Текст книги "Электричество дома и на даче. Как сделать просто и надежно"

Электрическая емкость

Мы уже знаем, что два изолированных друг от друга проводника могут накапливать электрические заряды. Это явление характеризуется физической величиной, которую назвали электрической емкостью. Электрическая емкость двух проводников – не что иное, как отношение заряда одного из них к разности потенциалов между этим проводником и соседним. Чем меньше будет напряжение при получении заряда проводниками, тем больше их емкость. За единицу электрической емкости принимают фарад (Ф). На практике используются доли данной единицы: микрофарад (мкФ) и пикофарад (пФ).

Если взять два изолированных друг от друга проводника, разместить их на небольшом расстоянии один от другого, то получится конденсатор. Емкость конденсатора зависит от толщины его пластин и толщины диэлектрика и его проницаемости. Уменьшая толщину диэлектрика между пластинами конденсатора, можно намного увеличить емкость последнего. На всех конденсаторах, помимо их емкости, обязательно указывается напряжение, на которое рассчитаны эти устройства.

Электромагнитная индукция

В первой половине XIX в. английский физик М. Фарадей открыл явление магнитной индукции. Он установил, что если поместить в магнитное поле проводник и перемещать его так, чтобы он при своем движении пересекал силовые линии поля, то в проводнике возникнет электродвижущая сила, называемая эдс индукции.

Эдс индукции возникнет в проводнике и в том случае, если сам проводник останется неподвижным, а перемещаться будет магнитное поле, пересекая проводник своими силовыми линиями.

Если проводник, в котором наводится эдс индукции, замкнуть на какую-либо внешнюю цепь, то под действием этой эдс по цепи потечет ток, называемый индукционным током.

Явление индуктирования эдс в проводнике при пересечении его силовыми линиями магнитного поля называется электромагнитной индукцией.

Электромагнитная индукция – это обратный процесс, т. е. превращение механической энергии в электрическую.

Явление электромагнитной индукции нашло широчайшее применение в электротехнике. На его использовании основано устройство различных электрических машин.

Электромагнитная индукция появляется также в незамкнутых проводниках. В том случае когда проводник пересекает магнитные силовые линии, на его концах возникает напряжение. Причиной появления такого напряжения становится эдс индукции. Если магнитный поток, проходящий сквозь замкнутый контур, не меняется, индукционный ток не появляется.

Величина и направление индуктированной в проводнике эдс зависят от нескольких факторов:

• количества силовых линий поля, пересекающих проводник в единицу времени;

• скорости движения проводника в магнитном поле;

• длины той части проводника, которая пересекается силовыми линиями поля;

• силы самого магнитного поля.

Следует помнить, что в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, эдс индукции возникает только в том случае, если этот проводник пересекается магнитными силовыми линиями поля. Если же проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. не пересекает, а как бы скользит по ним, то никакой эдс в нем не индуктируется.

Индукционный ток, так же как и любой другой, имеет энергию. Значит, в случае возникновения индукционного тока появляется электрическая энергия. Согласно закону сохранения и превращения энергии, вышеназванная энергия может возникнуть только за счет количества энергии какого-либо другого вида энергии.

Помимо индукции, в проводнике, по которому течет ток, возникает явление так называемой самоиндукции. Дело в том, что проводник с текущим по нему током обладает собственным магнитным полем, которое меняется при изменении силы тока. А если изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, то в ней возникает электродвижущая сила, которая называется эдс самоиндукции.

Эдс самоиндукции при замыкании цепи препятствует силе тока и не дает ей возрастать. При выключении цепи эдс самоиндукции, наоборот, противодействует снижению силы тока. В том случае, когда сила тока в проводнике достигает определенного постоянного значения, магнитное поле перестает изменяться и эдс самоиндукции приобретает нулевое значение.

Как говорилось выше, для создания в проводнике эдс индукции необходимо перемещать в магнитном поле или сам проводник, или магнитное поле около проводника. В том и другом случае проводник должен пересекаться магнитными силовыми линиями поля, иначе эдс индуктироваться не будет. Индуктированную эдс, а следовательно, и индукционный ток можно получить не только в прямолинейном проводнике, но и в проводнике, свитом в катушку, что позволяет в значительной степени увеличить его длину и количество участков, одновременно пересекающих силовые линии.

