Тема № 2. Работа и мощность  электрического тока. Свойства электрического тока.

Лекция 2 часа.

 

Работа электрического тока

При прохождении по цепи электрический ток совершает работу, при этом электрическая энергия источника тока превращается в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т.д.) Работа электрического тока математически выражается произведением напряжения, силы тока и времени действия.

 

  Работа А  электрического тока на участке цепи с электрическим сопротивлением R за время ∆ t равна: 

А = I – U – t =   I ² – R – t

Работа измеряется в ватт – секундах, ватт – часах или в киловатт – часах. За единицу работы принят   джоуль, или ватт-секунда, т.е. работа, совершаемая током в 1 ампер при напряжении 1 вольт за 1 секунду.

  Мощностью называется работа, совершаемая током в единицу времени.

Мощность электрического тока математически выражается отношением работы тока А ко времени ∆ t. за которое эта работа совершена:

   где,

P –	мощность тока, Вт
I  –	сила тока, А
U –	электрическое напряжение, В

   

Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается хотя бы одним из особых явлений – действий тока. Известно три действия тока: химическое, магнитное и тепловое.

Тепловое действие тока.

 

Если на участке цепи под действием электрического тока не совершается механическая работа, и не происходят химические превращения, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна количеству тепла, выделяемого для нагревания проводника при протекании по нему электрического тока. Количество выделяемого тепла определяется по закону Джоуля – Ленца:

Q = А = 0,24 I ² R t (калорий).

    

Переводной коэффициент «0,24» - это количество тепла, выделяемого в проводнике, имеющем сопротивление 1 ом при прохождении через него тока силой в 1 ампер в течение 1 секунды.

Одна малая калория (или просто калория) -количество тепла, которое необходимо для нагрева воды массой в 1 грамм на 1 градус Цельсия. Одна большая калория или килокалория равна 1000 калорий.  

 

Режим короткого замыкания.

Режим короткого замыкания – явление, когда  в цепи резко падает общее сопротивление (т.к.  образуется параллельная цепь). По закону Ома в цепи возникает большой ток, который вызывает нагрев проводников. А если учесть, что по закону Джоуля – Ленца количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока, нагрев может привести к возгоранию.

Плавкие предохранители.

Высоковольтный предохранитель Изоляционная трубка Наполнитель (среда для дугогашения) Плавкая вставка (легкоплавкий проводник). Контактный наконечник

Плавкие предохранители, как аппараты защиты предназначены для защиты электрической цепи от больших токов. Действие плавких предохранителей основано на использовании теплового действия тока. При повышении тока выше допустимого выделяется большое количество теплоты, проводник плавится и разрывает цепь, предохраняя ее от тока перегрузки или короткого замыкания.

  На вагоне применяются предохранители для защиты высоковольтных  и низковольтных цепей.

Высоковольтные предохранители – неразборные, их «заправляют» на специальном участке, подбирая провода определенного сечения. На корпусе делается маркировка величины тока, на которую рассчитан данный предохранитель.

Предохранители низковольтной цепи – разборные, в них применяются специальные плавкие вставки. Запасные предохранители всегда должны быть в вагонной сумке. Выезжать из парка без запасных предохранителей недопустимо.

 

 

Химическое действие тока.

Растворы солей, кислот и щелочей в воде называются ЭЛЕКТРОЛИТАМИ. Электролиты проводят электрический ток. Это объясняется тем, что молекулы вещества в растворе делятся на ИОНЫ, т.е. частицы, несущие заряды. Ионы водорода и металлов несут положительный заряд и под воздействием напряжения между электродами движутся по направлению к КАТОДУ (отрицательному электроду). Здесь, забирая у катода электроны, они нейтрализуются и оседают на нем. Ионы остальных веществ заряжаются отрицательно и под воздействием напряжения движутся в АНОДУ (положительному электроду). Здесь, отдавая ему электроны, они нейтрализуются и оседают на нем. Следовательно, электрический ток в электролитах представляет собой движение ионов. Химическое действие тока широко используется в технике. При электролизе производится покрытие металлических предметов слоем другого металла (гальваностегия), очистка меди, получение чистого алюминия и т.д. На химическом действии тока основана работа аккумулятора.

  Аккумулятором называется прибор, способный в результате химических процессов накапливать электрическую энергию и хранить ее в течение определенного времени. В зависимости от используемого электролита аккумуляторы бывают кислотные и щелочные. В качестве электролита в щелочном аккумуляторе используется 20% - ный водный раствор химически чистого едкого натра. Пластины в щелочных аккумуляторах представляют собой железные решетки с различной активной массой. В положительных пластинах в качестве активной массы используется соединение водной окиси никеля, графита и электролитического никеля, а в отрицательных – губчатое железо с гидроокисью кадмия.

В отличие от кислотных, щелочные аккумуляторы не требуют тщательного ухода, они не боятся сотрясений, могут долго оставаться в разряженном состоянии, без повреждений выносят короткие замыкания, которые для кислотных аккумуляторов очень опасны.

Недостатки щелочных аккумуляторов: меньшее рабочее напряжение, меньший КПД (порядка 60%),большое внутреннее сопротивление.

Как одна из технических характеристик аккумулятора, существует такое понятие, как ЕМКОСТЬ АККУМУЛЯТОРА. Это количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде его определенным током до минимально допустимого напряжения. Емкость батареи измеряется в ампер – часах. 

