ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА 4 глава

·

·

· При нескольких источниках тока в левой части этого равенства была бы алгебраическая сумма

· э. д. с. этих источников.

· При параллельном включении двух или не­скольких источников энергии токи, протекающие в них, в общем случае неодинаковы.

· Если два параллельно соединенных источника энергии (рис. 22), имеющих э. д. с. Е₁ и Е₂ и внутренние сопротивления r₁ и r₂,. замкнуть на какое-либо внешнее сопротивление r, то силу тока во внешней цепи I и в источниках I₁ и I₂ можно определить из следующих выражений:

·

·

·

· Отсюда сила тока во внешней цепи

·

·

·

· Сила тока, протекающего через первый и второй источники энер­гии,:

·

·

·

· Пример 1. В схеме, изображенной на рис. 21, э. д. с. источников энергии и сопротивления приемников энергии имеют следующие значения: Е₁=6 в, Е₂=12 в, Е₃=9 в, r₁=8 ом, r₂=5 ом, r₃=4 ом и r₄=10 ом.
Решение. Алгебраическая сумма э.д.с. в цепи

·

·

· В этом выражении э. д. с. Е₁ взята со знаком минус потому, что первый источник энергии включен встречно второму и третьему.

· Общее сопротивление цепи

·

·

· Сила тока в цепи

·

·

·

· Напряжение между точками а и г

·

·

· Пример 2. Два параллельно соединенных генератора (см. рис. 22), имеющие э. д. с. Е₁=Е₂=120 в и внутренние сопротивления r₁=3 ом и r₂=6 ом, замкнуты на сопротивление r=18 ом.

· Определить силу тока во внешней цепи и токи в первом и во втором гене­раторах.

· Решение. Внутреннее сопротивление двух параллельно соединенных гене­раторов.

·

·

· Сила тока во внешней цепи

·

· Токи в первом и во втором генераторах обратно пропорциональны внутрен­ним сопротивлениям этих генераторов, т. е.

·

·

· Таким образом, I₁ + I₂ =3I₂ = 6 a, откуда I₂ = 2 a, I₁ = 2I₂ = 4 a.

·

·

· § 22. РАБОТА И МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

·

· Способность тела производить работу называется энергию тела. Например, поднятый на высоту какой-либо груз обладает некоторым запасом энергии и при падении производит работу. Энергия тела тем больше, чем большую работу может произвести это тело при своем движении. Энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Например, электрическая энергия может быть превращена в механическую, тепловую, химическую, механи­ческая — в электрическую и т. д.

· Для переноса зарядов в замкнутой цепи источник электриче­ской энергии затрачивает известную энергию, равную произведению э. д. с. источника на количество электричества, перенесенного через эту цепь, т. е. EQ.

· Однако не вся эта энергия является полезной, т. е. не вся работа, произведенная источником энергии, сообщается приемнику энергии, так как часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов. Таким образом, источник энергии производит полезную работу, равную

·

· где U — напряжение на зажимах приемника.

· Так как количество электричества равно произведению силы! тока в цепи на время его прохождения:

·

· формулу работы можно представить в следующем виде

·

· т. е. электрическая энергия или работа есть произведение напряже­ния, силы тока в цепи и времени его прохождения.

· Если же выразить напряжение на зажимах участка цепи как произведение силы тока на сопротивление этого участка, т. е.

·

· то формулу работы можно записать и таким образом:

·

· Однако ни одна из указанных формул не определяет размеров генератора электрической энергии, от которого получена эта рабо­та, так как и большой и малый генераторы могут дать одинаковую работу, но в различные промежутки времени. Поэтому размеры генератора определяются не выполненной работой, а его мощно­стью. Это относится к любому электротехническому аппарату и ма­шине, хотя бы они были не поставляющими, а потребляющими электрическую энергию (например, электродвигатели, электриче­ские лампы, нагревательные приборы и т. д.).

