Основные сведения об электрическом сопротивлении

Электрическим контактом называют соприкосновение двух тел, обеспечивающих непрерывность электрической цепи. Электрический контакт, предназначенный только для проведения электрического тока, называют контактным соединением, а предназначенный, кроме того, и для коммутации — контактом электрической цепи или контактом.

Детали соприкасающиеся друг с другом при образовании электрического контакта, называют контакт-деталями. Часть поверхности контакт-детали, предназначенной для осуществления электрического контакта, называют рабочей поверхностью/ а не предназначенной для электрического контакта — нерабочей или крепежной. Поскольку невозможно получить абсолютно гладкую поверхность ни при каких методах обработки, рабочие поверхности контакт-детали соприкасаются только в отдельных точках, через которые проходит электрический ток.

Благодаря нажатию одной контакт-детали на другую вершины соприкасающихся выступов сминаются и образуют площадки, при этом поперечное сечение площадок во много раз меньше поперечного сечения проводника, что резко увеличивает сопротивление контакта электрическому току. Сопротивление в зоне перехода тока из одной контакт-детали в другую называют переходным. По своей природе это обычное сопротивление металлического проводника. Возрастание переходного сопротивления контакта электрической цепи приводит к увеличению потерь и, следовательно, повышению температуры контакт-деталей.

Переходное сопротивление зависит от силы, сжимающей контакт-детали, материала и формы ее рабочей поверхности, способа обработки и достояния рабочих поверхностей, числа точек соприкосновения. При увеличении силы, сжимающей контакт-детали переходное сопротивление уменьшается только до определенного значения. Дальнейшее увеличение силы нажатия не приводит к заметному уменьшению его. При постоянном нажатии переходное сопротивление одного и того же контакта при каждом замыкании может быть разным. Это сопротивление очень чувствительно к окислению поверхности, поскольку оксиды большинства металлов являются плохими проводниками.

У медных открытых контактов вследствие окисления переходное сопротивление с течением времени может возрасти в тысячу раз. При длительном пребывании под током на поверхности замкнутых контактов также возникают оксидные, плохо проводящие ток пленки. Повышение температуры ускоряет процесс их образования, повышение контактного нажатия затрудняет их проникновение к площадкам контактирования, увеличивая тем самым срок службы контактов. Для медных контактов необходимо применять меры борьбы с окислением рабочих поверхностей.

Для уменьшения переходного сопротивления контакты иногда покрывают оловом или серебром. Эти металлы меньше подвержены окислению, а оксиды серебра имеют электропроводность, близкую к электропроводности чистого серебра.

В зависимости от формы соприкосновения контакт-деталей в электрических аппаратах различают точечный, линейный и поверхностный контакты.

В точечном контакте (рис. а, б, в) соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей и прохождение электрического тока происходит в точке. Этот вид контакта образуется при соприкосновении поверхностей шар — шар, шар — плоскость, конус — плоскость.

В линейном контакте (рис. г, д, е) соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит по линии, а прохождение электрического тока — через две точки. Такое соприкосновение образуют поверхности цилиндр — цилиндр, цилиндр — плоскость.

В поверхностном контакте (рис. ж) соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит по поверхности, & прохождение электрического тока — через три точки.

Различают три вида контактных соединений:

неразбираемое —которое не может быть разъединено, без разрушения;

разбираемое — которое может быть разъединено разборкой без его разрушения;

разъемное — может быть разомкнуто или замкнуто без разборки или сборки.

Постоянный ток — общие понятия, определение, единица измерения, обозначение, параметры

Постоянный ток — электрический ток, не изменяющийся по времени и по направлению. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. В том случае, если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, направление его считают противоположным направлению движения частиц.

Строго говоря, под «постоянным электрическим током» следовало бы понимать «электрический ток постоянный по величине», соответственно математическому понятию «постоянная величина». Но в электротехнику этот термин был введен в значении «электрического тока, постоянного по направлению и практически постоянного по величине».

Под «практически постоянным по величине электрическим током» понимают ток, изменения которого во времени столь незначительны по величине, что при рассмотрении явлений в электрической цепи, по которой проходит такой электрический ток, этими изменениями вполне можно пренебречь, а следовательно, можно не учитывать ни индуктивности, ни емкости электрической цепи.

Наиболее распространенные источники постоянного тока — гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока и выпрямительные установки.

В электротехнике для получения постоянного тока используют контактные явления, химические процессы (первичные элементы и аккумуляторы), электромагнитное наведение (электромашинные генераторы). Широко применяется также выпрямление переменного тока или напряжения.

Из всех источников э. д. с. химические и термоэлектрические источники, а также так называемые униполярные машины являются идеальными источниками постоянного тока. Остальные устройства дают пульсирующий ток, который при помощи специальных устройств в большей или меньшей мере сглаживается, лишь приближаясь к идеальному постоянному току.

Для количественной оценки тока в электрической цепи служит понятие силы тока.

Сила тока — это количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Если за время I через поперечное сечение проводника переместилось количество электричества Q, то сила тока I=Q/ t

Единица измерения силы тока — ампер (А).