На трамвайном вагоне «ЛМ-68М» применяется никель – кадмиевая щелочная аккумуляторная батарея «НК-125». Батарея состоит из 20 элементов, соединенных последовательно. Общее напряжение – 24 вольта. Емкость батареи – 125 ампер – часов.      

Тема № 3. Магнетизм. Электромагнетизм. Электромагнитная индукция.

Лекция 2 часа.

Кусок стали, обладающий свойством притягивать к себе стальные частицы, находящиеся на небольшом расстоянии, называется МАГНИТОМ, а само явление – МАГНЕТИЗМОМ. Магнит, выполненный в виде прямоугольного бруска, обладает наибольшей силой притяжения у концов. В средней части притяжение равно нулю. Места магнита, обладающие наибольшей силой притяжения, называются полюсами.

Прямоугольный магнит, подвешенный на нитке в горизонтальном направлении, устанавливается всегда так, что один его конец обращен на север, а другой – на юг. Подобное явление вызвано тем, что земля сама является магнитом, а магниты обладают свойством притяжения разноименных полюсов и отталкивания одноименных. Конец магнита, обращенный к северу, называется СЕВЕРНЫМ ПОЛЮСОМ и обозначается буквой «N»; конец, обращенный к югу, называется ЮЖНЫМ ПОЛЮСОМ и обозначается буквой «S».

Пространство, в котором проявляется действие магнита, называется магнитным полем. Те линии, в направлении которых действуют силы магнита, называются магнитными силовыми линиями. Расположение магнитных силовых линий будет отчетливо видно, если на магнит положить лист бумаги и насыпать на него мелкие стальные опилки. Магнитные силовые линии могут иметь различную длину, разнообразную геометрическую форму, но обязательно являются замкнутой линией. Условно считают, что магнитные силовые линии направлены от северного полюса к южному.

Один и тот же кусок стали можно намагнитить сильнее или слабее. Силу магнита условились определять числом магнитных силовых линий.   Чем сильнее намагничен магнит, тем гуще расположены магнитные силовые линии. Общее число магнитных силовых линий называется магнитным потоком и обозначается буквой «Ф».                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

         

 

Магнитное действие тока (электромагнетизм).

 

При наличии в проводнике тока, вокруг него возникает магнитное поле. Если проводник с током пропустить через лист бумаги с насыпанными на него стальными опилками, то опилки расположатся вокруг проводника по окружности. Магнитное поле существует только в то время, когда по проводнику пропущен ток. Если изменить направление тока в проводнике, то направление магнитных силовых линий изменится на обратное. Это можно определить при помощи легкой магнитной стрелки (например, от компаса). Направление магнитных силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током можно определить по правилу «буравчика». «Если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика покажет направление магнитных силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током».  

 

 

	Силовые линии магнитного поля располагаются в плоскостях перпендикулярных проводнику и имеют форму концентрических окружностей.
	Направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током можно определить, например, «правилом буравчика». т.е. – «если буравчик ввинчивать по направлению тока, то рукоятка будет вращаться по направлению силовых линий магнитного поля».
	Если проводник изогнуть в форме кольца и по данному кольцу пропустить ток, то все магнитные силовые линии внутри кольца будут направлены в одну сторону, а вне кольца в противоположную.
	Если намотать несколько витков проводника в одну сторону, то получится катушка. И по этой катушке пропустить ток, то вокруг неё так же образуется магнитное поле, по форме полностью совпадающее с магнитным полем прямолинейного магнита. Направление силовых линий магнитного поля зависит от направления тока. Число магнитных силовых линий катушки тем больше, чем большее число витков имеет катушка и чем больший ток по ней протекает. Для определения полюсов катушки (соленоида) существует правило: если взять катушку в правую руку так, чтобы пальцы совпадали с направлением тока, то отставленный большой палец покажет направление магнитного поля внутри катушки, т.е. северный полюс.
	Если  внутрь катушки поместить стальной сердечник (ферромагнетик), то он будет значительно усиливать начальное значение магнитного потока, и значит усиливать силу притяжения. Магнитный поток в стали образуется значительно легче, чем в воздухе, поэтому в электрических машинах и аппаратах все участки, несущие магнитные потоки, изготавливаются из чугуна или стали.
Катушка со стальным сердечником - это электромагнит.

После размыкания цепи и исчезновения тока в катушке электромагнита, магнитные свойства сердечника не исчезают совершенно, в нем остается некоторый магнетизм, называемый остаточным.

Проводник с током в магнитном поле. Электромагнитная индукция.

           

       Если проводник поместить в магнитное поле и пропустить по проводнику ток, то проводник начнёт двигаться перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.

       Это происходит в результате взаимодействия 2-х магнитных полей: магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля, образующегося  вокруг проводника с током.

 

Условно принято изображать сечение проводника в виде окружности 〇, а направление тока в нём изображается стрелой с оперением. Если в центре окружности стоит точка , то ток направлен к нам. Если ток в проводнике направлен от нас, в окружности стоит крестик Å.

 

       Для определения направления движения проводника с током в магнитном поле пользуются правилом «левой руки».

 

Правило левой руки. «Если положить ладонь так, чтобы вытянутые пальцы указывали направление тока, а линии магнитного поля входят в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление электромагнитной силы F, действующий на проводник».