· Мощностью называется работа, производимая (или потребляемая) в одну секунду. Мощность выражается следующими форму­лами:

·

· Если в формулах работы и мощности напряжение выражено в вольтах, сила тока — в амперах, сопротивление — в омах и время — в секундах, то работа выражается в ньютон-метрах или в ватт-се­кундах (вт с), т. е. в джоулях (дж), а мощность — в ваттах (вт). Для измерения малых мощностей применяют единицу, в тысячу раз меньшую одного ватта, называемую милливаттом (мвт); 1 вт = 1000 мвт. Для выражения больших мощностей применяют едини­цу, в тысячу раз большую ватта, называемую киловаттом (квт); 1 квт =1000 вт.

· Так как джоуль является малой единицей, то работа обычно .вы­ражается в более крупных единицах: ватт-часах (втч), гектоватт-часах (гвт ч) и киловатт-часах (квт ч). Соотношение между этими единицами и джоулем следующее: 1 втч = 3600 дж; 1 гвтч =100 втч; 1 квтч = 1000 втч.

· Из формулы P=UI следует, что при очень малом внешнем со­противлении r сила тока в цепи велика, а напряжение на зажимах генератора при этом мало. При сопротивлении внешней цепи r, рав­ном нулю, напряжение на зажимах генератора U также равно нулю. Следовательно, и мощность Р, отдаваемая во внешнюю цепь, равна нулю.

· При очень большом внешнем сопротивлении (когда внешняя цепь разомкнута, сопротивление ее составляет бесконечно большую величину) сила тока в цепи равна нулю. Мощность, отдаваемая во

· внешнюю цепь, и в этом случае равна нулю.

· Таким образом, с увеличением сопротивления внешней цепи мощность сначала возрастает от нуля до какой-то наибольшей (мак­симальной) величины, а затем убывает до нуля.

· Определим сопротивление внешней цепи r, при котором источник энергии отдает в нагрузку наибольшую мощность:

· так как

· источника энергии, r₀ – его внутреннее сопротивление, U – напряжение на его зажимах при нагрузке.

· Разделив обе части выражения мощности на r₀, получим.

·

·

· Вычтем из правой части этого равенства и прибавим к ней величину:

· .

· Очевидно, что наибольшей величина (или мощность Р, так как r₀ постоянно) будет в том случае, когда вычитаемое правой части этого равенства равно нулю, т. е

·

· Если полученное выражение сравнить с формулой -то окажется, что для получения наибольшей мощности во внешней цепи необходимо, чтбы 2r ₀ = r _{0 +} r или r = r ₀.

· Таким образом, для получения наибольшей мощности во внешней цепи сопротивление последней должно быть равно внутреннему сопротивлению генератора.

· Однако надо иметь в виду, что при равенстве внутреннего сопротивления генератора сопротивлению внешней цепи полезное действие генератора чрезвычайно невелико и работа его в таких ус­ловиях неэкономична, так как половина всей мощности, развивае­мой генератором, используется на преодоление его внутреннего со­противления.

· Пример. Имеется батарея гальванических элементов с э. д. с. 10 в и внут­ренним сопротивлением 10 ом. Определить

· максимальную мощность, которую эта батарея может отдать во внешнюю цепь.

· Решение. Источник энергии отдает во внешнюю цепь максимальную мощ­ность в случае, когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротив­лению источника энергии, т. е.

·

· При таком внешнем сопротивлении ток в цепи

·

· Мощность, отдаваемая источником энергии,

·

·

·

· § 23. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ИЛИ ОТДАЧА

·

· Мощность, отдаваемая источником энергии во внешнюю цепь, является полезной мощностью Р₂, а мощность, получаемая им извне (от источника энергии механической, химической и т. д.),-—потреб­ляемой Р₁. Приемник электрической энергии, потребляя энергию из сети источника электрической энергии, преобразует ее в энергию другого вида — механическую, тепловую и т. д.

