Электричество. Основные понятия
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
Прохождение электрического тока возможно только при замкнутой цепи.
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.
Любой проводник в цепи, в зависимости от сечения, длины, материала, оказывает сопротивление прохождению электрического тока. Свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока называют сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (Ом).
Разность потенциалов на концах источника питания называется напряжением. Напряжение измеряют в Вольтах и обозначают буквой В (V). В трехфазной электрической сети различают такие понятия, как линейное и фазное напряжения. Линейное напряжение ( или иначе межфазное) — это напряжение между двумя фазными проводами (380V). Фазное напряжение — это напряжение между нулевым проводом и одним из фазных (220V). Измеряется напряжение вольтметром, который подключается параллельно нагрузке.
Еще одним важным понятием в электротехнике является понятие мощности. Мощность источника характеризует скорость передачи или преобразования электроэнергии. Мощность измеряется в Ваттах (Вт, W).
Суммарная мощность всех подключенных потребителей равна сумме потребляемых мощностей каждым потребителем. Робщ = Р1+Р2+…Рn
Различают понятия активной и реактивной мощности. P – активная мощность (эффективная), связана с той электрической энергией, которая может быть преобразована в другие виды энергии – тепловую, световую, механическую и др., измеряется в ваттах (Вт), представляет собой полезную мощность, которую можно использовать для выполнения работы.
P = IUcosф – для однофазной цепи, P = √3IUcosф – для трехфазной цепи, P = U*I — в цепи, где есть только активное сопротивление.
Q – реактивная мощность, связана с обменом электрической энергией между источником и потребителем, измеряется в вольт-амперах реактивных (вар), когда среднее значение мощности за период равно нулю, активная мощность равна нулю, энергия накопленная магнитным полем индуктивности, возвращается назад к источнику, ток в цепи не совершает работы, реактивный ток бесполезно загружает источники энергии и провода линии передач. Источниками реактивной энергии могут являться элементы, обладающие индуктивностью — электродвигатели, трансформаторы. Для того, чтобы уменьшить реактивную мощность на зажимах потребителей подключают конденсаторы (последовательно или параллельно).
Q = IUsinф – для однофазной цепи, Q = √3IUsinф – для трехфазной цепи
Сдвиг по фазе между током и напряжением обозначается углом φ. Коэффициент мощности — это соотношение активной мощности к полной, величина cosф равная углу сдвига фаз между напряжением и током. Чем выше cos φ, тем меньше тока требуется для преобразования электроэнергии в другие виды энергии. Это приводит к уменьшению потерь электроэнергии, ее экономии.
На этом пока все, а в следующей части познакомимся с основными законами электротехники, которые необходимо знать любому человеку, связанному с электричеством.
Поделиться в соц. сетях
По роду тока
По роду тока все потребители электрической энергии делятся на три группы:
— Работающие от сети переменного тока, промышленной частоты,
— Получающие питание от сети переменного тока повышенной частоты,
— От сети постоянного тока, а также от источников импульсного тока.
Основной род тока, на котором работают электроустановки промышленных предприятий, является трёхфазным переменным с частотой 50 Гц.
Преобразователь электрической энергии из переменного тока с частотой 50 Гц, в переменный ток с повышенной или пониженной частотой, или в постоянный ток, является потребителем электрической энергии трёхфазного переменного тока с частотой 50 Гц.
По числу фаз:
— Потребители электрической энергии чаще всего выполняются трёхфазными,
— По суммарной нагрузке – однофазные,
— С иным числом фаз, потребители получают питание от преобразователя числа фаз, то есть от трёхфазной сети.
По частоте питающего тока:
— Промышленной частоты 50 Гц,
— Пониженной частоты,
— Повышенной частоты до 10 кГц,
— Высокой частоты более 10 кГц.
Большинство потребителей электрической энергии получают питание от сети переменного тока с частотой 50 Гц.
К потребителям с пониженной частотой относятся коллекторные электродвигатели применяемые в передвижных потребителях электрической энергии для транспортных целей 16,5 Гц. Перемешиватели жидкого металла 25 Гц, индукционные нагревательные устройства для отливки крупных деталей. Пониженную частоту питающего тока применяют в ряде передвижных (сейсморазведка) и переносных (электроинструмент) потребителях электрической энергии.