Плотность тока — это отношение силы тока I к площади поперечного сечения F проводника — I/F. (12)

Единица измерения плотности тока — ампер на квадратный миллиметр (А/мм 2 ).

В замкнутой электрической цепи постоянный ток возникает под действием источника электрической энергии, который создает и поддерживает на своих зажимах разность потенциалов, измеряемую в вольтах (В).

Зависимость между разностью потенциалов (напряжением) на зажимах электрической цепи, сопротивлением и током в цепи выражается законом Ома . Согласно этому закону для участка однородной цепи сила тока прямо пропорциональна значению приложенного напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению I = U/R ,

где I — сила тока. A, U— напряжение на зажимах цепи В, R — сопротивление, Ом

Это самый важный электротехнический закон. Подробнее о нем смотрите здесь: Закон Ома для участка цепи

Работу, совершаемую электрическим током в единицу времени (секунду), называют мощностью и обозначают буквой Р. Эта величина характеризует интенсивность совершаемой током работы.

Мощность P=W/t= UI

Единица измерения мощности — ватт (Вт).

Выражение мощности электрического тока можно преобразовать, заменив на основании закона Ома напряжение U произведением IR. В результате получим три выражения мощности электрического тока P = UI= I 2 R= U 2 /R

Большое практическое значение имеет то, что одну и ту же мощность электрического тока можно получить при низком напряжении и большой силе тока или при высоком напряжении и малой силе тока. Этот принцип используют при передаче электрической энергии на расстояния.

Ток, протекая по проводнику, выделяет теплоту и нагревает его. Количество теплоты Q, выделяющейся в проводнике определяют формулой Q = I 2 Rt.

Эту зависимость называют законом Джоуля — Ленца .

На основании законов Ома и Джоуля — Ленца можно проанализировать опасное явление, которое часто возникает при непосредственном соединении между собой проводников, подводящих электрический ток к нагрузке (электроприемнику). Это явление называют коротким замыканием , так как ток начинает протекать более коротким путем, минуя нагрузку. Такой режим является аварийным.

На рисунке приведена схема включения лампы накаливания E L в электрическую сеть. Если сопротивление лампы R — 500 Ом, а напряжение сети U = 220 В, то ток в цепи лампы будет I = 220/500 = 0,44 А.

Схема, поясняющая возникновение короткого замыкания

Рассмотрим случай, когда провода, идущие к лампе накаливания, соединены через очень малое сопротивление ( R ст — 0,01 Ом), например толстый металлический стержень. В этом случае ток цепи, подходя к точке А, будет разветвляться по двум направлениям: большая его часть пойдет по пути с малым сопротивлением — по металлическому стержню, а небольшая часть тока I л.н — по пути с большим сопротивлением — лампе накаливания.

Определим ток, протекающий по металлическому стержню: I = 220/0,01 =22 000 А.

При коротком замыкании (к.з) напряжение сети будет меньше 220 В, так как большой ток в цепи вызовет большую потерю напряжения, и ток, протекающий по металлическому стержню, будет несколько меньше, но тем не менее во мною раз превышать ток, потреблявшийся ранее лампой накаливания.

Как известно, в соответствии с законом Джоуля-Ленца ток, проходя по проводам, выделяет теплоту, и провода нагреваются. В нашем примере площадь поперечного сечения проводов рассчитана на небольшой ток 0,44 А.

При соединении проводов более коротким путем, минуя нагрузку, по цепи будет протекать очень большой ток — 22000 А. Такой ток вызовет выделение большого количества теплоты, что приведет к обугливанию и возгоранию изоляции, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактом выключателей, ножей рубильнике и т. п.

Источник электрической энергии, питающий такую цепь, может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар. Вследствие этого при монтаже и эксплуатации электрических установок, чтобы предупредить непоправимые последствия короткого замыкания, необходимо соблюдать следующие условии: изоляция проводов должна соответствовать напряжению сети и условиям работы.

Площадь поперечною сечения проводов должна быть такой, чтобы нагревание их при нормальной нагрузке не достигало опасного значения. Места соединений и ответвлений проводов должны быть качественно выполнены и хорошо изолированы. В помещении провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от механических и химических повреждений и от сырости.

Чтобы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электрической цепи при коротком замыкании, ее защищают с помощью предохранителей или автоматических выключателей.

Существенный недостаток постоянного тока состоит в том, что его напряжение сложно повысить. Это затрудняет передачу электрической энергии на постоянном токе на большие расстояния.

