Основы электротехники для начинающих раиолюбителей

Электрический ток и величина тока.  Электрический ток в твердых проводниках представляет собой упорядоченное движение электронов вдоль проводника.

Электроны всегда движутся от того места, где они находятся в избытке, т. е. от минуса, туда, где имеется недостаток их, т. е. к плюсу. Однако в электротехнике принято считать, что ток идет от плюса к минусу.

Такое направление тока было установлено совершенно условно еще до открытия электронов. Переход к истинному направлению движения электронов представляет теперь значительные трудности.

Надо отметить, что скорость перемещения электронов в проводнике весьма незначительна и измеряется всего лишь долями сантиметра или миллиметра в секунду.

Зато скорость распространения тока в проводе очень велика и достигает скорости света, Т; е. 300 000 км/сек. Если на одном конце' провода возникает ток, то этот процесс передается настолько быстро, почти мгновенно, что на другом конце провода ток пойдет практически в тот же момент.

А сами электроны движутся очень медленно, испытывая все время столкновения и трение о частицы провода. Поэтому те электроны, которые пришли в движение у начала провода, очень не скоро дойдут до его конца.

Ток в проводе напоминает движение воды в длинной трубке, наполненной водой, на одном конце которой находится насос. Если накачивать в трубку воду насосом, то давление очень быстро передается вдоль трубки от одних частиц воды к другим и из открытого конца трубки потечет вода.

Однако вода, добавленная насосом, будет двигаться гораздо медленнее и дойдет до конца трубки через значительный промежуток времени.

Чем больше электронов проходит в 1 сек через поперечное сечение провода, тем больше ток. Условно ток обозначают буквой I или і и измеряют в особых единицах — амперах (а).

Если ток равен 1 а, то это значит, что в 1 сек через поперечное сечение провода проходит вполне определенное количество электронов, выражающееся огромным числом, состоящим из шестерки, тройки и семнадцати нулей!

Некоторое представление об этом числе дает уже приводившийся выше пример. Если все эти электроны будут проходить не сразу, а по 1 млн. в секунду, то потребуется 200 тыс. лет, чтобы они все прошли.

В обычных осветительных лампочках ток составляет несколько десятых долей ампера. В электронагревательных приборах он равен нескольким амперам, а в проводах мощных электрически линий он может быть равен тысячам ампер и больше. Однако во многих случаях, особенно в радиоаппаратуре, ток бывает гораздо меньше 1 а.

Поэтому весьма часто применяют более мелкие единицы измерения тока — Миллиампер, равный одной тысячной доле ампера, и микроампер, равный одной миллионной доле ампера. Сокращенно миллиампер обозначают буквами ма и микроампер — буквами мка.

Напряжение U его единицы. Второй основной величиной, характеризующей электрические явления, служит напряжение, обозначаемое буквой U или и.

Для того чтобы в каком-либо проводнике возник электрический ток, т. е. чтобы  электроны пришли в движение вдоль проводника, необходимо иметь на концах этого проводника различные электрические состояния или, как принято говорить, различные электрические потенциалы. На одном, конце должен быть избыток электронов, а на другом — недостаток их.

Напряжение характеризует именно эту разницу в электрических состояниях, т. е. разность потенциалов на концах проводника. Можно сказать, что напряжение является причиной возникновения электрического тока. Ток будет протекать в проводи тогда, когда есть напряжение.

Подобно этому газ или жидкость передвигается всегда из места с более высоким давлением в место с более низким давлением, т. е. только в случае разницы в давлениях. Теплота переходит от одного тела к другому только в случае, если эти тела имеют разные температуры.

Единицей для измерения напряжения служит вольт (в). Кроме того, применяются более мелкие единицы: милливольт (мв), т. е. тысячная доля вольта, и микровольт (мкв) или миллионная доля вольта, а также более крупная единица — киловольт (кв), равная 1000 в.

В осветительной электросети напряжение составляет 127 или 220 в, а в электрических линиях высокого напряжения, идущих от электростанций, напряжение достигает сотен киловольт.

Зато в антенне радиоприемника под действием радиоволн, приходящих от какой-либо далекой радиостанции, создается напряжение, измеряемое всего лишь несколькими микровольтами.

Электрическое сопротивление. Различные вещества неодинаково проводят электрический ток и поэтому разделяются на проводники и диэлектрики (изоляторы).

Влияние самого проводника на величину тока учитывается с помощью электрического сопротивления, зависящего от размеров проводника и его материала.

Сущность сопротивления заключается в том, что электроны при своем движении , сталкиваются с частицами самого проводника и нагревают его.

