных в виде алю­миниевой фольги 2 и изолированных одна от другой тонкой бума­гой 4, пропитанной изоляционным материалом (церезином, головаксом). Пластины конденсатора присоединяются к выводным лепест­кам 3, изолированным от корпуса.

· Слюдяной конденсатор КСО. Слюдяной конденсатор (рис. 7, б) состоит из двух пакетов металлических пластин и слюдяных про­кладок. Между каждой парой пластин, принадлежащих разным па­кетам, помещается тонкая прокладка из слюды. Собранные таким образом конденсаторы запрессовываются в пластмассу, из которой выходят наружу два лепестка по одному от каждого пакета пла­стин. Они служат для включения конденсатора в схему.

· Электролитический конденсатор КЭ-2М. Электролитический кон­денсатор (рис. 7, в) представляет собой алюминиевый стакан 6, в ко­тором помещаются две алюминиевые ленты, скатанные в рулон. Между лентами проложена фильтровальная бумага, пропитанная электролитом.. Одна алюминиевая лента соединяется с корпусом стакана, а вторая -—с контактом 7, укрепленным на его верхней крышке. При заряде конденсатора на поверхности алюминиевых лент, подключаемых к положительному полюсу источника тока, образуется пленка окиси алюминия, являющаяся диэлектриком. Так как эта пленка очень тонкая, то емкость электрических кондесаторов относительно велика. Электролитические конденсаторы изготовляют емкостью до 2000 мкф при рабочем напряжении до 500 в.

·

·

· Рис 7 Конденсаторы постоянной емкости:

· а-бумажный КБГ, б-слюдяной КСО, в - электролитический КЭ-2М и его условное обозначение

·

· Рис 8 Конденсаторы переменной (а) и полупеременной (б)

· емкости и их условное обозначение:

· 1 — ротор, 2 — статор, 3 — гайка крепления

·

· Конденсаторы переменной емкости. Конденсаторы, емкость ко­торых можно изменять, называются конденсаторами переменной емкости (рис. 8, а). Такой конденсатор состоит из неподвижных пластин (статора) и подвижных пластин (ротора), укрепленных на оси. При плавном повороте оси подвижные пластины в большей или меньшей степени входят в промежутки между неподвижными пла­стинами, не касаясь их, и емкость конденсатора плавно увеличивает­ся. Когда подвижные пластины полностью входят в промежутки между неподвижными пластинами, емкость конденсатора достигает наибольшей величины.

· Разновидностью конденсатора переменной емкости является конденсатор полупеременной емкости (рис. 8, б). Такой конденса­тор имеет неподвижную (статор) и подвижную (ротор) пластины. Основание пластин изготовлено из керамики, а на него нанесен слой серебра.

· Ротор укреплен с помощью винта. Поворачивая винт, перемеща­ют ротор и при этом изменяется емкость конденсатора в пределах 2—30 пф.

·

· §11. СОЕДИНЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ

·

· Если необходимо увеличить общую емкость конденсаторов, то их соединяют между собой параллельно (рис. 9, а). При этом способе соединения общая площадь пластин увеличивается по сравнению с площадью пластины каждого конденсатора. Общая емкость конденсаторов, соединенных параллельно, равна сумме емкостей отдель­ных конденсаторов и вычисляется по формуле

· Собщ=С1 + С2+С3+ ••• (10)

· Это можно подтвердить следующим обра­зом.

· Соединенные параллельно конденсаторы на­ходятся под одним и тем же напряжением, рав­ным U вольт, а общий заряд этих конденсато­ров равен q кулонов. При этом каждый кон­денсатор соответственно получает заряд q₁, q₂, q_3, и т. д. Следовательно,

· q_общ = q₁ + q₂ + q₃ + •••

·

· Из формулы (8) вытекает, что заряд

· q_общ = С_общ U (11)

·

· а заряды q₁ = С₁U; q₂ = С₂U; q₃ = С₃U.

·

· Подставив эти выражения в формулу (11), получим:

· С_общ U= С₁U + С₂U + С₃U.

· Разделив левую и правую части этого равенства на равную для всех конденсаторов величину U, после сокращения найдем:

· С_общ = С₁ + С₂ + С₃

·

· Пример. Три конденсатора емкостью С₁=2 мкф; C₂=0,1 мкф и C₃=0,5 мкф соединены параллельно.