Территория электротехнической информации WEBSOR

Общие сведения о проводниковых материалов

Основы > Электротехнические материалы > Проводниковые материалы

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

К проводниковым материалам в электротехнике относят металлы, их сплавы, контактные металлокерамические композиции и электротехнический уголь. Металлические вещества являются проводниками первого рода и характеризуются электронной проводимостью; основной параметр для них — удельное электрическое сопротивление в функции температуры.
При постоянном сечении s и длине l проводника удельное сопротивление и выражается в Ом м или в ряде случаев в мкОм м и Ом см, причем 1 мкОм м = 1 Ом мм2/м, 1 Ом см = 0 ,01 Ом м.
Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью проводника

и выражается в См/м или в ряде случаев в МСм/м и См/см, причем 1 МСм/м = 1 м/Ом мм2 и См/см =100 См/м.
Диапазон удельных сопротивлений металлических проводников весьма узок и составляет от 0,016 мкОм м для серебра до 1,6 мкОм м для жаростойких железохромо-алюминиевых сплавов.
Часто удельная проводимость выражается в процентах проводимости чистой меди, которая по международному стандарту в отожженном виде должна иметь удельное сопротивление, равное 0,01724 мкОм м.
Удельное сопротивление металлов с по-вышением температуры вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки возрастает в общем виде по закону

Для расчетов обычно ограничиваются первыми двумя членами ряда:

При вычислении необязательно брать за исходное значение , т. е. величину удельного сопротивления при 0 °С.
Формула для определения в общем виде

где — температурный коэффициент сопротивления, зависящий от температуры , принимаемой за начальную.
Средний температурный коэффициент для определенного интервала температур

где — начальное и конечное значения удельного сопротивления; t — температурный интервал от 0 до t °С.
Среднее значение температурного коэффициента для чистых металлов, исключая температуры, близкие к абсолютному нулю, будет:

Электрическое сопротивление графита с увеличением температуры проходит через минимум с последующим постепенным повышением.

По роду применения проводниковые материалы подразделяются на группы:
а) Проводники с высокой проводимостью — металлы для проводов линий электропередачи и для изготовления кабелей, обмоточных и монтажных проводов для обмоток трансформаторов, электрических машин, аппаратуры, катушек индуктивности и пр.
б) Конструкционные материалы — бронзы, латуни, алюминиевые сплавы и т. д., применяемые для изготовления различных токоведущих частей.
в) Сплавы высокого сопротивления — предназначаемые для изготовления дополнительных сопротивлений к измерительным приборам, образцовых сопротивлений и магазинов сопротивлений, реостатов и элементов нагревательных приборов, а также сплавы для термопар, компенсационных проводов и т. п.
г) Контактные материалы — применяемые для пар неразъемных, разрывных и скользящих контактов.
д) Материалы для пайки всех видов проводниковых материалов.

В дополнение к указанной классификации можно назвать еще группу металлов и сплавов для электровакуумной техники и обширную группу изделий из электротехнического угля.
Кроме чисто электрических свойств, для проведения необходимой технологической обработки и обеспечения заданных сроков службы в эксплуатации проводниковые материалы должны обладать достаточными нагревостойкостыо, механической прочностью и пластичностью.

Электрическое сопротивление и его виды

Любые устройства, служащие для получения, передачи или потребления электроэнергии, обладают сопротивлением.

Электрическое сопротивление — это способность эле­мента электрической цепи противодействовать в той или иной степени прохождению по нему электрического тока. Сопротивление, в общем случае, зависит от материала эле­мента, его размеров, температуры, частоты тока и измеряется в омах (Ом). Различают активное (омическое), реактивное и полное сопротивления. Они обозначаются, соответственно, г, х, z. Используются также прописные буквы R, X, Z, чаще всего для обозначения элементов на электрических схемах:

Рис. 1.1. Электрическая схема цепи, содержащей два источника ЭДС с внутренними сопротивлениями R81 л R62, две активные и одну пассивную ветви,

соединенные в узлах а и Ь

Активное сопротивление элемента — это сопротивление постоянному току, Ом,

где р — удельное сопротивление материала, Ом-м,

а — температурный коэффициент сопротивления, °С»1;

t — интервал изменения температуры, °С;

/ — длина проводника, м;

5 — поперечное сечение проводника, м2.

Природу активного или омического сопротивления, связан­ного с нагревом материала, по которому протекает ток, объ­ясняют столкновением носителей заряда с узлами кристал­лической решетки этого материала.

Если электрическое сопротивление цепи или его элемента не зависит от величины проходящего тока, то такие цепи или элементы называют линейными. В противном случае говорят о нелинейных цепях.

Проводимость (активная) — величина обратная омичес­кому сопротивлению и измеряемая в сименсах (См):

В зависимости от величины удельной проводимости или

удельного сопротивления электротехнические материалы делят на проводники и диэлектрики или изоляторы (более подробные сведения в главах 3 и 4).

Индуктивное сопротивление — это сопротивление эле­мента, связанное с созданием вокруг него переменного или из­меняющегося магнитного поля. Оно зависит от конфигурации и размеров элемента, его магнитных свойств и частоты тока-

где xL — индуктивное сопротивление, Ом;

/ — частота тока, Гц;

со = Znf — угловая частота, рад/с;

L — индуктивность элемента цепи, (Гн).

Индуктивность можно определить как меру магнитной инерции элемента в отношении электромагнитного поля. По смыслу индуктивность в электротехнике можно уподобить массе в механике. Например, чем больше индуктивность элемента, тем медленнее и тем большую энергию магнитного поля он за­пасает.

Следует отметить, что индуктивным сопротивлением и, сле­довательно, индуктивностью обладают в разной мере все эле­менты электрической цепи переменного тока: обмотки электри­ческих машин, провода, шины, кабели и т. д. В цепях посто­янного тока индуктивное сопротивление проявляется лишь в переходных режимах.