Таким образом, при движении внутри катушки постоянного магнита в ней индуктируется эдс за счет того, что магнитный поток магнита пересекает витки катушки, т. е. точно так же, как это было при движении прямолинейного проводника в поле магнита.

Работа и мошность электрического тока

Из вышесказанного понятно, что электрический ток совершает определенную работу. При подключении электродвигателей электроток заставляет работать всевозможное оборудование, двигает по рельсам поезда, освещает улицы, обогревает жилище, а также производит химическое воздействие, т. е. позволяет выполнять электролиз и т. д. Можно сказать, что работа тока на определенном участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа. Работа измеряется в джоулях, напряжение – в вольтах, сила тока – в амперах, время – в секундах. В связи с этим 1 Дж = 1 В × 1 А × 1 с. Из этого получается, для того чтобы измерить работу электрического тока, следует задействовать сразу три прибора: амперметр, вольтметр и часы. Но это громоздко и малоэффективно. Поэтому обычно работу электрического тока замеряют электрическими счетчиками. В устройстве данного прибора имеются все вышеназванные приборы.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ко времени, в течение которого она совершалась. Мощность обозначается буквой Р и выражается в ваттах (Вт). На практике используют киловатты, мегаватты, гектоватты и пр. Для того чтобы замерить мощность цепи, нужно взять ваттметр. Электротехники работу тока выражают в киловатт-часах (кВтч).

Открытия Ома имели огромное значение как для развития учения об электричестве, так и для развития прикладной электротехники. Они позволили легко предсказывать свойства электрических цепей для постоянного тока, а впоследствии – для переменного.

Закон Джоуля – Ленца. Электрический ток в любом участке цепи выполняет определенную работу. Для примера возьмем какой-либо участок цепи, между концами которого имеется напряжение (U). По определению электрического напряжения, работа, совершаемая при перемещении единицы заряда между двумя точками, равна U. Если сила тока на данном участке цепи равна I, то за время t пройдет заряд It, и поэтому работа электрического тока в этом участке

А = Ult.

Это выражение справедливо для постоянного тока в любом случае, для какого угодно участка цепи, который может содержать проводники, электромоторы и пр. Мощность тока, т. е. работа в единицу времени, равна:

Р = A/t = UI.

Эту формулу применяют в системе СИ для определения единицы напряжения.

Предположим, что участок цепи представляет собой неподвижный проводник. В этом случае вся работа превратится в тепло, которое выделится в этом проводнике. Если проводник однородный и подчиняется закону Ома (сюда относятся все металлы и электролиты), то

U = IR,

где R – сопротивление проводника. В таком случае

А = TR2I.

Этот закон впервые опытным путем вывел Э. Ленц и, независимо от него, Джоуль.

Следует отметить, что нагревание проводника при прохождении в нем тока находит многочисленное применение в технике. Самое распространенное и важное среди них – осветительные лампы накаливания.

Электрические цепи и их элементы

Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств, связанных между собой проводниками и образующих путь для электрического тока. При этом электромагнитные процессы в цепях описываются с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении.

Отдельные устройства электрической цепи по их назначению можно разделить на три группы. Первую группу составляют элементы, предназначенные для выработки электроэнергии (источники питания). Вторая группа – элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и т. д.). Эти элементы называются приемниками электрической энергии (электроприемниками). В третью группу входят элементы, предназначенные для передачи электроэнергии от источника питания к электроприемнику (провода, устройства, обеспечивающие уровень и качество напряжения, и др.).

Источники питания цепи постоянного тока – это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. Все источники питания имеют внутреннее сопротивление, значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи.

Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы и др. Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых можно назвать самые основные – напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах (клеммах) необходимо поддерживать номинальное напряжение. Для приемников постоянного тока оно составляет 27, 110, 220, 440 В, а также 6, 12, 24, 36 В.

Графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и показывающее соединения этих элементов, называется схемой электрической цепи.

Условные обозначения в электросхемах

Участок электроцепи, вдоль которого протекает один и тот же ток, называется ветвью. Место соединения ветвей электроцепи называется узлом. На электросхемах узел обозначается точкой. Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром электрической цепи. Простейшая электрическая цепь имеет одноконтурную схему, сложные электрические цепи – несколько контуров.

Элементами электрической цепи являются различные электротехнические устройства, которые могут работать в различных режимах. Режимы работы как отдельных элементов, так и всей электрической цепи характеризуются значениями тока и напряжения. Поскольку ток и напряжение в общем случае могут принимать любые значения, то режимов может быть бесчисленное множество.