· В соответствии с законом сохранения энергии полезная мощ­ность источника или приемника электрической энергии Р₂ меньше мощности Р₁, потребляемой им, так как в процессе работы источни­ка или приемника в нем неизбежно происходит потеря части преоб­разуемой им энергии. В преобразователях энергии потеря энергии происходит за счет нагревания проводов их обмоток протекающи­ми в них токами, за счет перемагничивания стали, от вихревых токов и т. д.

· Для оценки свойств преобразователя энергии (источника или приемника электрической энергии) служит коэффициент полезного действия (к. п. д. или отдача), равный отношению полезной мощ­ности источника или приемника энергии Р₂ к мощности, потребля­емой им Р₁, т. е.

·

· где ΔР — мощность, расходуемая на преодоление потерь в источни­ке или приемнике энергии. Это выражение показывает, что к. п. д. источника или приемни­ка электрической энергии тем выше, чем меньше потери энергии в нем.

· Мощность, отдаваемая источником электрической энергии во внешнюю цепь (полезная мощность), равна произведению напряже­ния на его зажимах на силу тока в цепи, т. е. Р₂ =UI и к. п. д. источника энергии

·

· Мощность, потребляемая приемником электрической энергии, может быть представлена произведением напряжения, приложенного к нему на силу тока или произведением квадрата силы тока на его сопротивление r, т. е. Р₁=UI=I²r и к. п. д. приемника электри­чкой энергии

·

·

· Пример 1.Генератор постоянного тока с э.д.с. Е=230 в и внутренним сопротивлением r₀ = 0,5 ом замкнут на приемник энергии. Сила тока в цепи 20 а, к.п.д. генератора η=0,8. Определить полезную мощность генератора, мощность, потребляемую им, и мощность, расходуемую на преодоление потерь в генераторе.

· Решение. Напряжение на зажимах генератора

·

· Полезная мощность генератора

·

· Мощность, потребляемая генератором,

·

· Мощность, расходуемая на преодоление потерь в генераторе,

·

·

· Пример 2. Двигатель постоянного тока при напряжении U=220 в потребляет ток силой I=30 а. Определить к. п. д. и полезную мощность Двигателя, если мощ­ность, потребляемая на преодоление потерь в двигателе, ΔР =1320 вт= 1,32 квт.

· Р е ш е н и е. Мощность, потребляемая двигателем,

·

· К. п. д. двигателя

·

· Полезная мощность, развиваемая на валу двигателя,

·

·

·

· § 24. ЗАКОН ЛЕНЦА —ДЖОУЛЯ

·

· При прохождении электрического тока через металлический проводник электроны сталкиваются то с нейтральными молекулами, то с молекулами, потерявшими электроны. Движущийся электрон либо отщепляет от нейтральной молекулы новый электрон, теряя свою кинетическую энергию и образуя новый положительный ион, либо соединяется с молекулой, потерявшей электрон (с положи­тельным ионом), образуя нейтральную молекулу. При столкнове­нии электронов с молекулами расходуется энергия, которая пре­вращается в тепло. Любое движение, при котором преодолевается сопротивление, требует затраты определенной энергии. Так, напри­мер, для перемещения какого-либо тела преодолевается сопротив­ление трения и работа, затраченная на это, превращается в тепло.

· Электрическое сопротивление проводника играет ту же роль, чтя и сопротивление трения. Таким образом, для проведения тока через проводник источник тока затрачивает некоторую энергию, которая превращается в тепло. Переход электрической энергии в тепловую отражает закон Ленца — Джоуля или закон теплового действия тока.

· Русский ученый Ленц и английский физик Джоуль одновремен­но и независимо один от другого установили, что при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику. Это положение называется законом Лен­ца — Джоуля.

· Если обозначить количество теплоты, создаваемое током, буквой Q, силу тока, протекающего по проводнику,— I, сопротивление проводника r и время, в течение которого ток протекал по проводнику, t, то закону Ленца — Джоуля можно придать следующее выражение:

·

·

·

·

·

· Пример 1. Определить количество теплоты, выделенное в нагревательном приборе в течение 0,5 ч, если он включен в сеть с напряжением 110 в и имеет сопротивление 24 ом.