Выражения для определения индуктивности элементов раз­личной конфигурации приведены в разделе 1.4.

Индуктивное сопротивление обозначается на электрических схемах:

где С —- электрическая емкость, Ф.

Емкостное сопротивление — это сопротивление элемента, связанное с созданием внутри и вокруг него электрического поля. Оно зависит от материала элемента, его размеров, конфигурации и частоты тока; измеряется в Омах (Ом):

Электрическую емкость можно определить как меру инертности элемента электрической цепи по отношению к электромагнитному полю. Электрическое поле между обклад­ками конденсатора создается вследствие разделения зарядов. Разделение зарядов происходит благодаря токам смещения, протекающим в диэлектрике между обкладки конденсатора под воздействием внешнего напряжения. Ток смещения следует понимать как процесс переориентации электрических диполей диэлектрика вдоль электромагнитного поля. Как видно, опреде­ление для тока, предложенное Фарадеем, наиболее привле­кательно для понимания сути токов смещения.

Таким образом, электромагнитная энергия аккумулируется в конденсаторе в виде энергии электрического поля, скон­центрированного в поляризованном диэлектрике между об­кладками конденсатора.

Если напряжение, приложенное к конденсатору, постоянно, то происходит его единичный заряд, после завершения которого ток через конденсатор, уменьшаясь, стремится к нулю. При перемен­ном напряжении происходит периодический перезаряд конденса­тора, поскольку токи смещения изменяют свой знак под воздейст­вием периодически изменяющего свой знак напряжения.

Практически все элементы электрической цепи переменного и постоянного тока в разной мере обладают емкостью. Для линий электропередач учет емкости поводов друг по отноше­нию к другу и по отношению к земле имеет принципиальное значение, поскольку влияет на режим электрических сетей. Например, обычные электрические кабели обладают емкост­ным сопротивлением порядка 10 Ом на 1 км.

На электрических схемах емкостные сопротивления обо­значаются:

Выражения для определения емкости элементов различной конфигурации приведены в разделе 1.4.

Реактивная проводимость, соответственно, делится на

После несложной процедуры регистрации Вы сможете пользоваться всеми сервисами и создать свой веб-сайт.

Основные законы постоянного тока

Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов по проводнику под действием сил электрического поля.

Электрический ток может быть постоянным и переменным.

Постоянным называют такой электрический ток, который с течением времени не изменяет своего направления и величины при прохождении по замкнутой электрической цепи.

Электрическая цепь. Простейшая электрическая цепь состоит из источника напряжения, потребителей и проводов, соединяющих источник напряжения с потребителями. Источниками напряжения могут быть гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и т. п., а потребителями — лампы накаливания, электронагревательные и электроизмерительные приборы, электродвигатели и т.п.

Источник электроэнергии, образует внутреннюю цепь, а все остальное — внешнюю цепь. При разрыве электрической цепи действие электрического тока прекращается.

Сила и плотность тока. Сила тока определяется количеством электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в одну секунду, т. е.

где I — сила тока в цепи, а;

Q — количество электричества, к;

Отношение величины тока I к площади поперечного сечения проводника s называется плотностью тока и обозначается буквой δ:

Площадь сечения проводников измеряется в мм 2 , поэтому плотность тока имеет размерность а/мм 2 .

Сопротивление и проводимость. По способности проводить электрический ток твердые вещества делятся на проводники, хорошо проводящие электрический ток, и непроводники, или диэлектрики. К проводникам относятся металлы и графит, к диэлектрикам — резина, эбонит, слюда и т, д.

Все проводники имеют сопротивление и проводимость.

Сопротивлением проводника R называется препятствие, оказываемое проводником электрическому току. Электрическое сопротивление проводника зависит от длины, поперечного сечения, температуры и материала. Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток. Наибольшим сопротивлением обладает нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца). Из нихрома изготовляют различные нагревательные элементы.

Наименьшее сопротивление имеют серебро, медь и алюминий, из них изготовляют проводники.

Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению проводника, т. е.

За единицу сопротивления (Ω-омега) принят ом. Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм 2 называется удельным и обозначается ρ(ро).

Электродвижущая сила. Электродвижущей силой называют энергию или работу, совершаемую источником тока, которая устанавливает и поддерживает разность потенциалов, вызывает электрический ток в цепи, преодолевая ее внешнее и внутреннее сопротивление. В генераторах электродвижущая сила возникает благодаря электромагнитной индукции, а в аккумуляторах — в результате химических реакций. При холостом ходе генератора электрический ток отсутствует, а электродвижущая сила равна разности потенциалов на его зажимах. Электродвижущая сила, как и напряжение, измеряется в вольтах, а энергия — в джоулях.

Закон Ома. Закон Ома — это один из основных законов электротехники. Он выражает соотношение между электродвижущей силой, сопротивлением цепи и током в ней. Согласно этому закону ток в цепи прямо пропорционален электродвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению всей цепи:

где I — сила тока в цепи, а;

E — электродвижущая сила источника энергии, в;

R — сопротивление внешней цепи, ом;

Для участка цепи закон Ома определяется по следующей формуле:

Соединения приемников электроэнергии. Приемники электрической энергии могут включаться в электрическую цепь последовательно, параллельно и смешанно. При последовательном соединении приемники электрической энергии включаются в цепь один за другим. Общее сопротивление такого соединения равно сумме отдельных сопротивлений приемников:

Ток во всех последовательно соединенных приемниках одинаков, т. е.

