Основные понятия, определения и законы электротехники

Введение

Первая
информация об электричестве, появившаяся много веков назад, касалась
электрических «зарядов», получаемых трением. Еще в древности люди
знали, что янтарь, потертый на шерсти, способен притягивать легкие предметы. Но
только в конце XVI века английский врач Гилберт детально изучил это явление и
обнаружил, что точно такие же свойства обладают и многие другие вещества. Он
называл тела, которые способны притягивать легкие предметы после натирания,
например, янтарь, наэлектризованный. Слово происходит от греческого электрона,
«янтарь». Сейчас мы говорим, что в этом государстве органы имеют
электрический заряд, а сами органы называют «заряженными».

При
тесном контакте различных веществ всегда возникает электрический заряд. Когда
тела твердые, их тесный контакт предотвращается микроскопическими проекциями и
неровностями на их поверхности. Сжимая и натирая такие тела, мы сближаем их
поверхности, которые без давления соприкасались бы лишь в нескольких точках. В
одних организмах электрические заряды могут свободно перемещаться между
различными частями, в других это невозможно. В первом случае корпуса называются
«проводниками», а во втором — «диэлектриками или
изоляторами». Все металлы, водные растворы солей и кислот и т.д. являются
проводниками. Примерами изоляторов являются янтарь, кварц, эбонит и все газы
при нормальных условиях.

Однако следует отметить, что деление тел на проводники и диэлектрики очень условно. Все материалы в большей или меньшей степени проводят электричество. Электрический заряд может быть положительным и отрицательным. Этот тип тока не будет длиться долго, потому что электрифицированное тело разряжается. Для поддержания электрического тока в проводнике должно поддерживаться электрическое поле. Для этого используются источники электроэнергии. Самый простой случай электрического тока — это когда один конец провода подключен к электрифицированному телу, а другой — к земле.

Электрические
цепи, питающие электричество от ламп накаливания и электродвигателей, появились
только после изобретения батарей, которое датируется примерно 1800 годом. После
этого учение об электричестве развивалось настолько стремительно, что менее чем
через столетие оно не только стало частью физики, но и стало основой новой
электрической цивилизации.

Основные токовые величины

При возникновении в цепи электрического тока, происходит постоянный перенос заряда через поперечное сечение проводника. Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, называется силой тока, измеряемой в амперах.

Для того чтобы создать и поддерживать движение заряженных частиц, необходимо воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такого действия, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как напряженность электрического поля. Именно она вызывает разность потенциалов или напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется специальная единица – вольт. Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который будет рассмотрен подробно.

Важнейшей характеристикой проводника, непосредственно связанной с электрическим током, является сопротивление, измеряемое в омах. Данная величина является своеобразным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В результате воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления увеличивается. Величина в 1 Ом возникает, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока – 1 А.

1.2. Пассивные элементы схемы замещения

Простейшими пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность и емкость. В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д. Общим свойством всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве. В схеме замещения во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление.

Сопротивление проводника определяется по формуле

(1.1)

где l — длина проводника; S — сечение; ρ — удельное сопротивление.

Сопротивление измеряется в омах (Ом), а проводимость — в сименсах (См).

Сопротивление пассивного участка цепи в общем случае определяется по формуле

где P — потребляемая мощность; I — ток. Сопротивление в схеме замещения изображается следующим образом:

Индуктивность катушки, измеряемая в генри , определяется по формуле

где W — число витков катушки; Ф — магнитный поток катушки, возбуждаемый током i.

На рисунке показано изображение индуктивности в схеме замещения.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф), определяется по формуле:

где q — заряд на обкладках конденсатора; Uс — напряжение на конденсаторе.

На рисунке показано изображение емкости в схеме замещения

1.2. Пассивные элементы схемы замещения

Простейшими пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность и емкость.
В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д. Общим свойством всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве. В схеме замещения во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление.

Сопротивление проводника определяется по формуле

      (1.1)

где l — длина проводника;
S — сечение;
ρ — удельное сопротивление.

Проводимость —
это величина, обратная сопротивлению.

Сопротивление измеряется в омах (Ом), а проводимость — в сименсах (См).

Сопротивление пассивного участка цепи в общем случае определяется по формуле

где P — потребляемая мощность;
I — ток.
Сопротивление в схеме замещения изображается следующим образом:

Индуктивность —
это идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность цепи накапливать магнитное поле. Полагают, что индуктивностью обладают только индуктивные катушки. Индуктивностью других элементов электрической цепи пренебрегают.

