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.

<1 2 345 6 7 >

Дата добавления: 2021-04-21; просмотров: 298;