При параллельном включении приемники электроэнергии создают для тока три пути, по которым он может проходить. В этом случае ток, приходящий к точке, равен сумме токов, уходящих от этой точки:

Общая проводимость этой цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей:

Смешанное соединение приемников электроэнергии представляет собой совокупность последовательных и параллельных соединений.

Работа и мощность тока. Способность электрического тока совершать работу называют энергией электрического тока. Работа источника энергии зависит от напряжения, силы тока и времени, т. е.

где А — работа источника энергии, Вт сек или дж;

Кроме того, работу измеряют в ватт-часах, гектоватт-часах и киловатт-часах специальными приборами — счетчиками.

Мощностью называют работу, произведенную в единицу времени.

Ее подсчитывают по формуле:

За единицу мощности принимают работу тока в один ампер под напряжением один вольт за одну секунду. Такую единицу называют ваттом. Большие мощности измеряют в гектоваттах (1 гвт=100 вт) и киловаттах (1 квт=1000 вт). Соотношения между электрическими и механическими единицами мощности следующие: 1 л. с. = 736 вт; 1,36 л. с. = 1 кет.

Элементарная электротехника. Кузнецов А.В.

В книге приводятся основные понятия об элементах электрических и магнитных цепей. Объясняются физические процессы, происходящие в этих цепях. Излагается методика их расчета. Книга содержит основные сведения об электростатике и электромагнитной индукции, о действиях электрического тока, постоянном и переменном токе, об электрохимии. Материал изложен простым и доступным языком с использованием лишь простейшего математического аппарата. Книга содержит свыше 1000 рисунков, 340 числовых примеров для расчетов, 1200 задач и 1000 вопросов для самопроверки. Рекомендуется школьникам старших классов, студентам и преподавателям средних и высших учебных заведений, слушателям курсов повышения квалификации, а также для самостоятельного изучения.