· Вычислить их общую емкость.

· Решение.

· С_общ = С₁ + С₂ + С₃ =2+00,1+0,5=2,6 мкф.

·

· Общую емкость конденсаторов, имеющих одинаковую емкость и соединенных параллельно, можно вычислить по формуле

· С_общ = Сn, (12)

· где С — емкость одного конденсатора,

· n — число конденсаторов.

·

· Пример. Пять конденсаторов емкостью 2 мкф каждый соединены параллель­но. Определить их общую емкость.

· Решение.

· С_общ = Сn =25=10 мкф.

·

· Конденсаторы соединяют последовательно (рис. 9, б), когда
рабочее напряжение установки превышает напряжение, на которое рассчитана изоляция одного конденсатора. В этом случае правую пластину первого конденсатора соединяют с левой пластиной второ­го, правую пластину второго — с левой пластиной третьего и т. д. Общая емкость конденсаторов при таком соединении уменьшается. Величина, обратная общей емкости конденсаторов, соединенных последовательно , равна сумме обратных величин емкостей отдельных конденсаторов:

·

· Это можно подтвердить следующим образом. Общее напряжение на конденсаторах U_общ а на каждом конденсаторе U₁, U₂, U₃, тогда

· U_{общ =} U₁ +U₂+ U₃.

· Из Формулы (8) следует, что напряжение

· U_общ = (14)

·

· а напряжение

·

· Подставив эти выражения в формулу (14), получим:

·

·

·

· Разделим левую и правую части этого равенства на величину q и после сокращения найдем:

·

·

· Пример. Три конденсатора С1=2 мкф, С2=4 мкф и С3=8 мкф соединены последовательно. Определить их общую емкость.

· Решение.

·

· Если последовательно соединены конденсаторы, имеющие оди­наковую емкость, то их общую емкость можно вычислить по фор­муле

·

·

· Пример. Четыре конденсатора емкостью 1000 пф каждый соединены последо­вательно. Определить их общую емкость. Решение.

·

·

·

· Если последовательно соединены два конденсатора различной емкости, то их общую емкость можно найти по формуле

·

·

· Пример.

· Два конденсатора С₁=200 пф и С₂=300 пф соединены последовательно. Вычислить их общую емкость.

· Решение

·

· Как видно из приведенных примеров, общая емкость конденса­торов, соединенных последовательно, всегда меньше наименьшей емкости, входящей в соединение.

· Конденсаторы выбирают по емкости и рабочему напряжению которое подается на его пластины при включении в схему. При напряжении, превышающем допустимое, происходит пробой диэлек­трика в конденсаторе. Это напряжение называется пробивным. Про­бой диэлектрика сопровождается электрическим разрядом — искрой с характерным треском. Конденсатор с пробитым диэлектриком не пригоден для применения.

· Каждый диэлектрик обладает определенной электрической проч­ностью, т. е. способностью противостоять пробою. Электрическая прочность (табл. 2) измеряется обычно в (в/см) и определяется по формуле

·

·

· где U — напряжение, в,

· d — толщина диэлектрика, см.

·

· § 12. ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ СПОСОБЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

·

· Электрические разряды используют для обработки металлов. Советские изобретатели Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лазаренко разра­ботали новый электрический способ обработки металлов, который

·

· назван электроискровым. Этот способ основан на том, что при элек­трическом разряде вместе с искрой с положительного электрода пе­реносятся частицы металла и поэтому на нем образуется впадина, а на отрицательном электроде — выступ (рис. 10).

· Поверхностное разрушение электродов под действием электри­ческого разряда называется электрической эрозией.

· При электроискровой обработке металлов (рис. 11) деталь по­мещают в ванну с водой, маслом или керосином и присоединяют к ней положительный полюс источника электрической энергий (анод).

· В качестве «инструмента» используют медно-графитовую пла­стину, имеющую форму того отверстия, которое хотят сделать в обрабатываемой детали. К инструменту подводят отрицательный полюс источника электрической энергии (катод).