· Решение. Время прохождения в секундах:

· t=0,5 ч =30 мин =30х60=1800 сек.

· Количество теплоты, выделенное в приборе,

·

· Примеры 2. В электрическом кипятильнике вода, потребляя количество теплоты 400 000 дж, закипает через 15 мин. Определить сопротивление нагрева­тельного элемента этого кипятильника, а также мощность, если кипятильник ра­ботает под напряжением 220 в и его к. п. д. равен 80%.

· Решение. Так как к. п. д. кипятильника равен 80%, выделенное нагрева­тельным элементом количество теплоты

· Q = 400 000 : 0,8 = 500 000 дж.

· Силу тока, протекающего через кипятильник, найдем из слёлующей формулы

·

· откуда

·

· Сопротивление нагревательного элемента

·

· Мощность, потребляемая кипятильником,

·

·

·

· § 25. НАГРЕВАНИЕ ПРОВОДНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

·

· На нагревании проводников электрическим током основано устройство электрического освещения, электронагревательных приборов, электрических печей, многих типов измерительной и медицинской аппаратуры и т. д.

· Из всех видов искусственного освещения наибольшее распро­странение получила электрическая лампа накаливания с металли­ческой нитью, изобретенная А. Н. Лодыгиным в 1873 г. В такой лампе проводник под действием тока нагревается до белого кале­ния и вследствие этого излучает свет.

· Основными частями современной лампы накаливания являются нить накала и стеклянный баллон (колба).

· Материалом для изготовления нити накала осветительных ламп служит вольфрам (с примесью оксида тория и других элементов). Этот металл обладает высокой температурой плавления (3660°) и большой механической прочностью.

· Нормальные осветительные лампы выпускаются для напряжений 110, 120, 127 и 220 в.

· Чтобы накаленная нить не сгорела, т. е. чтобы она не соединялась с кислородом воздуха, из колбы удаляют кислород. Лампы мощ­ностью до 60 вт изготовляют с колбами, из которых выкачан воздух (вакуумные лампы), у более мощных ламп колбы наполняют раз­реженной смесью инертных газов — аргона и азота или криптоном (газополные лампы). При наличии в колбе инертного газа умень­шается испарение вольфрама с поверхности нити, что позволяет по­высить температуру накала нити.

· Нить накала выполняется из тонкой проволоки, свернутой в спи­раль с близко расположенными друг к другу витками.

· Основными характеристиками лампы накаливания являются: номинальное напряжение, мощность, излучаемый световой поток, срок службы и световая отдача, которая представляет собой отно­шение светового потока к мощности и определяет экономичность

· лампы.

· Время непрерывного горения лампы при ее номинальном напря­жении, в течение которого она потеряет 10% от начального светово­го потока, называется сроком службы лампы. Срок службы ламп 1000 ч. Световой поток, излучаемый лампой, уменьшается потому, что при температуре белого каления происходит постепенное умень­шение площади поперечного сечения нити вследствие испарения ме­талла, который в виде пыли осаждается на стенки колбы. Это при­водит к увеличению сопротивления нити накала и уменьшению силы света.

· Электрическое нагревание проводников не всегда находит полез­ное применение. Так, в проводах линий электропередач нагревание связано с бесполезной затратой электрической энергии, а при боль­ших токах может создавать опасность возникновения пожаров.

· Во избежание чрезмерного нагрева линейных проводов, а также различных обмоток из изолированной проволоки для электрической аппаратуры установлены нормы максимальных значений сил токов, пропускаемых по данному проводу или обмотке.

· Допустимая сила тока для материала и проводника определяется максимальной плотностью тока. Плотностью тока называется сила тока, приходящаяся на 1 мм² площади поперечного сечения провода. Например, если по проводу в 6 мм² протекает ток силой 30 а, то плотность тока в этом проводе равна: 30 : 6 = 5 а/мм².