Чем длиннее и тоньше провод, тем больше его сопротивление

Из различных материалов наименьшим сопротивлением обладают серебро и медь. Несколько больше сопротивление у алюминия и еще больше у стали. В некоторых случаях бывает необходимо создать большое сопротивление для тока.

Тогда используются провода из специальных сплавов высокого сопротивления, к которым относятся никелин, константан, манганин, нихром и др. Еще большие сопротивления делаются из угля.

Нихром и некоторые другие сплавы обладают большой теплостойкостью, т. е. могут долго выдерживать высокую температуру, и поэтому применяются для электронагревательных приборов.

Для измерения сопротивлений служат единицы: ом, килоом, равный 1 000 ом, и мегом, равный 1 млн. ом. Эти единицы имеют сокращенные обозначения: ом, ком и Мом.

Мощность и работа тока. Электрический ток может производить работу, г. е. энергия тока может превращаться в какую-либо другую энергию, например в тепловую, световую, механическую. В электрорадиотехнике принято оценивать работоспособность тока по величине его мощности, которая обозначается буквой Р.

Мощность — это работа, совершаемая в 1 сек. Иначе можно сказать, что мощность есть расход электрической энергии в 1 сек. Единицей измерения мощности является 1 ватт, (вт).

Мощность тока, равная одному ватту, есть мощность тока в один ампер при напряжении в один вольт. Чем больше напряжение и чем больше ток, тем больше мощность.

Поэтому для расчета величины мощности тока нужно умножить напряжение в вольтах на ток в амперах. Иначе говоря, ватты равны вольтам, умноженным на амперы:

Электрическая мощность - формула расчета

Например, если при напряжении 120 в через некоторое сопротивление проходит ток 3 а, то мощность тока в этом сопротивлении будет составлять 360 вт.

Часто бывает необходимо подсчитать мощность тока, когда неизвестны ток или напряжение, но известно сопротивление. Тогда нужно сначала определить по величине сопротивления ток или напряжение с помощью закона Ома, а затем уже рассчитывать мощность.

Заменяя в основной формуле для мощности ток или напряжение по формуле Ома, можно получить еще две удобные формулы для расчета мощности:

Электрическая мощность через сопротивление - формула расчета

Эти две формулы очень часто применяются для практических расчетов. Смысл их понять нетрудно.

Действительно, если, например, ток увеличился в 2 раза, то ясно, что это может получиться только благодаря повышению напряжения в 2 раза. Но если в 2 раза увеличились и напряжение и ток, то мощность возрастает в 4 раза, т. е. в квадрате по сравнению с увеличением тока.

При увеличении сопротивления для сохранения* неизменной величины тока необходимо соответствующее увеличение напряжения. Во столько же раз возрастет и мощность, так как в этом случае увеличивается лишь одно напряжение, а ток остается постоянным.

Если напряжение, действующее на некоторое постоянное сопротивление, увеличить в несколько раз, то во столько же раз возрастет и ток. Значит, мощность возрастет в квадрате, так как напряжение и ток увеличились в одинаковое число раз.

Но если при неизменном напряжении увеличить сопротивление, то соответственно уменьшится ток, а следовательно, мощность также уменьшится. Поэтому во второй формуле сопротивление стоит в знаменателе.

Рассмотренные две формулы для расчета мощности как будто противоречат друг другу: по одной из них мощность при увеличении сопротивления увеличивается, а по другой — уменьшается. Но это противоречие только кажущееся, так как первый случай соответствует постоянному току, а второй — постоянному напряжению.

Для иллюстрации приведем следующие примеры.. Пусть требуется найти мощность тока 0,2 а, протекающего через сопротивление 1 000 ом. Решение можно произвести двумя способами.

Найдем напряжение по закону Ома, оно равно:

U = 0,2-1 000 = 200 в.

Теперь определим мощность:

Р = 200-0,2 = 40 вт.

То же можно получить по формуле:

формула пример расчета

Рассмотрим еще пример на определение мощности тока в лампочке, имеющей сопротивление 200 ом> которая питается напряжением 100 в.

Проще всего применить формулу

формула для расчета

Но можно сначала найти ток:

расчетная формула

а затем уже найти мощность по основной формуле:

P = 100-0,5 = 50 вт.

Иногда необходимо проделать обратный расчет, а именно: зная мощность, найти ток или напряжение.

Например, пусть нужно определить ток в лампочке, имеющей мощность 300 вт при напряжении 120 в. Так как мощность есть произведение напряжения на ток, то ясно, что для нахождения тока надо мощность разделить на напряжение:

расчет тока из мощности - формула

Кроме основной единицы мощности ватта, часто применяются еще следующие единицы: киловатт (кВт), гектоватт (гВг), милливатт (мет) и микроватт (мкВт), соответственно равные 1 000 Вт, 100 Вт, 0,001 Вт и 0,000001 Вт.

