Электромагнитные колебания и волны

Лекция № 15

Устранение причин пожара

Причины возникновения пожара

Причины возникновения пожара бывают электрического и неэлектрического характера.

Причины неэлектрического характера:

* неправильное устройство и эксплуатация отопительных систем (котельных, печей);

* неисправность оборудования и нарушение ТП (нарушение герметичности обор.);

* неосторожное обращение с огнем;

* неправильное устройство вентиляционных систем;

* самовозгорание (самовоспламенение) веществ.

Причины электрического характера:

* короткое замыкание;

* перегрузки;

* большое переходное сопротивление;

* искрение;

* электрическая дуга;

* статическое электричество;

* разряды атмосферного электричества.

Для предупреждения пожара проводятся мероприятия: 1) организационного; 2) эксплуатационного; 3) технического и 4) режимного характера.

1) обучение рабочих пожаробезопасности; проведение инструктажей, лекций с последующей аттестацией;

2) правильная эксплуатация машин, внутризаводского транспорта, оборудования, зданий и территорий;

3) соблюдение противопожарных правил и норм при устройстве отопления, вентиляции;

4) запрещение курения в неустановленных местах, сварочных и других огневых работ в пожарных зонах.

Также проводятся мероприятия по предупреждению КЗ, обеспечению защиты сетей (реле, автоматы, плавкие предохранители), снижению контактных соединений, защите от окисления (спецсмазка).

Выбор электрооборудования

Электрооборудование выбирается с учетом взрыво- и пожароопасности производства и условий ТП.

По виду исполнения электрооборудование делится на несколько классов:

* общего назначения;

* специального назначения (тропического исполнения, влагостойкого, хладостойкого);

* открытое;

* защищенное (от случайного прикосновения к токоведущим частям);

* водозащитное;

* каплезащитное;

* брызгозащитное;

* герметичное.

Согласно ПУЭ в пожароопасных зонах применяются машины закрытого исполнения, пульт управления – в пылезащитном исполнении.

В пожароопасных зонах всех классов применяются переносные светильники закрытого типа со стеклянным колпаком и защитной сеткой.

Проектирование и монтаж электрооборудования в пожароопасных зонах производится в соответствии с инструкцией, где есть указания по монтажу электропроводки, двигателей и так далее.

Колебательный контур

Электрические колебания могут возникать в цепи, содержащей индуктивность и емкость. Такая цепь называется колебательным контуром.

Для того, чтобы вызвать в контуре колебания, нужно при-соединить отключенный от индук-тивности конденсатор к источнику тока. При этом на обкладках конденсатора возникнут разноимен-ные заряды , и контур будет обладать энергией равной энергии заряженного конденсатора .

Если отключить источник тока и замкнуть конденсатор на индуктивность, емкость начнет разряжаться и по цепи потечет ток.

Конденсатор начнет разря-жаться и ток в контуре будет нарастать, т.к. к убывающему разрядному току по закону Ленца прибавляется ток самоиндукции одинакового с разрядным током направления.

По мере уменьшения заряда на обкладках конденсатора его электрическая энергия будет убывать. Эта убыль электрической энергии конденсатора возмещается увеличением энергии магнитного поля катушки. Эта энергия равна . В момент, когда напряжение на конденсаторе и, следовательно, энергия электрического поля обратится в нуль, ток достигнет максимального значения.

Начиная с этого момента, ток в контуре будет течь только за счет ЭДС самоиндукции. Так как разрядный ток больше не течет, и никакого изменения магнитного потока, пронизывающего контур, не происходит, то индукционный ток начнет уменьшаться, продолжая перезаряжать конденсатор.

Когда ток прекратится, энергия магнитного поля катушки , а величина электрической энергии примет прежнее значение, заряды на обкладках конденсатора достигнут прежней величины и лишь поме-няются знаками.

Затем возникает ток обратного направления, конденсатор снова перезаряжается, и весь процесс будет повторяться (см. «в» и «д»).

Таким образом, в контуре возникнут колебания заряда – или тока. Поэтому такую цепь называют колебательным контуром.

Электрические колебания в колебательном контуре можно сопо-ставить с колебаниями материальной точки под действием квазиупругих сил (см. на рисунках справа). В этом случае происходит непрерывный переход потенциальной энергии ма-териальной точки в кинетическую. Такое сопоставление наталкивает на мысль, что электрические колебания в контуре должны происходить по гармоническому закону.

Убедимся в правильности этого предположения.

При заряд на обкладках конденсатора равен . При замыкании ключа возникает ток , который вызывает в катушке ЭДС самоиндукции

.

Согласно ІІ-му закону Кирхгофа сумма падений напряжений в любом замкнутом контуре равна сумме ЭДС, действующих в этом контуре.