К потребителям электрической энергии повышенной частоты относятся электродвигатели в текстильной промышленности для производства искусственного шелка 133 Гц, отдельные электрические инструменты, специальные станки в доках, ряд шлифовальных станков в подшипниковой промышленности, для питания высокоскоростных электродвигателей 180 – 400 Гц. Используется повышенная частота в основном 400 Гц в том числе применяются умножители частоты.
Потребители высокой частоты
До 20 кГц для нагрева, плавки металла, ковки, штамповки и заколки металла.
20 – 40 кГц для питания люминесцентных ламп.
До 100 кГц установки поверхностной заколки.
До 20 МГц для нагрева полупроводниковых и диэлектрических материалов.
Во всех описанных случаях потребители электрической энергии питаются через индивидуальные преобразователи частоты, или преобразовательные подстанции.
Для преобразования переменного тока частоты 50 Гц в переменный ток повышенной или высокой частоты используют: двигатель генератор (ЭМУ), а также электронные (тиристорные) или ионные преобразователи. Обычно для получения повышенной частоты до 140 кГц применяют тиристорные преобразователи, инверторы, а для частоты свыше 10 кГц ламповые преобразователи.
Свойства преобразователя: относительно алая область устойчивой работы, ограничена на скорость изменения напряжения и тока ( ), относительно сложная система распределения напряжения и тока по элементам – выравнивание для работы.
Целесообразно отметить, что для ряда производственных механизмов необходимо широкое регулирование скорости вращения, поддержание постоянства скорости технологического процесса, повышенный перегрузочный момент при ПВ работе, частое реверсирование, быстрые разгоны и торможения, что вызывает необходимость применять в качестве электроприводов двигатели постоянного тока. Кроме того в цехах электролиза, электролитического производства металла, гальванических цехов и некоторых видов электросварочного оборудования, также потребители постоянного тока — при построении схемы электроснабжения на промышленном предприятии необходимо считаться с наличием потребителей постоянного тока, пониженной или повышенной частоты и учитывать в схеме электроснабжения индивидуальные преобразовательные установки и преобразовательные подстанции.
По роду тока все потребители электрической энергии делятся на три группы:
— Работающие от сети переменного тока, промышленной частоты,
— Получающие питание от сети переменного тока повышенной частоты,
— От сети постоянного тока, а также от источников импульсного тока.
Основной род тока, на котором работают электроустановки промышленных предприятий, является трёхфазным переменным с частотой 50 Гц.
Преобразователь электрической энергии из переменного тока с частотой 50 Гц, в переменный ток с повышенной или пониженной частотой, или в постоянный ток, является потребителем электрической энергии трёхфазного переменного тока с частотой 50 Гц.
По числу фаз:
— Потребители электрической энергии чаще всего выполняются трёхфазными,
— По суммарной нагрузке – однофазные,
— С иным числом фаз, потребители получают питание от преобразователя числа фаз, то есть от трёхфазной сети.
По частоте питающего тока:
— Промышленной частоты 50 Гц,
— Пониженной частоты,
— Повышенной частоты до 10 кГц,
— Высокой частоты более 10 кГц.
Большинство потребителей электрической энергии получают питание от сети переменного тока с частотой 50 Гц.
К потребителям с пониженной частотой относятся коллекторные электродвигатели применяемые в передвижных потребителях электрической энергии для транспортных целей 16,5 Гц. Перемешиватели жидкого металла 25 Гц, индукционные нагревательные устройства для отливки крупных деталей. Пониженную частоту питающего тока применяют в ряде передвижных (сейсморазведка) и переносных (электроинструмент) потребителях электрической энергии.
К потребителям электрической энергии повышенной частоты относятся электродвигатели в текстильной промышленности для производства искусственного шелка 133 Гц, отдельные электрические инструменты, специальные станки в доках, ряд шлифовальных станков в подшипниковой промышленности, для питания высокоскоростных электродвигателей 180 – 400 Гц. Используется повышенная частота в основном 400 Гц в том числе применяются умножители частоты.
Потребители высокой частоты
До 20 кГц для нагрева, плавки металла, ковки, штамповки и заколки металла.
20 – 40 кГц для питания люминесцентных ламп.
До 100 кГц установки поверхностной заколки.