· Инструмент (катод) приближают к обрабатываемой детали (к аноду), не касаясь ее, до расстояния, при котором начинается про­бой— искрообразование. Частицы металла с большой скоростью вырываются из детали (анода) и, направляясь к катоду, попада­ют в жидкость. Это обеспечивает сохранение формы инструмента. По мере продвижения в массу металла инструмент автоматически опускается, в результате этого между ним и деталью сохраняется нужное для поддержания разряда расстояние.

· Через несколько минут после начала обработки изделия в метал­ле большой твердости получается отверстие необходимой формы и размера.

· Электроискровым способом можно делать сквозные и глухие от­верстия различной формы, изготовлять различные штампы, пресс-формы, шлифовать поверхности, затачивать и доводить твердо­сплавные резцы, разрезать металлы различной твердости, наносить покрытия на металлические поверхности, нарезать резьбу и выпол­нять другие всевозможные виды обработки металлов.

· Контрольные вопросы

· 1. Каким электрическим зарядом обладают электроны?

· 2. От каких величин зависит сила взаимодействия электрических зарядов?

· 3. Что называется электрическим полем?

· 4. Каким электрическим зарядом обладает тело, атомы которого имеют не­достаток или избыток электронов?

· 5. Что называется электрическим потенциалом?

· 6. Что называется разностью потенциалов?

· 7. Что называется напряженностью электрического поля?

· 8. От каких величин зависит емкость плоского конденсатора?

· 9. Назовите единицы измерения электрической емкости и их соотношение.

· 10. При каком соединении конденсаторов общая емкость уменьшается?

· 11. Как вычислить емкость двух конденсаторов, соединенных последовательно, имеющих разную емкость?

· ГЛАВА II

· ПОСТОЯННЫЙ ТОК

·

· § 13. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

· Простейшая электрическая цепь (рис. 12) содержит источник электрической энергии Г, приемник энергии П и два линейных про­вода Л₁ и Л₂, соединяющих источник с приемником энергии. Линей­ные провода присоединяются к источнику электрической энергии при помощи двух зажимов, называе мых положительным ( + ) и отрица­тельным (—) полюсами.

· Источник электрической энергии преобразует механическую, химиче­скую, тепловую или другого вида энер­гию в энергию электрическую. В при­емнике происходит преобразование электрической энергии в энергию дру­гого вида — механическую, тепловую, химическую, световую и др.

· Источниками электрической энер­гии служат генераторы (электрические

·
машины, приводимые в движение какими-либо механическими дви­гателями), аккумуляторы и гальванические элементы, условное обозначение которых показано на рис. 13. В качестве приемников электрической энергии применяют осветительные лампы, электри­ческие двигатели, электронагревательные приборы и пр.

· Как гальванические элементы, так и аккумуляторы соединяют между собой для составления в первом случае батареи гальваниче­ских элементов, а во втором — батареи аккумуляторов. Источник электрической энергии с присоединенными к нему линейными про­водами и приемником энергии образуют замкнутую электрическую цепь, по которой происходит непрерывное движение электричества, называемое электрическим током.

· Постоянный ток в металлических проводниках представляет собой установившееся поступательное движение свободных элек­тронов в замкнутой цепи.

· Сила тока, протекающего в двух проводниках, отстоящих друг от друга на определенном расстоянии, вызывает механические силы, действующие на эти проводники. Единицей измерения силы тока является ампер (а). В Международной системе единиц (СИ) ампер—сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллель­ным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого круглого сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2 10^-7 ньютона (н) на каждый метр длины.

· Единицей силы в Международной системе единиц является ньютон (н); н= ,

· где кг – килограмм массы,

· м – метр,

· сек –секунда.

· Электрический ток определяет количество электричества, проте­кающего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Если в проводнике протекает ток силой 1 а, то через поперечное сече-ние этого проводника в течение 1 сек протекает 1 к электричества.

· При силе тока в проводнике I за время t через поперечное сечение этого проводника протекает количество электричества, равное

· Q=It

· Откуда

· I=

· I

· Эта зависимость справедлива для случая, когда в течение вре­мени t сила тока остается неизменной.

