Електричний струм та його густина

Електричний струм - це спрямований рух заряджених часток під дією електричного поля в провіднику. Позначається - І, А (ампер).

Сила струму - це кількість зарядів, які пройшли скрізь поперечну площину провідника в одиницю часу:

де - час, с

Постійний струм - це струм, який не змінюється ні за значенням ні за напрямком з часом. За додатній напрямок струму приймають напрямок переміщення протонів, тобто назустріч електронам - від "+" до "-".

Густина струму - це величина, яка чисельно дорівнює відношенню сили струму до площини поперечного перерізу проводу, по якому проходить цей струм. Позначається - , .

,

де - площа поперечного перерізу проводу, мм²

^{Рисунок 3.1- Електричний струм в різних перетинах проводу}

Таким чином, густина струму визначається зарядом, який проходе через одиницю поперечного перерізу провода в одиницю часу. Заряд пропорціональний швидкості руху заряджених часток, а швидкість руху пропорціональна напруженості електричного поля: ,

де - коефіцієнт пропорціональності, який називають питомою електропровідністю провідника. При постійній температурі питома електропровідність провідника теж постійна. При збільшені температури у провідників першого класу електропровідність зменшується, а у провідників другого класу збільшується.

Електропровідність провідника позначається - G. Вимірюється у См.

де l - довжина провідника, м

Тобто, електропровідність провідника залежить від довжини та поперечного перерізу проводу, та при постійній температурі електропровідність даного проводу постійна. Густина струму - векторна величина, яка направлена за нормаллю до площини поперечного перерізу провода. Густина струму при різних площинах поперечного перерізу провідника різна: чим більше переріз, тим менше густина струму, та навпаки.

3.2 Опір та закон Ома. Залежність опору від температури та геометричних розмірів

При переміщенні електронів (електричного струму) серед атомів та іонів матеріалу, які не мають поступального руху, а знаходяться у коливальному стані, виникає зіткнення цих часток між собою. Наразі взаємодії електронів з атомами та іншими електронами виникають сили, які діють на електрони в різних напрямках. Це приводе до часткової хаотичності у руху електронів і викликає зменшення сили струму. Тобто всі елементи електричного кола чинять протидію, або опираються проходженню через них струму, та зменшують цей струм. Це явище характеризує величина, яка обернена провідності, яку назвали опором. Таким чином, опір - це властивість провідника протидіяти проходженню через нього струму. Позначається - R. Вимірюється в Ом.

Позначення опору в електричних схемах вказане на рис. 3.2:

Рисунок 3.2 - Позначення опору в електричних схемах

Зв'язок між струмом у проводі та напругою на кінцях цього проводу встановлює закон Ома (названий в ім’я німецького фізика Ома, який відкрив дослідним шляхом у 1827 році цей закон): струм на ділянці електричного кола прямо пропорційний напрузі на затискачах цієї ділянки та обернено пропорційний його опору:

Величина опору визначається електропровідністю матеріалу із якого виготовлений провід та геометричними розмірами проводу:

Як видно з формули, чим більше довжина проводу, тим більше його опір, чим більше переріз проводу, тим менше його опір. Величина, зворотна питомій провідності, називається питомим опором. Позначається - .

де - питома електропровідність матеріалу провода,

Питомий опір - це постійна величина матеріалу із якого зроблено провод. Порівняно малим питомим опором володіють провідники, із яких виготовляються ЛЕП, кабелі, обмотки електричних машин, трансформаторів: , . Для виготовлення обмоток нагріваючих пристроїв та реостатів використовують сплави з великим питомим опором: , . Опір діелектриків дуже великий при порівнянні з опором провідників.

Питомий опір матеріалу залежить від температури навколишнього середовища: зі збільшенням температури рухомість вільних електронів зменшується, що приводе до збільшення питомого опору у провідниках 1-го класу:

де - питомий опір при температурі 0°С чи 273 К - первісний опір,

t - температура навколишнього середовища, °С,

- температурний коефіцієнт опору, 1/К

Температурним коефіцієнтом опору називається величина, яка показує на яку частину змінюється опір провідника при нагріві на 1 К чи на 1 °С. Деякі сплави мають дуже мале змінення опору при змінені температури. Наприклад, нікелін, манганін. Проволока з таких металів використовується у приладах, які потребують постійного опору: у еталонах опору, реостатах. Коли провідник нагрівається не від 0 °С, а від температури t₁ до температури t₂, то його опір змінюється від R₁ до R₂, а температурний коефіцієнт залишається майже незмінним у межах від 0 до 100 °С. Тоді можна вважати: або

