Для дальнейшего изучения материала, Вам необходимо познакомиться с основными понятиями теоретической электротехники. В предыдущем разделе Вы уже встречались с такими терминами, как ток, напряжение, мощность, электромагнитное поле. Теперь настало время разобраться, что скрывается за этими понятиями, то есть какова их физическая сущность.
Известно, что все тела в природе состоят из атомов. В центре атома находится ядро, вокруг которого движутся электроны (рис. 2.1).
Рис. 2.1 Схема атома водорода
Электроны удерживаются на орбите благодаря взаимодействию электрических зарядов. Дело в том, что ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный. Известно, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Поэтому ядро удерживает электроны в атоме. Суммарный заряд атома равен нулю, в связи, с чем мы не наблюдаем электрических сил притяжения и отталкивания между окружающими нас телами. Однако все меняется, если приложить усилие. Проведем простой эксперимент, который можно проделать даже в домашних условиях. Положите на столе маленький кусочек бумаги. Возьмите обычную пластмассовую шариковую ручку и натрите ее кусочком шерстяной ткани. Теперь поднесите ручку к листочку бумаги. Вы увидите, что листочек притянется.
Почему это происходит? Дело в том, что при натирании часть электронов переходит с ручки на шерстяную ткань. При этом на ручке нарушается баланс зарядов, возникает дефицит электронов, и она становится положительно заряженной. Когда такую ручку подносят к листочку бумаги, часть электронов с бумаги стремится перейти на ручку, что приводит к притяжению листочка.
Силы, которые удерживают электроны у ядра, создаются электрическим полем. Каждый электрический заряд окружен создаваемым им электрическим полем. При электризации тел трением происходит тесный контакт между атомами двух тел, в результате электроны одних атомов попадают в поля ядер других атомов и отрываются ими.
В зависимости от того, насколько прочно электроны удерживаются в твердом теле, они разделяются на изоляторы и проводники. В изоляторах все электроны прочно удерживаются вблизи ядер. В них атомы расположены настолько близко друг к другу, что электроны удерживаются на месте не только электрическим полем своего ядра, но и соседних, не давая им перемещаться в пространстве. К таким материалам относятся стекло, парафин, фарфор, эбонит. В металлах часть электронов почти свободно странствует по всему объему тела, поэтому они являются хорошими проводниками электричества. К таким материалам относятся медь, алюминий, серебро.
Таким образом, действие электрического поля вызывает движение электронов. В металлических проводниках под действием электрического поля возникает упорядоченное движение электронов. Это движение называется электрическим током. Протекание тока в проводнике вызывает его нагрев. Чем интенсивнее поток электронов, тем сильнее нагревается проводник. Это действие тока широко используется в таких приемниках электроэнергии, как чайники, кипятильники, утюги и обогреватели, в которых электрическая энергия превращается в тепловую.
Нагрев зависит от силы тока, под которой понимается количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени. На практике сила тока обозначается латинской буквой I, а единицей измерения является ампер [ А ]. Измеряют силу тока с помощью специального прибора амперметра, включаемого в цепь последовательно с источником тока и электроприемником, в котором мы хотим проконтролировать силу тока.
Интересен еще один факт – оказывается вокруг проводника, по которому течет ток, создается магнитное поле. Понять магнитные свойства тока значительно сложнее.
| |
| а) | б) |
| Рис. 2.2 Магнит и электромагнит S – южный полюс магнита; N – северный полюс магнита. |
Рассмотрим простой пример. Если взять магнит и поднести его к железным предметам, они притянутся (рис. 2.2. а). Очень похоже на притяжение кусочка бумаги натертой пластиковой ручкой. Теперь, если намотать на картонный цилиндр проволоку и подключить ее к источнику тока (гальванической батарее), опилки также начнут притягиваться к такому «электромагниту» (рис. 2.2.б). Это доказывает наличие магнитного поля вокруг проводника. Но самое интересное, это то, что магнитные и электрические поля взаимосвязаны. Вспомним опыт Майкла Фарадея с проволочной катушкой и обычным магнитом.
Рис. 2.3 Схема опыта Майкла Фарадея.