Индуктивность катушки, измеряемая в генри , определяется по формуле

где W — число витков катушки;
Ф — магнитный поток катушки, возбуждаемый током i.

На рисунке показано изображение индуктивности в схеме замещения.

Емкость —
это идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность участка электрической цепи накапливать электрическое поле. Полагают, что емкостью обладают только конденсаторы. Емкостью остальных элементов цепи пренебрегают.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф), определяется по формуле:

где q — заряд на обкладках конденсатора;
Uс — напряжение на конденсаторе.

На рисунке показано изображение емкости в схеме замещения

Азы электроники для чайников

Книга «Электроника для чайников» содержит сотни микросхем и фотографий, позволяющих даже самому далекому от этого дела человеку разобраться в принципах электроники. Подробнейшие советы и инструкции по проведению опытов помогут разобраться, как функционируют те или иные электронные детали. Также материал содержит рекомендации по выбору важнейших инструментов для работы в этой области и их полные описания.

Важно! По мере ознакомления с каждой главой читатель постепенно погружается в предмет, который увлекает его все больше и больше. Теоретические знания закрепляются практикой путем сборки простейших, но интересных устройств. Книга содержит следующие разделы:

Книга содержит следующие разделы:

• «Основы теории электрических цепей», в котором дается определение напряжению, силе тока, проводникам, рассеиваемой мощности.
• «Компоненты электросхем», где рассказывается о том, как простейшие элементы по типу резисторов, транзисторов, диодов и конденсаторов управляют током и задают его характеристики.
• «Электрические схемы универсального предназначения». Здесь будет рассказано, как использовать простейшие цифровые и аналоговые схемы в сложных устройствах.
• «Анализ электрических цепей», который познакомит с основными законами электроники и научит управлять силой тока и напряжением в электрической сети, научит применять эти закономерности на практике.
• «Техника безопасности и рекомендации по ней». Этот раздел обучит безопасной работе с электрическими цепями и током в целом, поможет защищать себя и свои приборы от поражения током.

Обложка книги «Электроника для чайников»

Параллельное подключение – параллельная цепь

При параллельном подключении, к каждому потребителю прикладывается одинаковое напряжение, а вот ток через каждый из потребителей, в случае, если их сопротивление отличается – будет отличаться.

Закон Ома для параллельной цепи, состоящей из трех потребителей, будет иметь вид:

При параллельном соединении общее сопротивление цепи всегда будет меньше значения самого маленького отдельного сопротивления. Или еще говорят, что «сопротивление будет меньше наименьшего».

Общее сопротивление цепи, состоящей из двух потребителей, при параллельном соединении:

Общее сопротивление цепи, состоящей из трех потребителей, при параллельном соединении:

Для большего числа потребителей расчет производится исходя из того, что при параллельном соединении проводимость (величина обратная сопротивлению) рассчитывается как сумма проводимостей каждого потребителя.

Электродинамика: понятие и предмет изучения

Определение 1

Электродинамика – это раздел физики, который изучает электромагнитное поле (временные поля, которые зависят от времени), а также его взаимодействие с теми телами, что имеют электрический заряд.

Предмет электродинамики включает в себя изучение:

• связи магнитных и электрических явлений;
• электромагнитного излучения, которое рассматривается в различных условиях (как свободное взаимодействие с веществом);
• электрического переменного тока;
• взаимодействие тока с электромагнитным полем (электрический ток может рассматриваться как совокупность заряженных частиц).

Любое магнитное и электрическое взаимодействие между заряженными частицами изучается в физике как действие, которое осуществляется посредством электромагнитного поля, следовательно, также является предметом электродинамики.

Замечание 1

Зачастую под термином «электродинамика» понимается именно классическая электродинамика, которая описывает непрерывные свойства электромагнитного поля при помощи системы уравнений Максвелла. Для того чтобы обозначить современную квантовую теорию электромагнитного поля, применяется термин «квантовая электродинамика».

Требуется консультация по учебной работе? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос

Как работает электричество, электризация

Положительный и отрицательный ионы

Как уже было отмечено, по умолчанию, атом электрически нейтрален: положительный и отрицательный заряды равны. Они компенсируют другу друга. Но, если, вдруг, представить себе, что хотя-бы один электрон покинет сове место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов превысит отрицательный заряд всех оставшихся электронов. Поэтому такой атом в целом имеет свойства положительного заряда и называется положительный ион.

Электризация

Атом, получивший дополнительный электрон, будет иметь в преобладающей степени отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательный ион.

Следует заметить, что не только атом будет иметь положительный или отрицательный заряд, но и молекула, а соответственно и вещество, которое содержит данный атом.