Работа электрического тока или расход электрической энергии измеряются единицами, в которых за основу взяты единицы мощности и вместе с тем учитывается время прохождения тока.

Мощность есть работа за 1 сек, а величина работы тока может соответствовать любому промежутку времени, в течение которого шел ток. Чем больше времени идет ток, тем -больше величина работы.

Основной единицей работы тока является ватт-секунда (вт * сек), т. е. работа тока мощностью 1 вт в течение 1 сек. Эта единица слишком мала, так как обычно ток идет не 1 сек, а продолжительное время.

Более крупной единицей служит ватт-час (вт*ч), равный работе тока мощностью 1 вт в течение 1 ч. Час имеет 60 мин по 60 сек, т. е. всего 3 600 сек. Поэтому 1 вт * ч составляет 3 600 вт * сек.

Особенно широко применяются еще более крупные -единицы: гектоватт-час (гвт * ч) и киловатт-час (кет * ч). Один гектоватт-час составляет 100 вт * ч, а киловатт-час в 10 раз больше и равен 1 000 вт * ч.

Постоянные магниты и их свойства. Уже давно было установлено, что некоторые сорта железной руды обладают способностью притягивать к себе стальные предметы.

Это явление было названо магнетизмом, а куски железной руды, обладающие магнитными свойствами, назвали магнитами. Если натереть таким естественным магнитом кусок закаленной стали, то последний сам становится магнитом.

На практике применяют именно такие стальные или искусственные магниты. В настоящее время сильные магниты делают путем- намагничивания закаленной стали электрическим током.

Вещества, притягивающиеся к магниту, называются ферромагнитными. К ним относятся сталь, никель, а также многие сплавы. Закаленная сталь сохраняет-долго свои магнитные свойства и поэтому может служить постоянным магнитом.

Мягкая сталь после прекращения намагничивания почти полностью теряет магнитные свойства и у нее остается лишь небольшой остаточный магнетизм.

Магнитное поле прямого и подковообразного магнитов

Рис. 1. Магнитное поле прямого и подковообразного магнитов.

Намагничивание стали в магнитном поле

Рис. 2. Намагничивание стали в магнитном поле.

Основные свойства постоянных магнитов

Каждый магнит притягивает ферромагнитные предметы наиболее сильно на своих концах, называемых полюсами. Магнит, подвешенный на нитке или укрепленный на вертикальной оси, всегда стремится одним своим полюсом повернуться на север.

Этот полюс магнита называют северным полюсом и обозначают большой буквой С. Второй полюс называется южным и обозначается буквой Ю.

Взаимодействие магнитов происходит так, что одинаковые полюсы, т. е. северный с северным или южный с южным, отталкиваются, а различные полюсы, т. е. южный с северным, притягиваются.

Северный и южный магнитные полюсы всегда получаются одновременно на концах каждого магнита. Отдельно получить один из магнитных полюсов ,не-возможно.

Материальная среда вокруг магнита, в которой действуют магнитные силы, называется магнитным полем. Магнит притягивает к себе ферромагнитные предметы не только через воздух, но и через многие другие вещества, как, например, через стекло, картон, медь, воду, а также через разреженное безвоздушное пространство.

Таким образом, магнитное поле образуется вокруг магнита в любых веществах и представляет собой особую форму материи. По мере удаления от магнита поле постепенно ослабевает.

Магнитное экранирование

Рис. 3. Магнитное экранирование.

Магнитное поле провода с током

Рис. 4. Магнитное поле провода с током.

Магнитное поле катушки с током

Рис. 5. Магнитное поле катушки с током.

Магнитные силы действуют в магнитном поле по определенным направлениям, которые называются Магнитными силовыми линиями. Условились считать, что магнитные силовые линии во внешнем пространстве идут от северного полюса к южному. Они являются замкнутыми линиями и продолжаются внутри магнита.

На рис. 1 показаны силовые линии магнитного поля для прямого или подковообразного магнита. Bce силовые линии данного магнита составляют его полный магнитный поток.

Если в магнитное поле поместить какой-либо предмет из стали или другого ферромагнитного материала, то он под действием поля сам намагничивается. При этом силовые линии поля как бы пронизывают этот предмет (рис. 2).

Сталь как бы втягивает в себя магнитные силовые линии и поэтому может служить для защиты от действия магнитного поля, т. е. может быть магнитным экраном.

Когда нужно защитить какой-либо прибор от внешнего магнитного поля, то этот прибор следует окружить со всех сторон экраном из мягкой стали. Тогда магнитный поток пройдет по экрану и не попадет в пространство внутри экрана (рис. 3).