Формат: pdf

Размер: 18 Мб

Смотреть, скачать: drive.google

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 11
1 Введение в электротехнику 12
Понятие о веществе 13
Понятие об атоме 14
Несколько поучительных чисел 16
Электрический заряд 17
Опыт 18
Проводники и изоляторы 20
Вопросы для самопроверки 21
Задачи 25
2. Электрический ток 26
Понятие об электрическом токе 27
Электрическая цепь 28
Сила электрического тока 31
Единица силы тока 32
Измерение силы тока 33
Виды электрического тока 34
Применение постоянного и переменного тока 38
Действия электрического тока 39
Вопросы для самопроверки 43
Задачи 49
3. Электрическое сопротивление 50
Понятие об электрическом сопротивлении 51
Единица электрического сопротивления 51
Зависимость сопротивления от размеров проводника 52
Расчет сопротивления проводника 56
Зависимость сопротивления от температуры 58
Электрическая проводимость 62
Удельная проводимость 62
Вопросы для самопроверки 63
Задачи 69
4. Электрическое напряжение 73
Определение электрического напряжения 74
Единица электрического напряжения 74
Источники постоянного напряжения 75
Классификация напряжений 78
Измерение электрического напряжения 78
Вопросы для самопроверки 79
5. Закон Ома 82
Связь между силой тока, напряжением и сопротивлением 83
Закон Ома 83
Опыт 84
Измерение нагрузки при помощи вольтметра и амперметра 86
Вопросы для самопроверки 86
Задачи 89
6. Электрическая энергия и мощность 91
Электрическая мощность 93
Измерение мощности при помощи вольтметра и амперметра 98
Расчет электроэнергии, израсходованной потребителем 99
Стоимость электроэнергии 100
Вопросы для самопроверки 101
Задачи 104
7. Параллельное соединение сопротивлений 109
Что такое параллельное соединение? 110
Закон токов Кирхгофа (закон узлов) 111
Расчет токов в ветвях и суммарной силы тока 115
Полное сопротивление цепи, состоящей из потребителей, соединенных параллельно 116
Два различных резистора, соединенных параллельно 118
Равные сопротивления, соединенные параллельно 119
Суммарная мощность потребителей, соединенных параллельно 120
Суммарная энергия потребителей, соединенных параллельно 121
Вопросы для самопроверки 122
Задачи 127
8. Последовательное соединение сопротивлений 139
Последовательное соединение. Что это? 140
Сопротивление последовательной цепи 141
Расчет силы тока в последовательной цепи 142
Падение напряжения 142
Второй закон Кирхгофа (закон падений напряжения) 147
Электродвижущая сила (ЭДС) 149
Мощность в последовательной цепи 153
Применение последовательного соединения 153
Вопросы для самопроверки 156
Задачи 162
9. Смешанное соединение сопротивлений 181
Сущность смешанного соединения 182
Расчет общего сопротивления смешанной цепи 182
Расчет силы токов, падений напряжения и мощностей в смешанной цепи 186
Группы потребителей в сети 190
Делители напряжения 192
Расширение предела измерения амперметра 196
Расширение предела измерения вольтметра 199
Мост Уитстона 201
Вопросы для самопроверки 203
Задачи 216
10. Соединение источников напряжения 251
Сопротивление отдельного аккумулятора в электрической цепи 252
Емкость аккумулятора 253
Последовательное соединение аккумуляторов — последовательные батареи 254
ЭДС последовательной батареи аккумуляторов 255
Внутреннее сопротивление последовательной батареи аккумуляторов 256
Емкость последовательной батареи 257
Параллельное соединение аккумуляторов — параллельные батареи 258
ЭДС параллельной батареи 259
Внутреннее сопротивление параллельной батареи 259
Емкость параллельной батареи 260
Смешанное соединение аккумуляторов — смешанные батареи 261
Соединение аккумуляторов для получения максимального тока 263
Цепи с несколькими источниками напряжения 264
Вопросы для самопроверки 273
Задачи 280
11. Преобразование энергии 299
Механическая работа, энергия и мощность 300
Преобразование электрической энергии в механическую энергию 303
Потери, коэффициент полезного действия 304
Тепловая энергия 307
Преобразование электрической энергии в тепловую 309
Короткое замыкание 315
Вопросы для самопроверки 318
Задачи 323
12. Магнетизм 329
Магнитное притяжение 330
Ферромагнитные вещества 330
Магнитные полюса 330
Естественные и искусственные магниты 331
Взаимодействие между магнитными полюсами 333
Магнитное поле 334
Дополнительные свойства магнитов 336
Вопросы для самопроверки 341
13. Магнитное поле, электромагнит 344
Магнитное поле проводника с током 345
Магнитное поле катушки с током 348
Магнитодвижущая сила и напряженность магнитного поля 350
Электромагнит 352
Вопросы для самопроверки 356
Задачи 362
14. Магнитные цепи 363
Магнитный поток и плотность магнитного потока 364
Магнитная проницаемость 365
Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов 368
Петля намагничивания 371
Гистерезис 374
Магнитная цепь 375
Зависимость магнитного сопротивления от материала сердечника и его размеров 376
Формула Гопкинсона для магнитной цепи 379
Последовательная магнитная цепь 380
Закон Кирхгофа для последовательной магнитной цепи 382
Параллельная магнитная цепь 382
Вопросы для самопроверки 383
Задачи 389
15. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле 397
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле 398
Определение величины силы 399
Момент, действующий на виток с током в магнитном поле 401
Принцип действия амперметра с подвижной катушкой 405
Принцип действия двигателя постоянного тока 408
Сила, действующая между двумя параллельными проводниками стоком 411
Подъемная сила электромагнита 414
Вопросы для самопроверки 415
Задачи 422
16. Электромагнитная индукция 425
Создание индуктированной ЭДС 426
Направление индуктированной ЭДС 426
Закон Ленца 428
Величина индуктированной ЭДС в проводе, движущемся в магнитном поле 428
Виток, вращающийся в магнитном поле 429
Принцип действия генератора 431
ЭДС, индуктированная в проводнике вследствие изменения магнитного потока 435
Самоиндукция 438
Дроссель 439
Коэффициент самоиндукции (индуктивность) 440
Определение потока в катушке 441
Индуктивность дросселей, соединенных последовательно 442
Взаимоиндукция 442
Коэффициент взаимоиндукции (взаимоиндуктивность) 442
Трансформатор 444
Искровой индуктор 448
Вихревые токи 449
Вопросы для самопроверки 451
Задачи 459
17. Электростатика 466
Методы зарядки неподвижными зарядами 467
Зарядка металлического тела 470
Электростатическое поле 473
Электрический поток и его плотность 476
Диэлектрическая проницаемость 478
Диэлектрическая прочность 480
Вопросы для самопроверки 481
Задачи 487
18. Конденсаторы 490
Емкость 491
Поведение конденсатора в цепи постоянного тока 493
Соединение конденсаторов 501
Виды применяемых конденсаторов 506
Вопросы для самопроверки 511
Задачи 524
19. Сущность переменного тока 541
Характеристика ЭДС, индуктируемой в витке, который вращается в однородном магнитном поле 542
Значения переменного напряжения и тока 548
Фаза 554
Построение векторных диаграмм 555
Основные действия переменного тока 558
Преимущества и недостатки переменного тока 559
Вопросы для самопроверки 559
Задачи 566
20. Резистор, соленоид и конденсатор в цепи переменного тока 574
Резистор в цепи переменного тока 575
Соленоид в цепи переменного тока 577
Конденсатор в цепи переменного тока 585
Вопросы для самопроверки 589
Задачи 599
21. Последовательные цепи переменного тока 606
Последовательные цепи, состоящие из резистора и соленоида (RL) 607
Последовательная цепь, состоящая из резистора и конденсатора (RC) 627
Последовательная цепь, содержащая соленоид и конденсатор (LC) 637
Сила тока в последовательной цепи (LC) 641
Последовательная цепь, содержащая резистор, соленоид и конденсатор (RLC) 644
Вопросы для самопроверки 655
Задачи 673
22. Параллельные цепи переменного тока 696
Цепь, содержащая резистор и соленоид (RL) 697
Параллельные цепи, содержащие резистор и конденсатор (RC) 703
Параллельная цепь, состоящая из соленоида и конденсатора (LC) 708
Параллельная цепь, состоящая из резистора, соленоида и конденсатора (RLC) 714
Вопросы для проверки 722
Задачи 734
23. Смешанные цепи переменного тока 743
Полные сопротивления 744
Улучшение коэффициента мощности 747
Вопросы для самопроверки 755
Задачи 756
24. Трехфазная система токов 770
Генератор трехфазного тока 771
Трехфазная сеть, питающаяся от генератора с соединением в звезду 774
Трехфазная сеть, питающаяся от генератора с соединением в треугольник 782
Включение потребителей в трехфазную трехпроводную сеть 784
Несимметричная трехфазная сеть 787
Подключение трехфазных потребителей 789
Вопросы для самопроверки 790
Задачи 795
25. Основные сведения по электрохимии 811
Основные понятия 812
Электрохимические явления 815
Законы Фарадея 816
Первый закон Фарадея 817
Применения электролиза 819
Химические источники напряжения 821
Первичные элементы 823
Вторичные гальванические элементы (аккумуляторы) 828
Устройство свинцового аккумулятора 831
Вопросы для самопроверки 838
Задачи 849
26. Рациональные методы расчета сложных цепей 851
Метод контурных токов 853
Метод наложения (суперпозиции) 854
Метод эквивалентного генератора 856
Упрощение цепей путем преобразования соединения в звезду в соединение в треугольник и соединения в треугольник в соединение в звезду 860
Задачи 863
Ответы на вопросы 870
Ответы на задачи 875