До 20 МГц для нагрева полупроводниковых и диэлектрических материалов.
Во всех описанных случаях потребители электрической энергии питаются через индивидуальные преобразователи частоты, или преобразовательные подстанции.
Для преобразования переменного тока частоты 50 Гц в переменный ток повышенной или высокой частоты используют: двигатель генератор (ЭМУ), а также электронные (тиристорные) или ионные преобразователи. Обычно для получения повышенной частоты до 140 кГц применяют тиристорные преобразователи, инверторы, а для частоты свыше 10 кГц ламповые преобразователи.
Свойства преобразователя: относительно алая область устойчивой работы, ограничена на скорость изменения напряжения и тока ( ), относительно сложная система распределения напряжения и тока по элементам – выравнивание для работы.
Целесообразно отметить, что для ряда производственных механизмов необходимо широкое регулирование скорости вращения, поддержание постоянства скорости технологического процесса, повышенный перегрузочный момент при ПВ работе, частое реверсирование, быстрые разгоны и торможения, что вызывает необходимость применять в качестве электроприводов двигатели постоянного тока. Кроме того в цехах электролиза, электролитического производства металла, гальванических цехов и некоторых видов электросварочного оборудования, также потребители постоянного тока — при построении схемы электроснабжения на промышленном предприятии необходимо считаться с наличием потребителей постоянного тока, пониженной или повышенной частоты и учитывать в схеме электроснабжения индивидуальные преобразовательные установки и преобразовательные подстанции.
Электрический ток и его использование
Сейчас можно с уверенностью сказать, что самым главным достижением человечества является открытие электрического тока и его использование.
Электрическая энергия имеет огромное значение, как в жизни каждого отдельно взятого человека, так и в развитии современного общества в целом.
На сегодняшний день сложно представить нашу жизнь без электричества. Ведь именно оно освещает наше жильё и улицы, приводит в движение трамваи, троллейбусы и поезда.
Да, и все бытовые приборы, которыми мы пользуемся дома, работают при помощи электрической энергии.
Работа современных средств связи, без которых мы не представляем свою жизнь — телефона, радио, телевидения, интернета — также основана на использовании электрической энергии.
Электроэнергия поселилась во всех сферах деятельности человека. Без электричества не могут обойтись ни промышленность, ни сельское хозяйство, ни даже наука.
Без него невозможно было бы развитие кибернетики, вычислительной и космической техники.
Но, важно понимать, что электрическая энергия, которую мы используем, не существует в природе в готовом для потребления виде. Её нельзя добыть, как полезное ископаемое – нефть или уголь.
Так откуда же она берётся?
Чтобы любая энергия стала полезной человеку, он должен был научиться с ней обращаться, это значит, должен был научиться преобразовывать одни виды энергии в другие.
Человечество справилось с этой нелёгкой задачей. Люди стали получать электрическую энергию, которая так необходима для производственных и бытовых нужд, из других видов энергии: механической, тепловой, световой, химической.
Преобразования энергии различных видов в электрическую энергию происходят на электростанциях. Устройство, которое преобразует какую-либо энергию в электрическую, называют источником
.
Основную часть электрической энергии люди получают преобразованием механической энергии при помощи специальных электромеханических машин.
Эти машины называются – электрогенераторы
. В электрогенераторе механическая энергия турбины преобразуется в электрическую энергию.
Турбина
– это такое вращающееся колесо специальной конструкции. Так, например, на гидроэлектростанциях турбина вращается за счёт энергии падающей воды.
На тепловых электростанциях турбина вращается с помощью энергии движения пара.
А на ветряных электростанциях – за счёт энергии ветра.
На космических станциях источником электрической энергии являются фотоэлементы. Именно они преобразуют солнечную энергию в электрическую.
Помимо стационарных источников существуют переносные источники электрической энергии
. Это гальванические элементы, различные аккумуляторы, а также батареи из них.
В переносных источниках электрическая энергия получается за счёт химического процесса взаимодействия разнородных металлов с особым веществом – электролитом. Существуют ещё и малогабаритные механические генераторы, которые работают за счёт мускульной силы рук или ног человека. Примером малогабаритного механического генератора может послужить генератор для велосипедной фары.
Давайте попробуем разобраться, как же происходит процесс передачи электрической энергии.