По современным воззрениям молекулы ферромагнитных материалов представляют собой микроскопические магнитики. В ненамагниченном предмете они расположены в беспорядке, но под действием магнитного поля многие из них поворачиваются своими северными полюсами в одну сторону, а южными полюсами — в другую.

Поэтому на концах предмета образуются полюсы. Молекулярные магнитики, повернувшись и «выстроившись» в определенном порядке, в закаленной стали остаются в таком положении после прекращения действия намагничивающего поля, а в мягкой стали почти все снова принимают прежнее беспорядочное расположение и магнетизм почти полностью исчезает.

Постоянные магниты размагничиваются от ударов и .толчков, а также от нагревания, так как от этого нарушается правильный порядок расположения элементарных магнитиков.

Всякий ферромагнитный предмет можно намагнитить лишь до некоторого предела, называемого магнитным насыщением, после чего дальнейшее усиление магнитного поля уже не будет вызывать заметного увеличения магнетизма.

Это означает, что уже все молекулярные магнитики повернулись и стали в строгом порядке вдоль силовых линий поля. При более слабом намагничивании часть магнитиков остается в беспорядке.

Для изготовления очень сильных постоянных магнитов последнее время применяют особые сорта стали, содержащие примеси других металлов, например алюминиево-никелевую сталь и др.

Электромагниты и их применение. Еще в прошлом веке было установлено, что вокруг провода с электрическим током образуется магнитное поле, причем его силовые линии имеют вид колец, охватывающих провод (рис. 4). Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле вокруг провода.

Чтобы получить с помощью электрического тока более сильное магнитное поле, применяют катушки из проволоки. Тогда магнитные поля отдельных витков катушки складываются и их силовые линии как бы сливаются в один общий магнитный поток.

Магнитное поле катушки очень напоминает поле постоянного магнита. На конце катушки, по которому ток идет по часовой стрелке, получается южный полюс, а на другом конце — северный полюс (рис. 5).

Изменив направление тока, можно изменить направление магнитного потока, и тогда магнитные полюсы на концах катушки переменятся.

Магнитный поток катушки усиливается во много раз, если в катушку вставить стальной Сердечник. Это объясняется тем, что сталь под действием поля намагничивается и создает добавочный магнитный* поток, более сильный, чем поле самой катушки (рис. 6).

Катушка со стальным сердечником называется электромагнитом. Чем больше число витков катушки электромагнита и ток в ней, тем больше магнитный поток и тем сильнее электромагнит.

Магнитный поток катушки с прямым сердечником

Рис. 6. Магнитный поток катушки с прямым сердечником.

Магнитный поток в замкнутом сердечнике

Рис. 7. Магнитный поток в замкнутом сердечнике;

Принято говорить, что магнитный поток в электромагните тем сильнее, чем больше число ампер-витков, т. е. произведение тока в амперах на число витков. Например, один и тот же магнитный поток можно получить, если взять катушку в 50 витков с током 10 а или если ток 1 а пропустить через катушку в 500 витков. В обоих случаях электромагнит имеет 500 ампер-витков.

Магнитный поток в электромагните зависит также от конструкции сердечника. Для увеличения магнитного потока нужно, чтобы силовые линии по возможности не шли по воздуху, так как воздух имеет -большое магнитное сопротивление для силовых линий. Наиболее сильный магнитный поток получится в замкнутом сердечнике (рис. 7). В нем силовые линии на всем своем пути идут по стали, у которой магнитное сопротивление во много раз меньше, чем у воздуха.

Даже небольшой воздушный зазор в таком замкнутом сердечнике резко увеличивает магнитное сопротивление и уменьшает магнитный поток. Нельзя также брать сердечник с недостаточной площадью поперечного сечения, так как тогда может наступить магнитное насыщение и при дальнейшем увеличении ампер-витков магнитный поток уже не будет усиливаться.

Важную роль играет материал сердечника. Сердечник из закаленной стали намагничивается  гораздо слабее, чем сердечник из мягкой стали, но зато после выключения тока он остается намагниченным. Таким способом теперь изготовляют постоянные магниты.

Мягкая сталь, а также некоторые ферромагнитные сплавы имеют наименьшее магнитное сопротивление для силовых линий и в них получается наиболее сильный магнитный поток.

Но зато они обладают весьма малым остаточным магнетизмом и при выключении тока почти полностью размагничиваются. Сердечники электромагнитов делаются именно из таких материалов, и поэтому электромагниты являются временными магнитами: они действуют только в течение того времени, пока идет ток в обмотке. Во многих случаях это свойство электромагнитов является весьма ценным.

Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.

1
1058
Добавить комментарий