О том, как читать книги в форматах pdf , djvu — см. раздел » Программы; архиваторы; форматы pdf, djvu и др. «

Электрическая цепь и электрическое сопротивление

Электрической цепью называется путь, по которому проходит электрический ток. Чтобы по электрической цепи проходил ток, она должна быть замкнутой. Простейшая электрическая цепь состоит из трех основных частей: источника электрического тока, приемника (потребителя) электрического тока и системы соединительных проводов с вспомогательными приборами (включатели и переключатели тока, измерительные приборы и т. п.).

В качестве источников электрического тока могут служить: механические — электрические генераторы, в которых механи¬ческая энергия преобразуется в электрическую; химические— гальванические элементы и аккумуляторы, в которых химическая энергия преобразуется в электрическую; тепловые — термоэлементы, преобразующие тепловую энергию в электрическую; лучевые — фотоэлементы, преобразующие световую энергию в электрическую.

Приемниками электрического тока могут служить электродвигатели, электролампы, электронагревательные приборы и т. п. Часть электрической цепи, состоящая из приемников электрической энергии и соединительных проводов, называется внешней цепью. Токопроводящие пути самого источника электрической энергии называются внутренней цепью.

Если оборвать электрическую цепь на каком-либо участке, то ток по всей цепи прекращается. Замыкание и размыкание цепи осуществляется выключателем или рубильником.

Для измерения величин, характеризующих электрический ток, в цепь могут быть включены измерительные приборы.

Все вещества обладают различной способностью оказывать сопротивление прохождению электрического тока. Эта способность веществ оказывать сопротивление прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Величина сопротивления измеряется в омах и обозначается буквой R или r. За 1 ом принято сопротивление ртутного столба длиной 106,3 см и поперечным сечением 1 мм 2 при 0°С.

В практике применяются также единицы электрического сопротивления килоом (1 ком=1000 ом) и мегом (1 Мом=1 000 000 ом).

Величина сопротивления зависит от длины, поперечного сечения и материала, из которого изготовлен проводник. Эта зависимость выражается следующей формулой:

где R — сопротивление проводника, ом;

р — удельное сопротивление материала проводника, ом • мм 2 /м;

I — длина проводника, м;

S — поперечное сечение проводника, мм 2 .

Как видно из формулы, чем длиннее проводник и меньше его поперечное сечение, тем больше его сопротивление.

Удельным сопротивлением материала называется сопротивление проводника из данного материала длиной в 1 м и поперечным сечением 1 мм 2 при 0°С. Обычно различные проводники сравниваются по этому показателю. Например, серебро, медь, алюминий обладают небольшим сопротивлением, а такие сплавы, как константан (сплав меди, никеля и марганца), нихром (сплав никеля, хрома, железа, марганца), никелин и другие обладают сопротивлением значительно большим.

Помимо размеров и материала, на сопротивление проводника влияет его температура. Так, почти у всех металлических проводников при повышении температуры сопротивление увеличивается. И только вышеперечисленные сплавы: константан, нихром, никелин и другие практически почти не изменяют своего сопротивления при нагревании и способны выдерживать высокие температуры, благодаря чему эти сплавы и получили широкое применение в электротехнике.

Закон ома. Соединение сопротивлений

Зависимость между величинами, характеризующими электрическую цепь, т.е. силой тока, э. д. с. и сопротивлением, устанавливается законом Ома, который формулируется следующим образом:

сила тока в замкнутой неразветвленной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению цепи.