Режим холостого хода – это режим, при котором тока в цепи нет. Такая ситуация может возникнуть при разрыве цепи. Номинальный режим бывает, когда источник питания или любой другой элемент цепи работает при значениях тока, напряжения и мощности, указанных в паспорте данного электротехнического устройства. Эти значения соответствуют самым оптимальным условиям работы устройства с точки зрения экономичности, надежности, долговечности и пр.

Режим короткого замыкания – это режим, когда сопротивление приемника равно нулю, что соответствует соединению положительного и отрицательного зажимов источника питания с нулевым сопротивлением. Ток короткого замыкания может достигать больших значений, во много раз превышая номинальный ток. Поэтому режим короткого замыкания для большинства электроустановок является аварийным.

Согласованный режим источника питания и внешней цепи возникает в том случае, когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению. В этом случае ток в цепи в 2 раза меньше тока короткого замыкания.

Самыми распространенными и простыми типами соединений в электрической цепи являются последовательное и параллельное соединение.

Последовательное соединение двух резисторов в цепи:

1 – первый резистор; 2 – второй резистор.

При последовательном соединении все элементы подключаются к цепи друг за другом. Последовательное соединение не дает возможности получить разветвленную цепь – она будет неразветвленной.

В схеме используются два резистора, которые имеют сопротивления R₁ и R₂. Поскольку электрический заряд в этом случае не накапливается (постоянный ток), то при любом сечении проводника за определенный интервал времени проходит один и тот же заряд. Из этого вытекает, что сила тока в обоих резисторах равная:

I = I₁ = I₂.

А вот напряжение на их концах суммируется:

U = U_{1 +} U₂.

Согласно закону Ома, для всего участка цепи и для каждого резистора в отдельности полное сопротивление цепи

R = R₁ + R₂.

В случае последовательного соединения проводников напряжения и сопротивления можно выразить соотношением

U₁/U₂ = R₁/R₂.

Если два проводника соединяются параллельно, электрическая цепь имеет два разветвления. Точки разветвления проводников называют узлами. В них электрический заряд не накапливается, т. е. электрический заряд, поступающий за определенный промежуток времени в узел, равен заряду, уходящему из узла за то же время. Из этого следует, что

I = I₁ + I₂,

где I – сила тока в неразветвленной цепи.

Параллельное соединение двух проводников:

точки а и b – узлы.

При параллельном соединении проводников напряжение на них будет одно и то же.

Используя закон Ома для участков электрической цепи с сопротивлениями R₁ и R₂, можно выявить, что величина, обратная полному сопротивлению участка ab, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных проводников, т. е.

1/R = 1/R₁ + 1/R₂.

Из этого вытекает, что

R = R₁R₂/(R₁ + R₂).

Данная формула справедлива только для определения общего сопротивления двух проводников, соединенных параллельно. Величину, обратную сопротивлению, называют проводимостью. При параллельном соединении проводников их сопротивления и сила тока связаны соотношением

I₁/I₂ = R₂/R₁.

Последовательное соединение двух конденсаторов.

При последовательном соединении обкладка одного конденсатора, заряженная отрицательно, соединена с обкладкой другого конденсатора, заряженного положительно.

В этом случае величина, обратная емкости батареи конденсаторов при последовательном соединении, равна сумме величин, обратных емкостям отдельных конденсаторов. Из этого следует:

1/С = 1/С₁ + 1/С₂ + 1/С₃ +….

При этом типе соединения емкость батареи конденсаторов меньше емкости любого из конденсаторов.

Параллельное соединение двух конденсаторов.

При параллельном соединении конденсаторов положительно заряженные обкладки соединены с положительно заряженными, а отрицательно заряженные – с отрицательными.

В этом случае емкость батареи конденсаторов будет равна сумме электрических емкостей конденсаторов:

С = С₁ + С₂ + С₃ +….

Параллельное соединение источников тока.

При параллельном способе соединения источников тока соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы. Напряжение на разомкнутой батарее будет равно напряжению на каждом отдельном источнике, т. е. при параллельном способе соединения эдс батареи равна эдс одного источника. Сопротивление батареи при параллельном включении источников будет меньше сопротивления одного элемента, потому что в этом случае их проводимости суммируются.

Последовательное соединение источников тока.