Электризация

Электризацией называют процесс получения дополнительного электрона, либо наоборот его потерю. Если какое-либо тело имеет избыток или нехватку электронов, то есть явно выраженный заряд какого либо знака, то говорят, что тело наэлектризовано.

Опытным путем установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Подобный опыт можно повторить следующим очень известным образом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Далее придать одному шарику положительный заряд, а второму отрицательный. В результате шарики притянутся друг к другу. Если двум шарикам сообщить заряд одного знака, то они будут отталкиваться.

Электризация трением

А вот, при натирании стеклянной палочки шелком, все происходит наоборот. Электроны поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет перевеса суммарного заряда протонов.

Электризация металла

Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например кусок металла, то при натирании его о диэлектрик, образовавшийся на поверхности металла заряд, мгновенно уйдет в землю через наше тело и другие предметы. Поскольку в отличии от рассматриваемых диэлектриков наше тело обладает относительно хорошей проводимостью и по нему сравнительно легко перемещаются заряды.

Опыт электризации трением не получится оценить и в том случае, когда мы возьмём два металлических предмета даже с хорошо изолированными рукоятками. При взаимном трении металл об металл, как и в предыдущих опытах возникнут свободные электроны. Однако вследствие наличия неизбежной шероховатости поверхностей, не получится одновременно по всей поверхности отделить оба металлических предмета. Так, в последней точке соприкосновения двух поверхностей электроны перетекут через так называемый «мостик» пока их количество снова не станет таким же, как и до натирания.

Статическое электричество

Итак, теперь нам известно, что при натирании рассмотренных предметов, некоторые электроны получают избыточную энергию. Затем они покидают атомы одного тела, которое становится положительно заряженным. Эти электроны занимают места на орбитах атомов другого вещества. Которое, в свою очередь, приобретает свойства отрицательного заряда. При этом одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются. Силы, порождаемые зарядами, называются электрическими. А сам факт наличия электрических зарядов и их взаимодействие называют электричество.

В рассмотренных примерах получают так называемое статическое электричество.

Электрическая сила

В процессе электризации к заряженной пластмассовой палочке будут сами собой притягиваться кусочки бумаги. Почему это происходит?

Попробуем раскрыть тайну физического процесса. Она заключается в следующем. При поднесении заряженного тела к незаряженному телу под действием электрических сил происходит перемещение электронов к одному из краев тела. И этот край тела ввиду избытка электронов становится отрицательно заряженным. А противоположный край, соответственно, положительно заряженным. Средняя часть тела будет нейтрально заряженной. Таким образом, заряды смещаются по краям данного тела.

Ближе к поднесенному заряженному телу будут стремиться заряды противоположного знака. Например, если палочка заряжена положительно, то к ней притянется бумага. Той поверхностью, на которой скопились отрицательные заряды. И наоборот.

Формула закона Кулона

Основные законы электротехники

• Закон Ома
• Закон Джоуля — Ленца
• Первый закон Кирхгофа
• Второй закон Кирхгофа

Закон Ома — с этого закона начинается изучение ТОЭ и без него не может обойтись ни один электрик. Он гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению Это значит, что чем выше напряжение, поданное на сопротивление, электродвигатель, конденсатор или катушку (при соблюдении других условий неизменными), тем выше ток, протекающий по цепи. И наоборот, чем выше сопротивление, тем ниже ток.

Закон Джоуля — Ленца. С помощью этого закона можно определить количество тепла, выделившегося на нагревателе, кабеле, мощность электродвигателя или другие виды работ, выполненных электрическим током. Этот закон гласит, что количество тепла, выделяемого при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению этого проводника и времени протекания тока. С помощью этого закона определяется фактическая мощность электродвигателей, а также на основе этого закона работает электросчётчик, по которому мы платим за потреблённую электроэнергию.

Первый закон Кирхгофа. С его помощью рассчитываются кабеля и автоматы защиты при расчёте схем электроснабжения. Он гласит, что сумма токов, приходящих в любой узел равна сумме токов, уходящих из этого узла. На практике приходит один кабель из источника питания, а уходит один или несколько.

Второй закон Кирхгофа. Применяется при подключении нескольких нагрузок последовательно или нагрузки и длинного кобеля. Он также применим при подключении не от стационарного источника питания, а от аккумулятора. Он гласит, что в замкнутой цепи сумма всех падений напряжений и всех ЭДС равна 0.

Специалисты рекомендуют знать характеристики и распиновки vga-разъемов.

