Файл: Электричество и магнетизм.doc

В природе и технике происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой. В источниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии — тепловую, механическую, химическую.

Мерой количества энергии является работа W, совершаемая электрическим током I за время t при напряжении U и равна:

W=UIt

Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется Джоулем (Дж). Джоуль называют также ватт-секундой (Вт·с).

Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях U и I равна произведению напряжения U на силу тока I:

Р = U I

Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется Ватт (Вт).

Потери энергии и коэффициент полезного действия. При превращении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот в любой машине и любом аппарате неизбежны потери энергии и не вся энергия превращается в требуемый вид.

Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности, характеризуется коэффициентом полезного действия (к. п. д.) источника или приемника.

η = Р₂/Р₁= Р₂/ (Р₂ + ∆Р),

где Р₂ — отдаваемая (полезная) мощность;

Р₁ — получаемая мощность;

∆Р — потери мощности.

К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии.

14. Тепловое действие тока

При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается. Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Джоуля — Ленца. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I², сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник:

Q =I²Rt.

Допустимая сила и плотность тока. Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике.

Однако в электрических машинах и аппаратах, в проводах превращение электроэнергии в тепло не только бесполезно, но и ухудшает работу их работу, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности тока J (сила тока I, приходящаяся на 1 мм² площади s поперечного сечения проводника):

J=I/s

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь или алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр.

Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электрических сетей перегревается, обугливается и даже горит, что может привести к короткому замыканию и пожару. Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. Для этой цели в технике широко используют плавкие предохранители и автоматические выключатели.

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев проводника, как следует из закона Джоуля — Ленца, может происходить не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения отдельных проводников. При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников (рис. 22) электрическое сопротивление в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В результате место неплотного соединения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгоранию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при соединении проводов на э. п. с. концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, которые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических машин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьшения переходного сопротивления между контктами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.

15. Передача электрической энергии по проводам.

Падение напряжения в проводах линии. Передача электрической энергии от источника 1 (рис. 23) к приемнику 2 происходит по проводам, образующим электрическую линию. При передаче энергии возникает потеря ( падение ) напряжения в проводах линии

∆U_л = IR_л,

где:R_л — сопротивление проводов линии.

Врезультате этого напряжениеU₂ в конце электрической линии ока-зывается меньше напряжения U₁ в начале линии. Потеря напряжения в проводах линии ∆U_л не является постоянной величиной, она изменяется в зависимости от силы тока нагрузки от нуля до макси-мальной. Кроме того, она зави-сит от сопротивления R_л проводов линии, а следовательно т. е. от их удельной проводимости ρ, площади поперечного сечения s и длины линии l.

На метрополитене и электрифицированных железных дорогах одним из проводов, соединяющих тяговую подстанцию с потребителем — электрическим подвижным составом, является контактный рельс (на железных дорогах – контактный провод), а другим — рельсы. Поэтому под потерей напряжения в проводах ∆U_л в этом случае понимается суммарная потеря напряжения в контактной сети и рельсах. Потеря напряжения в линии увеличивается по мере удаления от тяговой подстанции, в соответствии с этим уменьшается и напряжение на его токоприемнике.

Контрольные вопросы:

1. Что такое электрическое поле?

2. Что такое электрический ток?

3. Как образуется электрическая цепь и из каких частей она состоит?

4. Какова физическая природа электрического тока в металлических проводниках и при каких условиях он возникает?

5. Какова физическая природа электрического сопротивления и в каких единицах оно измеряется?

6. От чего зависит электрическое сопротивление прямолинейных проводников?

7. Как делятся вещества по проводимости электрического тока?

8. Сформулируйте закон Ома для электрической цепи и отдельного ее участка.