При последовательном соединении источников тока два соседних источника соединяются между собой противоположными полюсами.

Разность потенциалов между положительным полюсом последнего источника и отрицательным полюсом первого будет равна сумме разностей потенциалов между полюсами каждого источника. Из этого вытекает, что при последовательном соединении эдс батареи равна сумме эдс источников, включенных в батарею. Общее сопротивление батареи при последовательном включении источников равняется сумме внутренних сопротивлений отдельных элементов.

Пример расчета электрических цепей.

Основой расчета электрических цепей является определение силы токов в отдельных участках при заданном напряжении и заранее известном сопротивлении отдельных проводников. Бывают случаи, когда нужно вычислить сопротивления отдельных участков цепи по уже известным напряжениям, силе токов и сопротивлению других участков, а также определить нужное напряжение по заданным сопротивлениям и силе токов. Метод расчета электрических цепей всегда одинаков и основан на законе Ома.

Допустим, общее напряжение на концах цепи нам известно. Известны также сопротивления R₁, R₂… R₆ подсоединенных к цепи резисторов R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆ (сопротивление амперметра в расчет не принимается). Следует вычислить силу токов I₁, I₂,… I6.

В первую очередь, нужно уточнить, сколько последовательных участков имеет данная цепь. Исходя из предложенной схемы, видим, что таких участков три, причем второй и третий содержат разветвления. Допустим, что сопротивления этих участков R₁, R', R''. А значит, все сопротивление цепи можно выразить как сумму сопротивлений участков:

R = R₁ + R' + R'',

где R’ – общее сопротивление параллельно соединенных резисторов R₂, R₃ и R₄, a R'' – общее сопротивление параллельно соединенных резисторов R₅ и R₆. Применяя закон параллельного соединения, можно вычислить сопротивления R’ и R'':

1/R' = 1/R₂ + 1/R₃ + 1/R₄ и 1/R‘‘ = 1/R₅ + 1/R₆.

Для того чтобы определить силу тока в неразветвленной цепи с помощью закона Ома, нужно знать общее сопротивление цепи при заданном напряжении. Для этого следует воспользоваться формулой

I = U/R.

Из всего вышеизложенного можно вывести, что I = I₁.

Но для определения силы тока в отдельных ветвях следует сначала вычислить напряжение на отдельных участках последовательных цепей. Опять же с помощью закона Ома можно записать:

U₁ = IR₁; U₂ = IR'; U₃ = IR''.

Теперь, зная напряжение на отдельных участках, можно определить силу тока в отдельных ветвях:

I₂ = U₂/R₂;

I₃ = U₂/R₃;

I₄ = U₂/R₄;

I₅ = U₃/R₅;

I₆ = U₃/R₆.

Переменный ток

Как мы уже знаем, электрический ток бывает постоянным и переменным. Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явлений электромагнитной индукции. В настоящее время почти вся электрическая энергия вырабатывается в виде энергии переменного тока, на котором работает большинство потребителей электрической энергии. Это объясняется преимуществом производства и распределения этой энергии. Переменный ток получают на электростанциях, преобразуя с помощью генераторов механическую энергию в электрическую. Основное преимущество переменного тока по сравнению с постоянным заключается в возможности с минимальными потерями передавать электрическую энергию на большие расстояния и легко повышать или понижать напряжение с помощью трансформаторов. Кроме того, генераторы и двигатели переменного тока более просты по устройству, надежней в работе и проще в эксплуатации по сравнению с машинами постоянного тока. Особенностями переменного тока являются периодические изменения силы и направления тока. Эти свойства отличают его от постоянного тока. К примеру, при помощи переменного тока нельзя зарядить аккумулятор. Также нельзя применять его для других технических целей.

Простейшая установка для выработки переменного электрического тока.

Принцип действия установки прост. Проволочная рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной скоростью. Своими концами рамка закреплена на кольцах, вращающихся вместе с ней. К кольцам плотно прилегают пружины, выполняющие роль контактов. Через поверхность рамки непрерывно будет протекать изменяющийся магнитный поток, но поток, создаваемый электромагнитом, останется постоянным. В связи с этим в рамке возникнет эдс индукции.

Точкой отсчета будет положение а рамки, показанное на рисунке ниже. В этот момент плоскость рамки перпендикулярна к магнитным линиям, и магнитный поток будет иметь максимальное значение. Параллельно магнитным линиям рамка встанет через четверть периода.