Закон Ома выражается формулой:

где I — сила тока, а;
Е — э. д. с. источника электрической энергии, в;
R — сопротивление внешнего участка цепи, ом;
r— сопротивление внутреннего участка цепи, ом.
Эта формула может быть записана и в таком виде:

т. е. электродвижущая сила, создаваемая источником электрической энергии, равна величине тока, умноженной на общее сопротивление цепи, и складывается из двух слагаемых, из которых первое (IR) представляет собой разность потенциалов на зажимах внешнего сопротивления, называется напряжением на зажимах внешней цепи и обозначается через U, а второе слагаемое (Ir) носит название падения напряжения на внутреннем участке цепи.

Для внешней цепи и для отдельных ее участков закон Ома обычно записывается в следующем виде:

т. е. сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению данного участка цепи.

Различные сопротивления в электрическую цепь можно включить последовательно, параллельно и смешанным способом (рис. 159).

Последовательным соединением сопротивлений называют такое соединение, когда конец одного сопротивления соединяют с началом второго, конец второго с началом третьего и т. д., а конец последнего и начало первого сопротивлений подключаются к зажимам источника тока (см. 159, а). Основным свойством последовательного соединения является то, что при таком соединении сила тока во всех сопротивлениях внешней и внутренней цепи одинакова и согласно закону Ома

Общее сопротивление последовательной цепи равно сумме всех соединенных сопротивлений, т. е.

Напряжение на зажимах источника тока при последовательно соединенных сопротивлениях равно произведению величины тока на сопротивление внешнего участка цепи. Обозначив через U₁, U₂, U₃, U₄, напряжения на концах каждого сопротивления, получим:

Напряжение на полюсах источника тока при последовательном соединении сопротивлений равно сумме напряжений на отдельных участках цепи.

Параллельным , соединением сопротивлений называется такое соединение, при котором начала всех сопротивлений соединяются в один общий узел, а концы — в другой. При этом зажимы источника тока включаются к узлам цепи А и В (рис. 159, б).

Если напряжение между точками А и В равно U, то такое же напряжение будет между началом и концом каждого сопротивления. Тогда для каждого участка цепи по закону Ома можно написать:

т. е. при параллельно соединенных сопротивлениях ток будет больше там, где меньше сопротивление.

Основным свойством параллельного соединения является то, что в каждом разветвлении цепи устанавливается своя сила тока, обратно пропорциональная сопротивлению данного участка цепи.

В точке В ток разветвляется в нескольких направлениях (на несколько ветвей), а в сумме он равен I. Поэтому при параллельном соединении нескольких сопротивлений ток, подведенный к этим сопротивлениям, равен сумме токов во всех сопротивлениях:

Для определения общего сопротивления параллельной цепи пользуются следующим соотношением: общая проводимость (обратная величина сопротивлению) параллельной цепи равна сумме проводимостей отдельных разветвлений цепи, т. е.

Если в электрической цепи часть сопротивлений включена последовательно, а часть параллельно, то такое соединение называется смешанным. На рис. 159, в сопротивления R ₁и R₂ соединены последовательно, a R₃ и R₄ — параллельно.

Общие сведения о полупроводниках

К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от температуры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений.

В создании электрического тока в веществе могут принимать участие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому его электропроводность тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится подвижных носителей электрических зарядов. В металлах практически все валентные электроны (являющиеся носителями элементарного отрицательного заряда) свободны, что и обусловливает высокую электропроводность металлов. В диэлектриках и полупроводниках свободных носителей значительно меньше, поэтому их удельное сопротивление велико.

Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температуры оно, как правило, уменьшается на 5…6 % на градус, в то время как у металлов удельное электрическое сопротивление с повышением температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное сопротивление полупроводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси.

Большинство применяемых в настоящее время полупроводников относится к кристаллическим телам, атомы которых образуют пространственную решетку. Взаимное притяжение атомов кристаллической решетки осуществляется за счет ковалентной связи, т.е. общей пары валентных электронов, вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов. Такие электроны могут иметь различную степень связи со своей парой атомов. При передаче им энергии извне (например, с помощью электромагнитного поля или при нагревании) они способны покидать свои места в кристаллической решетке и перемещаться по кристаллу, создавая таким образом электрический ток в нем. Вещества, в которых для высвобождения электронов требуется высокая энергия, являются диэлектриками, и только для некоторого класса веществ достаточно незначительной энергии (менее 6 эВ) для образования свободных электронов (преодоления ими запрещенной энергетической зоны и перехода из валентной энергетической зоны в зону проводимости). Такие вещества и являются полупроводниками.

В полупроводниковой электронике широкое применение получили германий (Ge) и кремний (Si) ­— элементы 4-й группы периодической системы. В современных сверхвысокочастотных приборах часто используются также арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN), фосфид индия (InP) и другие. В последние годы все большее распространение получают электронные приборы, в которых формируются гетероструктуры с использованием сразу множества полупроводниковых материалов (смотрете в разделе Материалы для создания гетеропереходов)