При быстром движении магнита внутри проволочной катушки магнитное поле возбуждает (индуцирует) в витках проволоки электродвижущую силу (ЭДС), которая приводит в движение электроны, и, в результате, по проволоке начинает протекать ток, о чем свидетельствует отклонение стрелки гальванометра. Причем неважно – проталкивать магнит, внутри катушки или двигать катушку относительно магнита, эффект будет одинаковым. Это свойство в дальнейшем понадобится для понимания принципа работы генераторов и трансформаторов. Сама возможность создания электромагнитов широко используется в промышленности и быту. Электромагнит можно увидеть на заводах по переработке металлолома, они встречаются в обыкновенных дверных звонках.
Но вернемся к току. Помимо интенсивности (силы тока), ток характеризуется направлением. Направление тока в проводнике зависит от полярности приложенного напряжения (электродвижущей силы). Электрическое поле, совершает работу, перемещая электроны от одного конца проводника к другому. Эта работа (энергия электрического поля) при перемещении им единичного заряда по проводнику зависит от напряжения. Напряжение обозначается латинской буквой U, а единицей измерения является вольт [ В ]. Прибор, с помощью которого измеряют напряжение, называют вольтметром.
Если движение электронов происходит в одном направлении, то ток называется постоянным. Если поток электронов изменяется во времени по величине и изменяет при этом свое направление, то такой ток называется переменным (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Постоянный и синусоидальный ток.
Как видно из рисунка, мгновенные значения синусоидального тока меняются с течением времени. При этом меняется как сила тока, так и его направление. Интервал времени, по истечении которого повторяются все мгновенные значения, называют периодом электрического тока, а число периодов в секунду – частотой. Частота обозначается латинской буквой f, измеряется в герцах [ Гц ].
Сила тока в проводнике зависит не только от напряжения, а ещё и от самого проводника: длины, сечения, и, как уже отмечалось ранее, материала, из которого он сделан.
Представьте себе, что мы взяли кусок медной проволоки длиной 100 метров с поперечным сечением в 4 квадратных миллиметра. Создадим на концах проволоки напряжение (разность потенциалов) в один вольт. Амперметр, установленный последовательно с проволокой покажет нам силу тока в 2,2 ампера. При том же напряжении в железной проволоке такой же длины и сечения амперметр покажет только 0,44 А. Это отличие вызвано различным удельным электрическим сопротивлением [ ρ ] железа и меди, то есть сопротивлением этих материалов движению электронов внутри. Сопротивление меди меньше, а сопротивление железа больше.
Сопротивление зависит также от поперечного сечения проводника [ F ] и его длины [ L ]. Короткий проводник с большим поперечным сечением оказывает меньшее сопротивление электрическому току, чем длинный и тонкий. Электрическое сопротивление обозначается латинской буквой R, и измеряется в Омах [ Ом ]. В соответствии с вышесказанным:
. (2.1)
Самое время внести небольшое уточнение: говоря об упорядоченном потоке электронов, может возникнуть представление, что электроны перетекают от начала проводника к концу. В действительности электроны пробегают очень короткий путь, сталкиваются с атомами, передавая им энергию, запасенную во время движения в электрическом поле. Свободные электроны металлов как бы передают эстафету от атома к атому, совершая колебательные движения. Это явление можно сравнить с движением волн, бегущих по поверхности моря.
Для участка электрической сети постоянного тока между напряжением, током и сопротивлением существует взаимосвязь, которую опытным путем в 1827 году установил немецкий ученый Георг Симон Ом ( 1787 – 1854 ). Закон Ома в общепринятых символах (I – ток, U – напряжение, R – сопротивление), можно записать в следующем виде:
, (2.2)
то есть сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению этого участка.