· Таким образом, если через поперечное сечение проводника протекает 40 к электричества за 5 сек, то сила тока в цепи

·

· Линейные провода и приемник энергии составляют внешнюю цепь, в которой ток протекает под действием разности потенциалов на зажимах источника энергии и направлен от точки более высокого потенциала (положительного зажима) к точке более низкого потенциала (отрицательного зажима)

· § 14. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА

·

· Как было указано выше, в замкнутой цепи электрический ток протекает под действием электродвижущей силы (э. д. с.) источ­ника энергии.

· Электродвижущая сила возникает в источнике тока и при отсутствии тока в цепи, т. е. когда цепь разомкнута. При холостом ходе, т. е. при отсутствии тока в цепи, э. д. с. равна разности потенциалов на зажимах источника энергии. Так же как и разность потенциалов э. д. с. измеряется в вольтах (в).

· Как при замкнутой, так и при разомкнутой электрической цепи э. д. с. непрерывно поддерживает разность потенциалов на зажи­мах источника энергии. Для непрерывного протекания тока в замк­нутой цепи необходимо движение зарядов внутри источника тока в направлении, обратном действию сил поля.

· Такое перемещение зарядов происходит за счет энергии, выра­батываемой источником тока. Поэтому э. д. с. численно равна энергии, сообщаемой источником тока единичному положительному заряду. Если количеству электричества Q кулонов источник тока сообщает энергию А дж, то э. д. с. источника энергии

·

·

· Так как А = Рt и Q=It (где Р — мощность, развиваемая источ­ником тока, вт, I — сила тока, а, t — время, сек), то

·

· т. е. электродвижущей силой может быть названо отношение мощ­ности, развиваемой источником тока, к силе тока.

· В наличии э. д. с. можно убедиться путем присоединения к полюсам источника энергии (вместо линейных проводов) прибора, называемого вольтметром. Стрелка вольтметра при этом отклонится на некоторый угол. Отклонение будет тем больше, чем больше э. д. с. источника энергии. Однако вольтметр покажет не величину э. д. с, а, как мы увидим ниже, напряжение на зажимах источника тока, которое так же как и э. д. с. измеряется в вольтах.

· Высокие напряжения и э. д. с. выражены в киловольтах (кв); 1 кв=1000 в.

· Малые величины напряжений и э. д. с. выражают в милливоль­тах (мв); 1 мв = 0,001 в

· § 15. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

· Направленному движению электрических зарядов в любом проводнике препятствуют его молекулы и атомы. Поэтому как внешняя цепь, так и сам источник энергии оказывают препятствие прохождению тока. Величина, характеризующая противодействие электрической цепи прохождению электрического тока, называется электрическим сопротивлением (или, короче, сопротивлением).

· Источник электрической энергии, включенный в замкнутую электрическую цепь, расходует энергию на преодоление сопротив­ления внешней и внутренней цепей.

· Электрическое сопротивление обозначается буквой r и на схе­мах изображается так. как показано на рис. 14, а

· Единицей измерения сопротивления является ом. Омом называется электрическое сопротивление такого линейного проводника, в котором при неизменяющейся разности потенциалов в 1 в протекает ток силой в 1 а, т. е.

· 1 ом =

· При измерении больших сопротивлений ис­пользуют единицы в тысячу и в миллион раз больше ома. Они называются килоомом (ком) и мегоомом (Мом); 1 ком =1000 ом; 1 Мом = 1 000 000 ом.

· В различных веществах содержится различное количество электронов, а атомы, между которыми эти электро­ны движутся, имеют различное расположение. Поэтому сопротив­ление проводников электрическому току зависит от материала, из которого они изготовлены, от длины и площади поперечного сече­ния проводника. Если сравнить два проводника, изготовленных из одного и того же материала, то более длинный проводник имеет большее сопротивление при равных площадях поперечных сечений, а проводник с большим поперечным сечением имеет меньшее сопро-тивление при равных длинах.

· Для оценки электрических свойств материала проводника слу­жит удельное сопротивление — это сопротивление проводника дли­ной в 1 м и площадью поперечного сечения в 1 мм². Удельное сопротивление обозначается буквой .

· Если проводник, изготовленный из материала с удельным сопро­тивлением , имеет длину l метров и площадь поперечного сечения q квадратных миллиметров, то сопротивление всего проводника

·

· Эта формула указывает на то, что сопротивление проводника прямо пропорционально удельному сопротивлению материала, из которого он изготовлен, а также его длине и обратно пропорцио­нально площади поперечного сечения.