Магнитный поток при этом станет равным нулю, потому что ни одна магнитная линия не проходит через поверхность рамки. Чтобы определить эдс индукции, нужно знать не величину потока, а скорость его изменения. В точке отсчета эдс индукции равна нулю, а в положении в – максимальному значению. Исходя из положений рамки, можно увидеть, что эдс индукции меняет и значение, и знак. Таким образом, она является переменной (см. график на рисунке ниже).

Изменение величины эдс индукции в зависимости от положения рамки в разные периоды времени.

Если рамка имеет только активное сопротивление, то ток, который возникает в контуре под действием эдс индукции, с течением времени будет меняться, как и сама эдс. Такой ток называется переменным синусоидальным током. Периодом переменного тока называется отрезок времени, в течение которого ток выполняет одно полное колебание (эту единицу обозначают буквой Т). Число полных колебаний за 1 с называется частотой тока и обозначается буквой f. Частота измеряется в герцах (Гц). В промышленности и быту большинства стран используют переменный ток с частотой 50 Гц.

Как известно, переменная эдс индукции вызывает в цепи переменный ток. При наибольшем значении эдс сила тока будет иметь максимальное значение и наоборот. Это явление называется совпадением по фазе. Несмотря на то что значения силы тока могут колебаться от нуля и до определенного максимального значения, имеются приборы, с помощью которых можно замерить силу переменного тока.

Характеристикой переменного тока могут быть действия, которые не зависят от направления тока и могут быть такими же, как и при постоянном токе. К таким действиям можно отнести тепловое. К примеру, переменный ток протекает через проводник с заданным сопротивлением. Через определенный промежуток времени в этом проводнике выделится какое-то количество тепла. Можно подобрать такое значение силы постоянного тока, чтобы на этом же проводнике за то же время выделялось этим током такое же количество тепла, что и при переменном токе. Такое значение постоянного тока называется действующим значением силы переменного тока.

Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы не позволяют производить замеры в цепях переменного тока. Это происходит потому, что при каждом изменении тока в катушке меняется направление вращающего момента, которое воздействует на стрелку прибора. Из-за того что катушка и стрелка обладают большой инерцией, прибор не реагирует на переменный ток. Для этих целей применяются приборы, не зависящие от направления тока. Например, это могут быть приборы, основанные на тепловом действии тока. В таких приборах стрелка поворачивается за счет удлинения нити, нагреваемой током.

Можно также применять приборы с электромагнитной системой действия. Подвижной частью в данных приспособлениях является железный диск небольшого диаметра. Он перемагничивается и втягивается внутрь катушки, через которую пропущен переменный ток. Такие приборы измеряют действующие значения силы тока и напряжения.

Сила переменного тока состоит в прямой зависимости не только от напряжения и сопротивления, но и индуктивности проводников, подключенных к цепи. Как правило, индуктивность существенно уменьшает силу переменного тока. В связи с тем, что сопротивление цепи равно отношению напряжения к силе тока, подключение к цепи катушки индуктивности увеличит общее сопротивление. Это произойдет вследствие наличия эдс самоиндукции, которая не дает току увеличиваться. Если напряжение изменяется, то сила тока просто не успевает достигнуть тех максимальных значений, которые она приобрела бы, не будь самоиндукции. Из этого вытекает, что наибольшее значение силы переменного тока ограничивается индуктивностью, т. е. чем больше будут индуктивность и частота напряжения, тем меньше будет значение силы тока.

Если в цепь постоянного тока включить батарею конденсаторов, то тока в цепи не будет, потому что пластины конденсатора отделяются друг от друга изоляционными прокладками. При наличии в цепи конденсатора постоянный ток существовать не может.

Если точно такую же батарею подсоединить к цепи переменного тока, то в ней возникнет ток. Объясняется это следующим образом. Под действием изменяющегося напряжения происходит зарядка и разрядка конденсаторов. То есть если одна обкладка конденсатора имела в течение какого-либо полупериода отрицательный заряд, то в следующий полупериод она приобретет положительный заряд. Следовательно, перезарядка конденсатора перемещает заряды по цепи. А это и есть электрический ток, который можно обнаружить при помощи амперметра. Чем больше будет перемещаемый заряд, тем больше сила тока, т. е. чем большей емкостью обладает конденсатор и чем чаще он перезаряжается, тем больше частота.