Следующей важной характеристикой, применяемой в электротехнике, является мощность. В общем случае мощность – это работа, произведенная в единицу времени. В электротехнике мощность – это скорость преобразования электрической энергии в другую энергию. Как уже отмечалось выше, протекание тока по проводнику вызывает его нагрев. При этом электрическая энергия превращается в тепловую энергию. Скорость этого превращения характеризуется активной мощностью, которая обозначается латинской буквой P и измеряется в ваттах (Вт). Между током, сопротивлением проводника и активной мощностью существует связь, которую можно представить в условных обозначениях в следующем виде:
P = I 2× R. (2.3)
Из выражения (2.3) видно, что, чем больше сопротивление и ток, тем больше совершаемая работа (в простейшем случае большее выделения тепла). Вспомните, когда мы говорили об истории электротехники, то упоминали Павла Львовича Шиллинга, которому не были известны приведенные закономерности, из-за чего ему пришлось подбирать сечение проволоки в кабеле опытным путем. Первые образцы его линий сгорали, так как при протекании тока выделялось такое количество тепла, что повышение температуры приводило к расплавлению проволоки. Пользуясь законом Ома (2.2), выражение для определения мощности можно записать в виде:
P = I × U. (2.4)
Необходимо подчеркнуть, что всю полезную работу совершает именно активная мощность. В процессе передачи электрической энергии от станций к приемникам часть ее затрачивается на нагрев элементов сети, а в самих электроприемниках она превращается в тепловую (нагревательные элементы), лучистую (источники света), механическую (электродвигатели) и другие виды энергии.
При передаче электрической энергии переменным током возникает необходимость ввести понятие ещё одной мощности – реактивной. Дело в том, что при протекании переменного тока по проводнику вокруг него создается магнитное и электрическое поле. Каждый из элементов электрической сети, способный накапливать электроэнергию, дважды за период запасает и отдает ее другим элементам. Изменение запаса электроэнергии в элементе электрической цепи, не расходующем её, как раз и характеризуется так называемой реактивной мощностью, которая обозначается латинской буквой Q и измеряется в вольтамперах реактивных (варах) [ вар ]. В электроэнергетике, говоря о мощности, потребляемой каким-либо электроприемником, говорят об активной и реактивной мощностях, где активная мощность идет на совершение полезной работы, а реактивная мощность – на создание электромагнитных полей. Поэтому ток в цепи определяется полной мощностью, которая рассчитывается по значениям активной и реактивной мощности по выражению:
. (2.5)
Здесь полная мощность обозначена латинской буквой S. Она измеряется в вольт-амперах [ В·А ]. Для управления реактивной мощностью в электрических сетях применяют специальные устройства, конденсаторы и реакторы. Конденсатор – устройство, при протекании тока по которому, создается электрическое поле, и его называют источником реактивной мощности. В реакторе – создается магнитное поле, то есть он является потребителем реактивной мощности.
Последнее понятие, которое необходимо рассмотреть, это электрическая энергия. В общем случае активная энергия – это работа, совершенная на заданном промежутке времени. Из определения видно, что произведение мощности, потребляемой или вырабатываемой электроустановкой, на время ее работы и даст нам энергию:
,
где t – время работы установки, P – активная мощность, потребляемая (вырабатываемая) установкой. Активная электрическая энергия измеряется в Ватт·часах [ Вт·ч ]. Измеряется электрическая энергия счетчиками. По показаниям счетчиков мы оплачиваем электрическую энергию, потребляемую электроприемниками в наших квартирах.
По аналогии с активной энергией можно ввести и понятие реактивной энергии (ЭQ), которая является только расчетной величиной, так как при этом никакой работы не совершается:
,
где t – время работы установки, Q – реактивная мощность, потребляемая (вырабатываемая) установкой.
Используемая литература:
1. Теоретические основы элеткротехники: В 3-х т. Учебник для вузов. 4-е изд. / К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин. – СПб.: Питер, 2006. – 463 с.
2. Электричество в пути. / М.С. Либкинд, И.М. Маркович – Изд. 2-е. М., «Энергия», 1975.
3. В мире энергетики. Пособие для слушателей народных университетов технического прогресса. / Ю.Н. Астахов, В.А. Веников, Э.Н. Зуев, В.Ю. Стеклов – М., «Знание», 1967.
4. Электрический ток. / Э.И. Адирович – М., «Государственное издательство технико-теоретической литературы», 1950.
5. Введение в специальность: Электроэнергетика: Учеб. Для вузов / Под ред. В.А. Веникова. – 2-е изд. – М.: Высш. Шк., 1988. – 239 с.