Электричество. Основные понятия

2013-05-13

Теория 3 комментария

В этой статье предлагаю вам вспомнить базовые понятия в электрике, без которых любая работа, связанная с электричеством становится проблематичной.

Итак, любая электрическая цепь представляет собой совокупность различных устройств, образующих путь для прохождения электрического тока. Простейшая электрическая цепь может состоять из источника энергии, нагрузки и проводников.

Проводники — вещества, проводящие электрический ток. Они обладают малым удельным сопротивлением( т.е оказывают наименьшее сопротивление прохождению тока) и способны проводить электрический ток практически без потерь. Лучшими проводниками являются золото, серебро, медь и алюминий. Наибольшее распространение, вследствии дороговизны золота и серебра, получили медь и алюминий. Медь наиболее часто встречающийся проводник, в отличии от алюминия, обладающий большей устойчивостью к окислению и физическим воздействиям: изгибу, скручеванию. Недостатком меди, по сравнению с алюминием, является более высокая стоимость.

Помимо проводников существуют также диэлектрики — вещества которые обладают большим удельным сопротивлением электрическому току (т.е являются непроводящими электрический ток). К ним относятся пластмассы, дерево, текстолит и т.д

Также надо отметить и еще один тип — полупроводники. По своему удельному сопротивлению они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Проводимость этих материалов существенно меняется под влиянием внешних факторов. К числу полупроводников относятся многие химические элементы, но наибольшее распространение получили кремний и германий.

Источник энергии — это устройство, преобразующее механическую, химическую, тепловую и другие виды энергии в электрическую.

Нагрузка — потребитель электрической энергии, т.е любой электроприбор, который преобразовывает электрическую энергию в механическую, тепловую, химическую и т.д

Электрическим током в электротехнике называют направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля, создаваемого источником питания. Величина, характеризующая ток называется сила тока. Сила тока измеряется в Амперах и обозначается буквой А. Различают постоянный и переменный токи.

Постоянный ток ( DC, по-английски Direct Current) — это ток, свойства которого и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.

Переменный ток (AC по-английски Alternating Current) — это ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах обозначается отрезком синусоиды «

». Основными параметрами переменного тока являются период, амплитуда и частота.

Период — промежуток времени, в течение которого ток совершает одно полное колебание.

Частота — величина, обратная периоду, число периодов в секунду, измеряется в герцах (Гц).

Ток и напряжение в нагрузке увеличиваются и уменьшаются, а разница между минимальным и максимальным их значением называется амплитудой.

Измерение тока проводится амперметром, который подключается последовательно нагрузке.

Основные технологические процессы в электроэнергетике

Нормативы потребления электроэнергии на человека без счетчика

Производство электроэнергии в России базируется на трёх китах энергетической системы. Это атомная, тепловая и гидроэнергетика.

Три вида генерирования электричества

Ультразвуковой способ

Студентами Пенсильванского университета (США) на недавней выставке в 2011 году был продемонстрирован способ передачи электротока с помощью ультразвука. Передатчик генерировал акустические волны в ультразвуковом диапазоне, приёмник преобразовывал их в электрический ток. В качестве носителя энергии ультразвук был выбран не случайно. Его воздействие на организм человека абсолютно безвредно.

Несовершенство этого способа заключается в том, что КПД передачи очень низкий, нужны прямая видимость между абонентами и ограниченность расстояния (7-10 метров).

Метод электромагнитной индукции

Работа обыкновенного трансформатора даёт представление о том, как осуществляется передача электричества без проводов методом электромагнитной индукции. В процессе участвуют две катушки. Магнитное поле, возбуждаемое протекающим током по виткам первичной обмотки, индуцирует электрический поток во вторичной обмотке трансформатора.

Примерами использования эффекта электромагнитной индукции могут быть зарядные устройства смартфонов и электрические зубные щётки. Недостатком такого способа передачи энергии является непременная близость катушек. Даже при небольшом увеличении промежутка между обмотками большая часть энергии начинает распыляться в пространстве.

Один из видов электромагнитной индукции – это использование резонанса. Суть способа заключается в том, что приёмник и передатчик функционируют в одном частотном диапазоне. Передающее и приёмное устройства представляют собой соленоид с одним слоем витков. Генерирующий прибор оснащён конденсаторной схемой, с помощью которой он настраивается на частоту приёмника.

Демонстрация метода электромагнитной индукции

Электростатическая индукция

В основе метода заложен принцип прохождения энергии через тело диэлектрика. Способ называют ёмкостной связью. Генератор создаёт в ёмкости электрическое поле, которое возбуждает разницу потенциалов между двумя электродами потребителя.