Т.к в нашем случае , то тоже равно нулю. Остается лишь падение напряжения между обкладками конденсатора . Единственной ЭДС в контуре будет следовательно, уравнение Кирхгофа примет вид:

или

. ()

Разделим на () обе части этого уравнения

.

Так как , то . Тогда

.

Обозначим через , тогда

.

Решением этого дифференциального уравнения будет функция

.

Таким образом, заряд на обкладках конденсатора изменяется по гармоническому закону с частотой . Эта частота называется собственной частотой контура.

Период колебаний будет равен

.

Это так называемая формула Томсона.

Так как , то подставив вместо его выражение и продифференцировав его по , получим

.

Из тригонометрии нам известно, что . Следовательно,

.

Напряжение на конденсаторе отличается от заряда множителем (). Следовательно,

.

Обозначив через и через ,получим

,

.

Таким образом, в колебательном контуре, состоящем из индуктивности и емкости, при отсутствии омического сопротивления и каких-либо потерь энергии, электромагнитные колебания заряда и тока будут гармоническими с периодом, зависящим только от параметров контура и .

Энергия колебаний контура, равная сумме энергий электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки, с течением времени не будет изменяться, т.е.

.

Это значит, что колебания в контуре, как и в механических системах, представляют собой периодическое превращение одного вида энергии в другой и обратно.

Свободные затухающие колебания

Всякий реальный контур обладает омическим сопротивлением. Энергия, запасенная в контуре, постепенно расходуется на нагревание этого сопротивления, вследствие чего колебания затухают. Кроме этого часть энергии колебаний контура будет расходоваться на излучение энергии в окружающее пространство и на потери в диэлектрике конденсаторе. Однако эти потери незначительны по сравнению с потерями на нагревание сопротивления и в дальнейшем им будем пренебрегать.

Запишем для нашего контура уравнение второго закона Кирхгофа. Падение напряжения на омическом сопро-тивлении будет равно , на индуктивности и на емкости . Никакой ЭДС в контуре нет. Следовательно,

. (:)

Разделив на , получим

.

Т.к. , то .

Тогда

.

Мы знаем, что . Обозначив через (коэффициент затухания), получим

.

Это уравнение совпадает по своему виду с дифференциальным уравнением затухающих механических колебаний.

Решением этого дифференциального уравнения будет функция

,

где .

Подставив вместо и их выражения, получим

.

Таким образом, при замыкании заряженного конденсатора на цепь, состоящую из последовательно соединенных индуктивности и омического сопротивления, заряд на обкладках конденсатора совершает затухающие колебания.

Напряжение на конденсаторе можно найти, разделив выражение для «» на . Тогда

или, обозначив через , получим

.

Для того чтобы найти силу тока, проходящего в цепи, продифференцируем по времени выражение для «». Тогда

.

График зависимости заряда на обкладках конденсатора в функции от времени изображен ниже.

Графики для напряжения и силы тока имеют аналогичный вид.

Период затухающих электромагнитных колебаний, согласно определению, равен

.

Как видно из этой формулы, если сопротивление контура настолько мало, что , то период колебаний . С увеличением сопротивления период колебания возрастает и при обращается в бесконечность.

Если при изменение заряда на обкладках конденсатора не носит колебательного характера, то разряд конденсатора будет апериодическим. Решение дифференциального уравнения в этом случае имеет вид:

.

Как видно из этой формулы для этого случая заряд убывает со временем экспоненциально.

Величина называется волновым сопротивлением контура.

Затухание электромагнитных колебаний характеризуется логарифмическим декрементом затухания. Обозначим его через . Тогда, согласно определению,

,

где и - амплитуды двух последующих колебаний, отличающихся друг от друга на период.

Величина обратно пропорциональная логарифмическому декременту называется добротностью контура. Обозначается она буквой .

.

Или с учетом того, что ,

.

Умножим и разделим правую часть уравнения на 2. тогда

.

Т.к. , то .

Если затухание электромагнитных колебаний невелико, то . Т. к. , то . Тогда

.

Так как , то формула для примет вид

.

Так как амплитуда силы тока в контуре убывает пропорционально величине , то энергия, запасенная в контуре, убывает пропорционально величине .

Относительное изменение энергии контура за один период равно

.

Т.к. , то .

При незначительном затухании, т.е. при величину можно приблизительно считать равной , т.е. .

Тогда

.

Величина логарифмического декремента затухания , как мы уже знаем, связана с величиной добротности контура соотношением

или .

Подставив это значение в предыдущее выражение, получим

.

Или, записав это выражение иначе,

.

Этот вывод можно сформулировать следующим образом:

При слабом затухании добротность контура пропорциональна отношению энергии запасенной в контуре к убыли этой энергии за один период колебаний.

Дата добавления: 2014-01-07