3.3 Елементи опорів та реостати

Існує два терміну «опір»: перший - це коли опір розуміють, як властивість провідника протистояти проходженню через нього струму, та другий - це коли опір розуміють, як пристрій, призначений для вмикання у електричне коло з метою регулювання, зменшення чи обмеження струму у цьому колі. До таких

Рисунок3.3 –Резистор типу ВС

пристроїв, наприклад, відносяться реостати.

Реостати - це пристрої, які дозволяють змінювати опір кола й тим самим змінювати силу струму. Реостат був винайдено у 1841 році руським вченим Б.С.Якобі. Існують різні типи реостатів. Дротові реостати виготовляють зі спеціальних сплавів: константану, манганіну, нікеліну, ніхрому, так як ці сплави мають великі питомі опори та мали температурні коефіцієнти, тому реостати з цих сплавів невеликі за розміром й витримують значний нагрів без помітної зміни опору. Також ці матеріали не піддаються корозії при нагріві, коли елементи призначені для роботи на повітрі. Найчастіше використовуються важільні, з ковзким контактом та штепсельні. Важільний реостат має важіль, який переміщується з одного елементу опору на інший при певних умовах, він дає стрибкоподібну зміну опору. Реостат з ковзким контактом складається з ізолятору, на який намотано дріт. По дроту переміщають повільно металевий повзунок, який вмикає виток за витком. Штепсельний реостат складається з ряду котушок, які вмонтовані у ящик. Зверху на кришці ящика є товсті мідні смуги, розділені проміжками, в які вставляються штепселі. У тім місці, де ввімкнено штепсель, струм піде по пластині через штепсель, мінуючи інші котушки опору. На кришці ящику наносять величини опорів котушок штепсельного реостату.

Рисунок

Рисунок 3.4-Реостат

В залежності від призначення опори ділять на наступні групи: пускові, гальмові, регулювальні, добавочні, економічні, розрядні, баластні, навантажувальні, нагрівальні, заземлювальні, встановлювальні. Основним конструктивним вузлом таких опорів є елемент опору. Для можливості змінення величини опору, окремі елементи з’єднуються між собою за певними схемам. Величина опору змінюється за допомогою перемикаючого пристрою, наприклад контролера. В залежності від матеріалу провідника розрізняють металеві, рідинні, вугільні та керамічні опори. У електроприводі використовують металеві опори. Керамічні опори використовують у високовольтних апаратах, наприклад, розрядниках. Опори виготовляють з спеціальних сплавів: сталь, електротехнічний чавун, константан, ніхром, фехраль. Ці сплави мають великі питомі опори та мали температурні коефіцієнти. Робоча температура матеріалу повинна бути як можна більше, що дозволяє скоротити масу матеріалу та поверхню охолодження. Існують такі конструкції елементів опорів:

У вигляді вільної спіралі з дроту чи стрічки на циліндричній оправі «виток до витку». Для збільшення жорсткості спіралі дріт може намотуватися на фарфоровий чи керамічний каркас у вигляді трубки. В цьому випадку у процесі нагріву бере участь не лише дріт, а й сам каркас. Для захисту від механічних пошкоджень зверху проводу наносять склоемаль. Використовують при малих потужностях двигунів, у зв’язку з великими розмірами каркасу.

Рамочні елементи (дротові чи стрічкові поля) використовують на двигунах з великими потужностями. На сталеву пластину прикріплюють ізолятор з фарфору чи стеатиту. Дріт з константану намотують у канавки, розміщенні на поверхні ізоляторів. Елементи опору компонуються у ящик. Для великих струмів використовують стрічку. З точки зору охолодження цей елемент гірше за вільну спіраль. Але маса ізоляторів невелика.

Фехралеві елементи використовують на двигунах з великими потужностями та напругами. Так же як і у попередній конструкції є ізолятор з канавками, в які намотується стрічка. Лише стрічка фехралева. Елементи опору компонуються у ящик по п’ять штук. Потужність кожного елемента 450 Вт. При великих струмах елементи з’єднуються паралельно. Відпайки опорів приварюються до спіралі й при монтажі не можуть перевстановлюватись.