Никола Тесла для демонстрации беспроводной лампы освещения использовал именно метод электростатической индукции. Лампа получала питание от переменного электрического поля высокой частоты. Она светилась ровно, независимо от её перемещения в пространстве комнаты.

Микроволновое излучение

Специалисты космотехники разработали способ передачи электроэнергии от орбитальных солнечных батарей на космические корабли с помощью радиосигнала микроволнового диапазона. Проблема этого метода состоит в том, что для приёма и передачи пучкового излучения требуются антенны с очень большой диафрагмой.

Учёные НАСА в 1978 году пришли к выводу, что для передачи микроволнового луча частотой 2,45 ГГц излучающая антенна должна иметь диаметр отражающей поверхности 1 км. Приёмная ректенна должна быть диаметром 10 км. Уменьшить эти размеры возможно путём использования сверхкоротких волн. Однако сигналы такого диапазона быстро поглощаются атмосферой или блокируются дождевыми осадками.

Обратите внимание! Безопасная плотность мощности излучаемой энергии равняется 1 мВт/см2. Этой норме отвечает антенна диаметром 10 км с передающей мощностью потенциала 750 МВт

Электропроводность Земли

Существует теория использования недр и океанов Земли для беспроводной передачи энергии. Электропроводимость гидросферы, залежей металлических руд может быть использована для передачи низкочастотного переменного тока. Электростатическая индукция диэлектрических тел может возникать в огромных залежах кварцевого песка и тому подобных минералов.

Передача электрического тока возможна также через воздушное пространство методом электростатической индукции. Никола Тесла в своё время выдвинул предположение, что в будущем появятся технологии, которые для передачи электроэнергии будут использовать землю, океанические воды и атмосферу планеты.

Всемирная беспроводная система

Впервые о Всемирной беспроводной системе передачи электроэнергии стало известно от великого учёного Теслы. В 1904 году он заявил, что создание ВБС, используя высокую электрическую проводимость плазмы и Земли, вполне осуществимо.

Наука, изучающая электричество

Электричество – природное явление. Оно частично изучается в биологии, химии и физике. Наиболее полно электрические заряды рассматриваются в рамках электродинамики – одного из разделов физики.

Теории и законы электричества

Законов, которым подчиняется электричество немного, но они полностью описывают явление:

• Закон сохранения энергии – фундаментальный закон, которому подчиняются и электрические явления;
• Закон Ома – основной закон электрического тока;
• Закон электромагнитной индукции – о электромагнитном и магнитном полях;
• Закон Ампера – о взаимодействии двух проводников с токами;
• Закон Джоуля-Ленца – о тепловом эффекте электричества;
• Закон Кулон – об электростатике;
• Правила правой и левой руки – определяющие направления силовых линий магнитного поля и силы Ампера, действующей на проводник в магнитном поле;
• Правило Ленца – определяющее направление индукционного тока;
• Законы Фарадея – об электролизе.

Первые опыты с электричеством

Первые опыты с электричеством носили, в основном, развлекательный характер. Их суть была в лёгких предметах, которые притягивались и отталкивались под действием плохо изученной силы. Другой занимательный опыт – передача электричества через цепочку людей, взявшихся за руки. Физиологическое действие электричества активно изучал Жан Нолле, заставивший пройти электрический заряд через 180 человек.

Основные понятия

При изучении основ электротехники и электроники используют много формул и вычислений. В науке есть три основных понятия:

• сопротивление;
• сила тока;
• напряжение.

Вам это будет интересно Работа сторонних сил в цепи постоянного тока и источники ЭДС Силой тока называют определённое количество заряда, который протекает через проводящее вещество за конкретный период. То есть это число электронов, проходящее из одного конца проводника в другой. Этот показатель считается самым опасным для жизни человека. Если взяться руками за голый провод, то электроны пройдут через живое тело. От их количества напрямую зависят повреждения, так как заряд выделяет тепло и активирует некоторые химические реакции, вредящие здоровью человека.

Третий параметр — сопротивление — физическая характеристика вещества, которая показывает способность к проведению заряда. Чем ниже этот показатель, тем больше электронов может пройти по проводнику за определённый период. С уменьшением сопротивления увеличивается сила тока. Высокий показатель величины снижает электричество, но нагревает проводник, что может привести к возгоранию.

Похожие записи:

Закон ома для «чайников»: понятие, формула, объяснение Калькулятор перевода квт в лошадиные силы (л.с.) Лучшие ультрафиолетовые лампы Типоразмеры компонентов для монтажа на поверхностьstandard sizes of packages smd-components Education & technology blog Причины мигания светодиодной ленты во время работы