книги из ГПНТБ / Громадский, Б. В. Водолаз - сварщик - резчик учебное пособие

ты, аккумуляторы, в которых химическая энергия пре­ образуется в электрическую. Следовательно, источником электрической энергии называется устройство, обладаю­ щее запасом энергии, необходимой для направленного перемещения заряженных электричеством частиц.

Классификация веществ по электропроводности

По своим электрическим свойствам все вещества под­ разделяются на проводники, полупроводники и изоля­ торы.

Вещества, в которых электрический заряд может сво­ бодно перемещаться по всему телу, называются пр о ­ в о д н и к а м и электрического тока. К ним относятся все металлы, их сплавы, а также растворы кислот, со­ лей, щелочей и др. Лучшими проводниками электриче­ ского тока являются серебро, медь и алюминий.

Вещества, в которых электрический заряд может перемещаться значительно слабее, чем в металлах, на­ зываются п о л у п р о в о д н и к а м и . Наиболее широкое применение из полупроводников нашли германий и крем­ ний.

Вещества, в которых заряды не могут перемещаться

носятся слюда, стекло, эбонит, фарфор, резина, мрамор, сухое дерево, спирт, минеральные масла, воздух, дистил­ лированная вода и др. Из-за отсутствия в атомах этих веществ свободных электронов они не проводят элек­ трический ток.

Электрическое сопротивление

При .прохождении тока по проводнику последний на­ гревается. Это означает, что источник электрической энергии совершает работу, преодолевая какое-то препят­ ствие.

Способность проводника оказывать противодействие

проводнике возникает при движении свободных электро­ нов, которые, сталкиваясь с атомами и молекулами ве­ ществ, отдают им часть своей энергии, что тормозит их

20

поступательное движение. Чем больше столкновений имеет электрон с атомами и молекулами, тем труднее ему двигаться, тем больше сопротивление проводника. В этом случае двигающиеся электроны отдают больше энергии, которая выделяется в форме тепла. Сопротив­ ление обозначается буквами R и г и измеряется в омах.

Сопротивление столба ртути длиной 106,3 см с попе­ речным сечением 1 мм2 при температуре 0°С равно 1 Ом.

Электрическое сопротивление проводника зависит от физических свойств материала, длины проводника, его поперечного сечения. Чем больше длина проводника и меньше его .поперечное сечение, тем больше и его сопро­ тивление.

Электрическая цепь

Замкнутый путь, по которому проходит электриче­ ский ток, называется э л е к т р и ч е с к о й ц е п ь ю

(рис. 7).

лампочка (потребитель)

Вольтметр

Рис. 7. Электрическая цепь и ее схема

21

Основными элементами любой электрической цепи являются источник электрической энергии, потребитель электрической энергии и соединительные провода. Кроме того, в состав электрических цепей могут входить раз­ личные измерительные приборы, устройства, обеспечи­ вающие замыкание и размыкание цепей, предохраните­ ли -и другие вспомогательные элементы.

Электрическая цепь делится на внутреннюю и внеш­ нюю части. К внутренней части цепи относится сам ис­ точник питания. Во внешнюю часть цепи входят соеди­ нительные провода, потребители, рубильники, электроиз1 мерительные приборы, т. е. все то, что присоединено к зажимам источника электрической энергии.

Единицы измерения электрической энергии

Основными единицами измерения электрической энергии являются сила тока, напряжение и мощность. Чтобы электролампочка, электровоз или другие электри­ ческие устройства могли производить полезную работу, через них необходимо пропускать различное количество электрических зарядов, т. е. различный по величине элек­ трический ток. Мерой электрического тока служит си­ ла тока.

Си л о й т о к а называется количество электриче­ ства, проходящее через поперечное сечение проводника за одну секундуОбозначается сила тока буквой /.

За единицу измерения силы тока принят ампер (обо­ значается буквой А). Для измерения силы тока служат специальные приборы — амперметры. Эти приборы включаются в электрическую цепь последовательно ис­ точнику тока и потребителю (см. рис. 7).

Работа источника электрической энергии, совершае­

жущая сила возникает в аккумуляторах, электрических генераторах и других источниках электрической энергии в результате химических или физических процессов, про­ исходящих в них. На практике нас чаще всего интересу­ ет та часть электродвижущей силы, которую источник может отдать для осуществления полезной работы.

22

Электродвижущая сила, действующая на участках замкнутой электрической цепи, называется н а п р я ж е ­ ние м и обозначается буквой U.

Напряжение меньше полной электродвижущей силы, вырабатываемой источником электрической энергии, на

жущая сила и напряжение измеряются в вольтах.

В о л ь т — это напряжение, которое в электрической цепи, имеющей сопротивление 1 Ом, создает ток силой в 1 ампер. Э.д.с. и напряжение измеряются вольтметра­ ми. Эти приборы включаются в электрическую цепь па­ раллельно источнику тока и потребителю (см. рис. 7).