Вообще, первые сведения об электричестве появились много столетий назад и относились они тогда к электрическим зарядам, которые получались посредством трения. Ещё в Древней Греции было установлено, что если янтарь натереть шерстяной тканью, то он приобретёт способность притягивать лёгкие предметы.
Кстати, по-гречески слово «янтарь» звучит как «электрон». От этого слова и произошёл термин «электричество»
. Затем люди выяснили, что точно такими же свойствами обладают и многие другие вещества. Тогда такие вещества были названы
наэлектризованными
. Сейчас же мы говорим, что на телах в таком состоянии имеются
электрические заряды
, а сами же тела называем
заряженными
.
Итак, электрическая энергия передаётся при помощи потока мельчайших заряженных частиц.
Эти заряженные частицы всегда возникают при тесном контакте различных веществ. В некоторых телах электрические заряды могут свободно перемещаться между различными частями, в других же это невозможно. В первом случае вещества называют проводниками
, во втором –
диэлектриками
или
изоляторами
.
Проводниками являются все металлы, растворы солей, кислот, включая обычную питьевую воду.
Примерами изоляторов могут служить стекло, резина, различные пластмассы.
Следует знать, что деление веществ на проводники и диэлектрики весьма условно. Так как все вещества в большей или меньшей степени проводят электричество.
В природе различают два вида электрических зарядов. Условно их называют положительными и отрицательными.
Вокруг каждого из этих зарядов существует электрическое поле, за счёт которого одноимённые заряды отталкиваются друг от друга, а разноимённые притягиваются друг к другу. В случае взаимодействия различных веществ разноимённые заряды будут стремиться перейти из одного вещества в другое. Перемещение этих заряженных частиц и будет представлять собой электрический ток.
Вообще, электрическим током
называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля.
Исторически за направление электрического тока было принято движение положительных зарядов, которые перемещаются от положительного полюса источника к отрицательному по проводнику, подключённому к полюсам.
Количество зарядов, прошедших за единицу времени через поперечное сечение проводника, называется силой тока
.
Выражается эта зависимость следующей формулой: , где – сила тока, – количество зарядов, – время.
Единицу силы тока называют ампером
, в честь французского учёного Андре Ампера.
Электропитание всех электрических устройств осуществляется постоянным
и
переменнымтоком
. Электрический ток, направление и значение которого не меняются со временем, называют
постоянным
. А электрический ток, направление и значение которого способны периодически изменяться, называют
переменным
.
Электропитание большинства электротехнических устройств осуществляется переменным током.
А теперь давайте рассмотрим особенности протекания электрического тока в различных средах и его применение.
Итак, при рассмотрении вопроса протекания электрического тока надо учитывать наличие различных носителей тока – элементарных зарядов – характерных для данного физического состояния вещества. Само по себе вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным.
В металлических проводниках ток образуется за счёт движения электронов, имеющих отрицательный заряд. Вообще, все металлы являются проводниками тока. Применение тока в металлах используется для передачи электроэнергии на расстояние.
Из жидкостей электрический ток проводят только электролиты – растворы солей, кислот и щелочей. Прохождение постоянного электрического тока через жидкие среды сопровождается химическими реакциями. Это свойство широко применяют в аккумуляторах, в электрометаллургии для получения алюминия и бокситов, а также при электрохимической обработке материалов и очистке металлов от примесей.
Электрический ток в газовой среде вызывает свечение газа. На основе этого явления работают лампы дневного света, лазеры, прожекторы.
Устройства, которые преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии – свет, тепло, механическую и химическую энергию, – называют приёмниками
или
потребителями электрической энергии
, а в электротехнике –
нагрузкой
.
Для того чтобы электрическое устройство (или нагрузка) работало, его нужно соединить с полюсами источника тока. На практике источник с нагрузкой часто соединяют с помощью дополнительных проводников, в быту и электротехнике их называют проводами.
То, о чём мы сейчас с вами говорили: источник электрической энергии, нагрузка и соединительные провода – всё вместе это называется электрической цепью
.
Итоги урока
На этом уроке мы говорили об электрическом токе и его использовании. Рассмотрели различные источники электроэнергии. Разобрались, как происходит процесс передачи электрической энергии. А также рассмотрели особенности протекания электрического тока в различных средах и его применение.