· Для защиты аппаратов и приборов от прохождения по ним слишком больших токов применяют предохранительные устройства, которые автоматически прерывают цепь тока, как только величина последнего превзойдет допустимую норму.

· Наиболее широко распространены в домовых установках так называемые пробковые предохранители, в которых собственно пре­дохранителем — плавкой вставкой служит свинцовая проволока того или иного диаметра, выбираемого в зависимости от номиналь­ной силы тока данной установки.

·

·

· § 26. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

·

· Электрическая дуга впервые была открыта В. В. Петровым в 1802 г.

· Если к полюсам источника электрической энергии присоеди­нить угольные стержни-электроды и сблизить их, то образуется замкнутая электрическая цепь, по которой начнет протекать ток. Уголь плохо проводит электрический ток, т. е. обладает боль­шим сопротивлением, поэтому в угольных электродах при про­хождении тока выделяется значительное количество тепла.

· В месте контакта, т. е. в точке соприкосновения угольных элек­тродов, сопротивление увеличивается. В результате сближенные кон­цы угольных стержней нагреваются до очень высокой температуры и начинают светиться.

· Если электроды раздвинуть так, чтобы концы их не соприкаса­лись, то ток в цепи прекратится и между концами электродов по­явится сильное свечение — возникнет электрическая дуга.

· Возникновение электрической дуги объясняется следующим. С повышением температуры угольных стержней увеличивается скорость движения электронов, находящихся в угле. При сильном нагреве скорость движения свободных электронов возрастает на­столько, что при раздвижении углей электроны из стержней выле­тают в межэлектродное пространство. Наступает так называемая электронная эмиссия, т. е. выход свободных электронов из уголь­ного стержня во внешнюю среду. При повышении температуры электродов эмиссия увеличивается.

· В воздухе свободные электроны с очень большой скоростью летят от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду). Они обладают большой энергией и, сталкиваясь с ней­тральными атомами воздуха, расщепляют их на положительно и от­рицательно заряженные частицы — ионы. Этот процесс называется ионизацией вследствие соударения.

· Если энергия электронов недостаточна для ионизации нейтральных атомов, то в результате соударений электронов с нейт­ральными атомами последние начинают двигаться быстрее и нагре­вают воздух между электродами. Температура воздуха между электродами достигает несколько тысяч градусов, вследствие чего наступает другой процесс ионизации — тепловой.

· Интенсивное излучение света нагретыми концами электродов также создает электрически заряженные частицы, т. е. происходит фотоионизация.

· В итоге всех процессов воздух между электродами ионизируется и перестает быть электрически ней­тральным. Наличие раскаленных газов (например, углерода, выделяемого нагретыми до высокой темпе­ратуры углями) повышает электропроводность про­странства между электродами. Таким образом, между раздвинутыми электродами создается газовый проме­жуток, хорошо проводящий электрический ток — воз­никает дуговой разряд.

· Светящийся промежуток между электродами, за­полненный ионами воздуха, электронами и парами углерода, называется столбом, а светящиеся участки поверхности концов электродов — пятнами.

· Свободные электроны, находящиеся в пространстве между электродами, с большой скоростью направля­ются к положительному электроду, подвергая его бом­бардировке и нагревая до высокой температуры. На конце электрода, соединенного с положительным полю­сом источника энергии (на аноде), возникает раска­ленное добела анодное пятно, в центре которого находится воронкообразное углубление или «кратер».

· Конец электрода, соединенного с отрицательным полюсом источника энергии (катод), имеет заостренную форму и на нем возникает небольшое светящееся катодное пятно.

· Схема дугового разряда показана на рис. 23. Основным источ­ником света является «кратер». Световое излучение катодного пят­на не превышает 10%, а излучение столба — не более 5% от всего светового потока, создаваемого дуговым разрядом.

· Помимо ионизации, в междуэлектродном пространстве проте­кают обратные процессы рекомбинации и нейтрализации. Электро­ны и положительные ионы соединяются между собой, образуя нейтральные атомы. При этом выделяется энергия, которую затра­тили электроны для расщепления нейтральных частиц. Выделен­ная энергия проявляется в виде теплоты и электромагнитных ко­лебаний.