· Сопротивление проводников зависит от температуры, причем сопротивление металлических проводников с повышением темпе­ратуры увеличивается. Для каждого металла существует опреде­ленный, так называемый температурный, коэффициент сопротивления, который выражает прирост сопротивления проводника при измнении температуры на 1⁰ С отнесенный к 1 ом начального сопротивления.

· Таким образом, температурный коэффициент сопротивления

·

·

· где r_{1 -} сопротивление проводника при температуре T₁,

· r_{2 -} сопротивление того же проводника при температуре T₂,

· Поясним выражение для температурного коэффициента сопро­тивления на примере. Положим, что медный линейный провод при температуре T₁= 15° С имеет сопротивление r₁ = 75 ом, а при темпе­ратуре T₂= 75°С r₂=93 ом. Следовательно, прирост сопротивления при изменении температуры на 75—15 = 60° С составляет 93—75 = = 18 ом. Таким образом, прирост сопротивления, соответствующий изменению температуры на 1°С, равен =0,3.

· Для определения температурного коэффициента сопротивлений нужно этот прирост сопротивления отнести к 1 ом начального сопротивления, т. е. разделить на 75:

·

·

· Соотношение между сопротивлениями r₁ и r₂:

·

·

·

· Следует иметь в виду, что это соотношение справедливо при не очень высоких температурах, а для измерения сопротивлений при температурах выше 100—150° С оно не может быть исполь­зовано.

· Регулируемые сопротивления называются реостатами. Реоста­ты изготовляют из проволоки с большим удельным сопротивлением, например из нихрома. Сопротивление реостатов может изменяться равномерно или ступенями. Применяют также жидкостные реоста­ты, представляющие собой металлический сосуд, наполненный ка­ким-либо раствором, проводящим электрический ток, например рас­твором соды в воде. На схемах реостаты условно обозначают так, как показано на рис. 14, б.

· Способность проводника пропускать электрический ток харак­теризуется проводимостью, которая представляет собой величину, обратную сопротивлению, и обозначается буквой g. Единицей изме­рения проводимости является (сименс).

·

· Величина обратная удельному сопротивлению материала проводника, называется удельной проводимостью и обозначается буквой .

· Таким образом, между удельным сопротивлением и удельной проводи­мостью вещества имеют место следующие соотношения:

·

· Пример 1. Определить длину медной проволоки диаметром 1 мм, имеющей сопротивление 15 ом, зная, что удельное сопротивление меди 0,0175 .

· Решение: поперечное сечение провода равно:

·

· откуда

·

·

·

· Пример 2. Определить поперечное сечение нихромовой проволоки  = 1 , имеющей при длине 40 м сопротивление 50 ом.

· Решение:

·

· откуда

·

·

·

· Пример 3. Обмотка трансформатора, изготовленная из медного провода, в нерабочем состоянии при 15° С имела сопротивление r₁=2 ом. При работе сопро­тивление ее стало равным r₂=2,48 ом. Определить температуру обмотки в рабо­чем состоянии, зная, что температурный коэффициент меди 0,004.

· Решение.

·

·

·

· откуда

·

·

· § 16. ЗАКОН ОМА

· Соотношение между э. д. с, сопротивлением и силой тока в замкнутой цепи выражается законом Ома, который может быть сформулирован так: сила тока в замкнутой цепи прямо пропорцио­нальна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сопро­тивлению всей цепи.

· Ток в цепи протекает под действием э. д. с; чем больше э. д. с. источника энергии, тем больше и сила тока в замкнутой цепи. Сопротивление цепи препятствует прохождению тока, следователь­но, чем больше сопротивление цепи, тем меньше сила тока.

· Закон Ома можно выразить следующей формулой:

·

·

· или

·

· где r — сопротивление внешней части цепи,

· r₀ — сопротивление внутренней части цепи.

· В этих формулах сила тока выражена в амперах, э. д. с. — в вольтах, сопротивление — в омах.

· Для выражения малых токов вместо ампера применяют едини­цу, в тысячу раз меньшую ампера, называемую миллиампером (ма); 1 а — 1000 ма.

· Сопротивление всей цепи:

·