Энергия источника, создающего электрический ток, расходуется на преодоление сопротивления цепи. Чем ■больше сопротивление оказывает электрическая цепь, тем большую работу должен произвести источник тока, т. е. тем большей э.д.с. он должен обладать. Следова­ тельно, между электродвижущей силой источника, элек­ трическим сопротивлением цепи и величиной тока суще­ ствует определенная зависимость. Эта зависимость во­ шла в электротехнику под названием закона Ома. Со­ гласно закону Ома, величина тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна э.д.с. источника тока и обратно

пропорциональна сопротивлению всей цепи.

Закон Ома выражается формулой

где / — величина тока в амперах; Е — э.д.с. источника тока в вольтах;

R — сопротивление всей цепи в омах.

Преобразуя формулу закона Ома, можно получить выражение для определения э.д.с. или сопротивления всей цепи:

Е = I-R\ R = j .

Закон Ома применим не только для всей цепи, но и для любого ее участка. Разница заключается в том, что, рассматривая участок цепи, измеряют не э.д.с. источника тока, а лишь то напряжение, которое приложено к край­ ним точкам этого участка.

23

Закон Ома участка цепи формулируется так. Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряже­ нию на данном участке и обратно пропорциональна его сопротивлению. Эта зависимость выражается формулой

производные формулы для определения напряжения и сопротивления на участке цепи:

U = I • R.

Электрический ток, проходя по цепи, в свою оче­ редь совершает работу, преобразуя электрическую энер­ гию в какой-либо другой вид энергии (механическую, световую, тепловую и т. д.). Работа, совершаемая элек­ трическим током за единицу времени, называется мощ­ ностью электрического тока. Единицей измерения мощ­ ности является ватт (Вт). Один ватт — это мощность, которую развивает электрический ток величиной 1 ампер при напряжении 1 вольт. Более крупными единицами мощности являются: 1 гектоватт (гкВт)=100 Вт; 1 кило­ ватт (кВт) = 1000 Вт; 1 мегаватт (мВт) =1 000 000 Вт.

Между механической единицей измерения мощ­ ности — лошадиной силой и электрической единицей мощности — ваттом существует следующее соотноше­

Мощность, развиваемая электрическим током на уча­ стке цепи, прямо пропорциональна величине тока и на­ пряжению на данном участке и определяется по фор­ муле:

P = I-U,

где Р — мощность электрического тока в ваттах; U — напряжение в вольтах;

I — величина тока в амперах.

Для измерения мощности электрического тока при­ меняются специальные приборы — ваттметры.

24

Тепловое действие электрического тока

Электрический ток, проходя по проводнику, нагрева­ етего. Это явление объясняется тем, что электрические заряды, встречая сопротивление со стороны частиц ве­ щества, отдают им часть своей энергии, которая превра­ щается в тепло. Тепловая энергия измеряется в кало­ риях. Калорией (кал) называется количество тепла, не­ обходимое для нагревания 1 грамма воды на 1 гра­

дус С.

Степень нагревания проводника зависит от величины силы тока, сопротивления проводника и времени про­ хождения тока. Эта зависимость выражается законом Джоуля—- Ленца. Количество тепла, выделяемое в про­ воднике электрическим током, пропорционально квадра­ ту величины тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Q = 0,24 •I2. R . t ,

где 0,24 — коэффициент, показывающий количество теп­ ла в малых калориях, выделяемые за 1 с в проводнике сопротивлением 1 Ом при токе 1 А;

Q — количество тепла в калориях; / — сила тока в амперах;

R — сопротивление в омах; t — время в секундах.

Из закона Джоуля — Ленца видно, что нагрев про­ водника будет тем больше, чем больше ток в цепи и чем больше сопротивление проводника. При чрезмерном на­ греве выходит из строя изоляция и может расплавиться сам проводник.

Тепловое действие тока используется в различного рода нагревательных приборах (электрических печах, паяльниках и т. п.), для получения света в лампах нака­ ливания, в тепловых измерительных приборах, для элек­ тросварки металлов, защиты электрических цепей отто­ ков, превышающих допустимые величины, и т. д.

Магнитные и электромагнитные явления

Кусок железной руды, обладающий свойством притя­ гивать к себе железные предметы, называется е с т е с т ­ в е н н ы м ма г н и т о м . Искусственные магниты изго-

25

товляются из специальных сортов стали и ее сплавов. Материалу придают необходимую форму и затем под­ вергают намагничиванию. После этого сталь приобре­ тает магнитные свойства, аналогичные естественному магниту. Концы любого свободно подвешенного магнита устанавливаются в пространстве в строго определенном

ю ж н ы м п о л юс о м и обозначается буквой /О или5. Разноименные полюсы притягиваются, а одноимен­ ные отталкиваются. Изменяя расстояние между магни­ тами, можно заметить, что сила взаимодействия изменя­ ется. Каждый магнит создает вокруг себя так называе­ мое м а г н и т н о е поле , т. е. среду, через которую передается действие магнита на другие тела. Принято считать, что действие магнитного поля происходит вдоль м а г н и т н ы х с и л о в ы х линий , например желез­ ные опилки, попадая в магнитное поле, располагаются вдоль магнитных силовых линий. Магнитные силовые линии не материальны. Они введены условно. Магнит­ ные силовые линии выходят из северного полюса и вхо­

дят в южный полюс.