Чавунні елементи використовують як пускові на двигунах з великими потужностями та напругами, так як опір цих елементів сильно залежить від температури. Елементи мають форму зигзагу. Для з’єднання друг з другом на кінцях елементів є вушки з отворами для кріплення. Елементи опору з’єднуються послідовно у ящик за допомогою сталевих стрижнів. Загальна потужність ящика не повинна перевищувати 4,5 кВт. У зв’язку з малою механічною міцністю в установках, в яких можлива вібрація чи удари, ці елементи не використовують.

4 Ємність. Конденсатор

4.1 Сполучення конденсаторів

Конденсатор - це елемент, який складається з двох металевих пластин чи провідників всякої форми, розділених діелектриком. На обкладках (різних пластинах) конденсатора, приєднаних до затискачів джерела живлення, накопичуються рівні за величиною, але протилежні за знаком заряди. Величина цих зарядів пропорційна прикладеній напрузі. Властивість конденсаторів накопичувати й утримувати електричні заряди характеризуються ємністю конденсатора.

Рисунок 4.1-Конденсатори а), б) - паперові, в)електролітичні.

Назва конденсатора залежить від діелектрика, який використовується між пластинами, наприклад: діелектрик - повітря, конденсатор-повітряний; діелектрик -слюда, конденсатор - слюдяний.

Розміри конденсатора залежать, від напруги прикладеної до конденсатора. Чим більше робоча напруга, тим більше розміри конденсатора.

Ємність конденсатора - це постійна величина, яка дорівнює відношенню заряду однієї з обкладок до прикладеної напруги. Позначається - с, Ф.

Але фарада є дуже великою одиницею вимірювання, тому частіше використовують: мкФ (10^-6 Ф)-мікрофарад;

пФ (10^-12 Ф) –пікофарад;

н Ф( 10^-9 Ф)- нанофарад.

Позначення ємності в електричних схемах вказане на рис. 4.2:

Рисунок 4.2 - Позначення ємності в електричних схемах

Окремі конденсатори з’єднуються один з одним декількома засобами:

Паралельне сполучення конденсаторів - це коли кілька конденсаторів ввімкнено між одними і теми же двома вузлами так, що напруга на них однакова:

Рисунок 4.3 - Приклад паралельного сполучення конденсаторів

Тоді заряди на обкладках окремих конденсаторів:

а заряд, отриманий від джерела:

У всякому випадку сполучення конденсаторів можна замінити ємністю рівнозначного (еквівалентного) конденсатора при умові, що напруга, яка подається на обкладки еквівалентного конденсатора, буде дорівнювати напрузі, яка подається до крайних зажимів групи цих конденсаторів. Тобто еквівалентний конденсатор накопичує той же заряд, що й група конденсаторів. Тоді, загальна ємність еквівалентного конденсатора для паралельного сполучення конденсаторів буде:

Таким чином, при паралельному сполученні конденсаторів загальна ємність еквівалентного конденсатора дорівнює сумі ємностей окремих конденсаторів цього сполучення.

Послідовне сполучення конденсаторів - це коли кілька конденсаторів ввімкнено так, що на обкладках окремих конденсаторів електричні заряді рівні за величиною:

Рисунок 4.3 - Приклад послідовного сполучення конденсаторів

Від джерела живлення заряди поступають лише на зовнішні обкладки кола конденсаторів, а на з’єднаних між собою внутрішніх обкладках суміжних конденсаторів виникає переніс заряду з тією ж величиною з однієї обкладки на іншу. Тому на них з’являються рівні й різнойменні заряди. При цьому напруга між обкладками окремих конденсаторів залежить від ємностей цих конденсаторів:

Загальна напруга буде:

Тоді, загальна ємність еквівалентного конденсатора для послідовного сполучення конденсаторів буде:

Таким чином, при послідовному сполученні конденсаторів величина, яка обернена загальній ємності еквівалентного конденсатора, дорівнює сумі обернених величин ємностей окремих конденсаторів цього сполучення.

Змішане сполучення конденсаторів - це коли у колі є як послідовне так і паралельне сполучення конденсаторів. Для цього сполучення притаманні властивості паралельного та послідовного з’єднання конденсаторів.

Дата добавления: 2013-12-13