· В процессе дугового разряда угольные электроды постепенно сгорают и вследствие химического соединения с воздухом образуют углекислый газ С0₂.

· Так как электрод, соединенный с положительным зажимом источника энергии, сгорает быстрее, чем электрод, соединенный с отрицательным зажимом, для анода используется угольный стер­жень с большим диаметром, чем для катода.

· В настоящее время дуговой разряд применяют для освещения в прожекторах дальнего действия и в кинопроекторах.

· Использование электрической дуги для сварки металлов впер­вые было предложено в 1882 г. русским ученым Н. И. Бенардосом. Сущность этого способа сварки состоит в том, что один зажим источника электрической энергии присоединяется к свариваемому предмету, а второй — к угольному электроду, помещенному в ру­коятку (которую держит сварщик).

· Электрическая дуга может образоваться не только между дву­мя угольными электродами, но и между стержнями из других про­водящих материалов.

· Если прикоснуться угольным стержнем, соединенным с источ­ником тока, к тому месту предмета, которое желательно сварить, то между этим стержнем и предметом возникает электрическая дуга. Если погрузить в пламя дуги металлический стержень из так назы­ваемого присадочного металла, то он под действием высокой тем­пературы начнет плавиться и отдельными каплями стекать в сварочную ванночку. Расплавленный металл застывает в виде сплошного шва — валика, который скрепляет отдельные части свариваемого предмета.

· Этот способ сварки был очень несовершенным и требовал зна­чительных улучшений. Надо было предохранить расплавленный металл шва от соприкосновения с воздухом, так как кислород, вхо­дящий в состав воздуха, попадая в шов, делал его хрупким. При сгорании угольного стержня в шов проникало излишнее количество углерода, который так же, как и кислород, делает металл хрупким. Кроме того, угольный стержень создавал очень высокую темпера­туру, вследствие чего металл перегревался и ослаблялся. Также необходимо было усовершенствовать подачу присадочного метал­ла в пламя дуги, так как сварщику было трудно долгое время удерживать металлический пруток на весу в руке.

· В 1888 г. Н. Г. Славяновым был предложен иной, более совершен­ный способ электросварки. Чтобы избежать науглероживания и пере­грева металла, Н. Г. Славянов вместо угольного стержня применил металлический, который, создавая дугу, расплавлялся и жидкий металл служил для заполнения шва. Для защиты расплавленного металла от кислорода воздуха Н. Г. Славянов предложил посыпать место сварки толченым стеклом. Часть толченого стекла расплав­ляется и покрывает тонким слоем шлака металл шва, предохраняя его от вредного воздействия воздуха.

· Н. Г. Славяновым был изобретен электрический плавильник, автоматически регулирующий длину дуги, которая по способу Бенардоса регулировалась вручную. Расстояние между электродами при дуговой сварке составляет 3—10 мм.

· В настоящее время электросварка широко применяется при сооружении каркасов промышленных и жилых зданий, гидростан­ций, судов, трубопроводов, котлов и.т. д. Она является основным способом соединения элементов металлических конструкций и почти совершенно вытеснила клепку. Электрическая дуга используется и для сварки металлов под водой. Для этого на стальной электрод носят водонепроницаемое защитное покрытие из мела, железного сурика, титановой руды, полевого шпата и жидкого стекла. При образовании дугового разряда плавится конец стального стержня. Наружное покрытие стержня, окруженное холодной водой, плавит­ся медленнее стального стержня, поэтому на конце электрода всег­да будет кольцеобразный выступ, являющийся защитным козырь­ком. Под этим козырьком под действием высокой температуры дуги образуются пары расплавленного металла, газы и пары минераль­ных веществ, входящих в покрытие, водород и кислород, являю­щиеся продуктами разложения воды. Эти вещества образуют газовый пузырь, защищающий пространство под козырьком от воды.