Основные законы электротехники
Понятия и свойства электрического тока
Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.
Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении.
Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специфические признаки:
- Нагревание проводника, по которому протекает ток.
- Изменение химического состава проводника под действием тока.
- Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.
Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором – периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах
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.
Закон Ома
Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и мощность. Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.
Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:
- Сила тока: I = U/R (ампер).
- Напряжение: U = I x R (вольт).
- Сопротивление: R = U/I (ом).
Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким – на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов – напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.
Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.
Основные законы электрической цепи
Основными законами теории электрических цепейявляются законы Ома и Кирхгофа. С помощью этих законов можно осуществить анализ и расчет любых электрических цепей. Так, в неразветвлённой электрической цепи (рис. 1.18), содержащей источник энергии e(t)
с внутренним сопротивлением
Rвн
и сопротивлением нагрузки
Rн
,будет протекать ток
i(t)
, значение которого определяется законом Ома, т.е.
Закон Ома был сформулирован в 1826 г. Омом следующим образом: сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника [2]. Для участка электрической цепи, сопротивление которого R
и напряжение на котором
u(t)
, закон Ома записывается в виде
Произведение называют падением напряжения, причем под напряжением на любом участке электрической цепи понимают разность потенциалов между крайними точками этого участка.
Запись, аналогичная (1.24), может быть осуществлена не только для мгновенных значений токов и напряжений, но и для других значений, т.е.:
Анализ и расчет разветвлённых цепей обычно осуществляют с помощью законов Кирхгофа, которые были сформулированы в 1845 г. немецким физиком Г. Кирхгофом.
Первый закон Кирхгофа формулируется следующим образом. Сумма всех токов, втекающих в узел электрической цепи, равна сумме всех токов, вытекающих из этого узла, или алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. Под словом “алгебраическая” понимают, что перед суммированием токов следует определиться с их знаками, так для тока, входящего в узел, берётся знак плюс, а для тока, выходящего из узла, берётся знак минус. Иллюстрацию первого закона Кирхгофа и его аналитическую запись можно осуществить на примере участка электрической цепи (рис. 1.24) с узлом 1.
Рис. 1.24. Участок электрической цепи с узлом 1
В соответствии с рис. 1.24 получим, что
Выражение (1.26) является аналитической записью первого закона Кирхгофа для мгновенных значений токов. Запись (1.26) можно осуществить для любых значений токов, если электрическая цепь состоит только из сопротивлений R
. Когда в схеме имеется индуктивность и (или) ёмкость, выражение (1.26) будет верным только для мгновенных значений токов
i(t)
и комплексных значений . Его нельзя применять для действующих
I
и амплитудных значений
Im
гармонического тока, а также для постоянных значений
I-
тока, что станет понятным из дальнейшего изложения материала в пособии.
Второй закон Кирхгофа применяют к замкнутым контурам электрической цепи (рис. 1.25).
Рис. 1.25. Замкнутый контур электрической цепи
Он формулируется следующим образом. Алгебраическая сумма падений напряжений на элементах контура равна алгебраической сумме э.д.с. источников, действующих в контуре.
Для аналитической записи второго закона Кирхгофа следует задаться направлением обхода в контуре и токами в его элементах. Положительный знак падения напряжения на элементе будет в том случае, если направление тока на нём совпадает с направлением обхода контура (в противном случае – отрицательный). Положительный знак у э.д.с. ставится при совпадении направления обхода с её направлением, отрицательный – при их несовпадении. Для замкнутого контура электрической цепи по рис. 1.25 аналитическая запись второго закона Кирхгофа будет иметь следующий вид:
Выражение (1.27) является записью второго закона Кирхгофа для мгновенных падений напряжений на элементах контура, т.е.
В случае наличия в контуре кроме элементов R
элементов
L
и (или)
С
второй закон Кирхгофа можно применять только для
и комплексных значений напряжений, т.е. аналогично первому закону Кирхгофа.
Контрольные вопросы
1. Что называется электрической цепью и какие основные элементы входят в ее состав?
2. Что представляют собой активные и пассивные элементы электрической цепи?
3. Дайте определение понятию эквивалентной схеме электрической цепи, и что входит в ее состав?
4. Дайте определения понятий: ветвь, узел, контур, одноконтурные и многоконтурные цепи.
5. Как для схемы электрической цепи выбираются независимые контуры?
6. Что представляет собой электрический ток, напряжение и падение напряжения? Как выбирают положительные направления тока?
7. Какие буквенные обозначения приняты для электрического тока и напряжения?
8. Приведите пример использования при расчетах электрической цепи понятий положительного направления тока и напряжения.
9. Дайте определение понятиям энергии и мощности в электрической цепи. Какие буквенные обозначения используются для этих понятий?
10. Какой физический смысл имеют положительный и отрицательный знаки мгновенной мощности?
11. Дайте характеристику идеализированному резистивному элементу. Какими основными свойствами обладает этот элемент?
12. Дайте характеристику идеализированному емкостному элементу. Какими основными свойствами обладает этот элемент?
Энергия и мощность в электротехнике
В электротехнике существуют еще и такие понятия, как энергия и мощность, связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, тепловой, ядерной и электрической форме. В соответствии с законом сохранения энергии, ее невозможно уничтожить или создать. Она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Например, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.
Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии на протяжении установленного промежутка времени. Эта величина индивидуальна для каждого прибора и представляет собой мощность, то есть объем энергии, который может потребить тот или иной прибор. Этот параметр вычисляется по формуле P = I x U, единицей измерения служит ватт. Он означает перемещение одного ампера одним вольтом через сопротивление в один ом.
Таким образом, основы электротехники для начинающих помогут на первых порах разобраться с основными понятиями и терминами. После этого будет значительно легче использовать полученные знания на практике.
Применяемые радиодетали
При изучении основ электромонтажа всегда происходит знакомство с основными деталями, использующимися в электронике. При их изготовлении применяются все перечисленные типы веществ. Из проводниковых материалов делают кабели, соединяющие устройства, входящие в схему. Также они подсоединяют источник питания к нагрузочному напряжению. Проводники наматывают на катушки, которые как эксплуатируются в самостоятельном виде, так и применяются в трансформаторах, электрических машинах, на печатных платах (последние сами делаются из диэлектрика). Транзисторные и диодные элементы включают в себя проводниковые и полупроводниковые детали из нескольких типов материалов с разным уровнем проводимости. Основные функции диэлектриков – защитная и изоляционная.
Советуем изучить Зачем нужно заземление полотенцесушителя в ванной?
Источник