Современная наука доказала, что источником магнит­ ных полей является не магнетизм, как некоторое веще­ ство, а электрические токи. Если магнитную стрелку рас­ положить параллельно проводнику и пропустить через него электрический ток, то стрелка займет положение, перпендикулярное проводнику с током. Электрический ток, проходя по проводнику, создает вокруг него магнит­ ное поле, которое взаимодействует с магнитным полем стрелки. Магнитные силовые линии будут располагать­ ся концентрическими окружностями вокруг проводника с током.

Если пропустить ток по проводнику, свитому в спи­ раль, то у этой спирали будут такие же магнитные свой­ ства, как и у постоянного магнита. Такая спираль назы­ вается с о л е н о и д о м . Примером соленоида является цилиндрическая катушка с током. Силовые линии маг­ нитного поля соленоида располагаются так же, как и в стержневом магните, образуя на концах соленоида се­ верный и южный полюса. Полярность соленоида зависит

26

•от направления тока. Чтобы усилить величину магнит­ ного поля соленоида, в него помещают железный сер­ дечник, который намагничивается под действием магнит­ ного поля соленоида.

Соленоид с вставленным в него разомкнутым сердеч­ ником из ферромагнитного материала называется э л е к ­

т р о м а г н и т о м . Электромаг­ нит осуществляет преобразова­ ние электрической энергии в ■механическую. Сила электро­ магнита зависит от количества витков и величины проходяще­ го по проводнику тока. Чем больше витков в соленоиде, тем большее магнитное поле

•будет создавать электромагнит при одинаковом токе.

.ли проводник в магнитном по­ ле или движется магнитное поле относительно проводни­

ка. На принципе электромагнитной индукции основана работа всех электрических генераторов и трансформато­ ров тока.

27

ются электрические машины, преобразующие механичес­ кую энергию в электрическую (рис. 9).

Работа генераторов электрического тока основана на явлении электромагнитной индукции. Рассмотрим прин­ цип работы генератора переменного тока (рис. 9,а).

Изготовленная из медной проволоки прямоугольная рамка 2 вращается в магнитном поле постоянного маг­ нита 1. Концы рамки подведены к двум изолированным медным контактным кольцам 3, укрепленным на оси ма­ шины, которые, вращаясь вместе с рамкой, скользят по

Рис. 9. Модели электрических генераторов: а — переменного тока; б — постоянного тока; 1 — постоянный магнит; 2 —• рамка; 3—коль­ цевые контакты; 4 — коллектор; 5 — щетки;

6 — гальванометр

28

контактным пластинам 5 (щеткам). В рамке, которая равномерно вращается в однородном магнитном поле, идуктируется э.д.с., причем разного направления. При каждом обороте рамки направление тока меняется, по­ тому что каждая из рабочих сторон рамки за один обо­ рот проходит под разными полюсами магнита. Величина э.д.с., индуктируемой в рамке, также изменяется, ибо во время вращения рамка пересекает неодинаковое коли­ чество магнитных силовых линий. Когда рамка проходит вертикальную плоскость, она пересекает наибольшее количество силовых линий и, следовательно, в ней ин­ дуктируется наибольшая э.д.с. При прохождении гори­ зонтальной плоскости стороны рамки скользят вдоль магнитных силовых линий и не пересекают их, вследст­ вие чего э.д.с. в рамке не индуктируется. За время, со­ ответствующее половине оборота рамки, э.д.с. в ней из­ меняется от нуля до максимума и снова до нуля. При дальнейшем вращении рамки в ней вновь возникает э.д.с., которая постепенно возрастает по величине, но имеет обратное направление. Таким образом, за один оборот рамки возникающая в ней э.д.с. совершает пол­ ный цикл своего изменения. При вращении рамки с по­ стоянной скоростью в ней будет индуктироваться э.д.с., периодически меняющаяся как по величине, так и по направлению. Если концы рамки замкнуть на внешнюю цепь, то по цепи потечет ток, который будет все время изменять свое направление и величину. Электрический ток, который с течением времени изменяется по величи­ не и направлению, называется п е р е м е н н ы м то- к о м.

Устройство генератора постоянного тока несколько сложнее в связи с необходимостью выпрямления пере­ менной э.д.с. Для выпрямления служит специальное уст­ ройство, называемое коллектором.

Принцип работы генератора постоянного тока пока­ зан на рис. 9,6. При вращении рамки 2 в магнитном по­ ле в ней индуктируется переменная э.д.с. Концы рамки здесь присоединены не к двум сплошным кольцам, как в генераторе переменного тока, а к двум половинам од­ ного кольца — полукольцам 4, представляющим собой простейший коллектор. Благодаря этому и достигается получение тока, всегда направленного в одном направ­ лении, так как независимо от вращения рамки каждая

29