Меню

Законы протекания тока электрического

Основные законы электротехники

2015-07-16 Теория Один комментарий

Здравствуйте. Как я и обещал в статье Электричество. Основные понятия , в этой части мы продолжим знакомство с основами электротехники, на этот раз рассмотрим основные электротехнические законы.

Начнем наверное с основного закона в электротехнике — закона Ома, открытого в 1826 году немецким физиком Георгом Омом. Я думаю многие о нем слышали и знают, но я все таки напомню:

Сила тока участка электрической цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку и обратно пропорциональна его сопротивлению.

В виде формулы это выглядит так:

I – сила тока, идущего через участок цепи (измеряется в амперах);

U – напряжение на участке цепи (измеряется в вольтах);

R – сопротивление участка цепи (измеряется в Омах);

Для лучшего запоминания закона Ома очень удобно пользоваться вот таким треугольником:

Для нахождения нужного значения, закрываем его пальцем и два оставшихся подскажут, как его найти. Если значения расположены на одном уровне, то значит их необходимо перемножить. Если значения расположены на разном уровне, то тогда необходимо разделить верхний параметр на нижний.

Закон Джоуля — Ленца

Закон Джоуля — Ленца — это физический закон теплового действия электрического тока. Открыт в 1840 году независимо Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцом.

Закон Джоуля — Ленца гласит:

Количество теплоты, выделяемой в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания.

В виде математической формулы это выражение имеет вид:

Q

Q — количество теплоты, выделяемое током (Дж);

I — сила тока, проходящего по проводнику (А);

R — это сопротивление, оказываемое проводником (Ом);

t — время, затрачиваемое на прохождение тока ©;

Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме выглядит так:

Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля

w — мощность выделения тепла в единице объёма;

— плотность электрического тока;

— напряжённость электрического поля;

σ — проводимость среды;

Законы Кирхгофа

Законы Кирхгофа устанавливают соотношения между токами и напряжениями в электрических цепях. Законы Кирхгофа имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности, так как пригодны для решения любых электротехнических задач.

Первый закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в любом узле любой цепи равна нулю .

Или другими словами сумма всех токов, втекающих в узел, равна сумме всех токов, вытекающих из узла.

Рассмотрим первый закон Кирхгофа на примере:

Здесь I2 и I4 — приходящие токи, а I1 и I3 — вытекающие токи

Тогда по правилу Кирхгофа можно записать:

I1 + I2 — I3 +I4 = 0 или I2 + I4 = I1+ I3

Второй закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура.


Иными словами, при полном обходе контура потенциал, изменяясь, возвращается к исходному значению. Частным случаем второго правила для цепи, состоящей из одного контура, является закон Ома для этой цепи.

При составлении уравнения напряжений для контура нужно выбрать положительное направление обхода контура. При этом падение напряжения на ветви считают положительным, если направление обхода данной ветви совпадает с ранее выбранным направлением тока ветви, и отрицательным — в противном случае.

Правила Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.

Источник



Основные законы электрического тока

Закон Ома.

При изучении различных характеристик электрического тока, было выяснено, что существует прямая зависимость между силой тока и сопротивлением. В изучении этой зависимости дальше всех продвинулся немецким ученным Г. Омом. Он пришел к выводу, что сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка. Данная формулировка в честь ее автора была названа „Закон Ома”. Этот закон является самым значимым и важным среди всех законов электрического тока.

Данный закон можно записать в виде формулы — I = U / R .

I — сила тока

U — Напряжение

R — Сопротивление

Из всего выше сказанного можно понять, что между током и напряжением существует жесткая связь (прямая зависимость), во сколько увеличим напряжение во столько же увеличиться и сила тока в цепи.

При помощи закона Ома, зная силу тока и напряжение можно узнать сопротивление участка цепи R = U / I.

Закон электромагнитной индукции .

Важнейшим открытием девятнадцатого века, в области электротехники является открытие Майклом Фарадеем явления электромагнитной индукции. Основной чертой этого явления является то, что при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих определенную поверхность, которая ограничена замкнутым контуром, в последнем возникает электрический ток. В этом и заключается закон электромагнитной индукции.

Закон Джоуля-Ленца .

Многие замечали, что при прохождении тока по проводнику его температура увеличивается, следовательно, при этом затрачивается определенное количество энергии. Было выяснено, что количество выделяемого тепла зависит от силы тока проходящего по проводнику за определенное количество времени, и материала из которого изготовлен проводник, точнее его удельного сопротивления.

Формулировка данного закона имеет вид: „Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению силы тока, сопротивления и времени ”

Q = I 2 Rt.

Исходя из этого, можно сказать, что чем выше сила тока, сопротивление и время прохождения этого тока, тем сильнее будит нагреваться данный проводник.

Источник

ПОСТОЯННЫЙ ТОК

Электрический ток это упорядоченное движение заряженных частиц (электронов и ионов). За направление тока условно принято направление движения положительных зарядов, т.е. от « + » к « — ».

Читайте также:  Циклическая частота протекающего тока

Условия, необходимые для существования электрического тока:

  • Наличие свободных заряженных частиц;
  • Наличие электрического поля, действующего на заряженные частицы с силой в определённом направлении;
  • Наличие замкнутой электрической цепи.

Действия тока:

  1. Тепловое: проводник по которому течет ток нагревается.
  2. Химическое: электрический ток может изменять химический состав проводника (электролита).
  3. Магнитное: ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Вокруг проводника с током существует магнитное поле.

Постоянный ток

Электродвижущая сила.

Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем.

Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических зарядов.

Сторонние силы — любые силы, действующие на электрические заряженные частицы, за исключение сил, электростатического происхождения (т.е. кулоновских).

ЭДС – электродвижущая сила – физическая величина, определяемая работой , совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда от «+» полюса к «-» полюсу внутри источника тока. Является энергетической характеристикой источника тока.

Основные характеристики электрического тока

Виды соединений источников тока

Шунтирование амперметра.

Важным примером применения последовательного и параллельного соединения проводов являются различные схемы включения электроизмерительных приборов. Допустим, что имеется некоторый амперметр, рассчитанный на максимальный ток Imax, а требуется измерить большую силу тока. В этом случае параллельно к амперметру присоединяют малое сопротивление r, по которому направится большая часть тока. Его называют обычно шунтом. Сопротивление амперметра – R, и пусть R/r=n. Сила тока в цепи, амперметре и в шунте равны соответственно I, Iа и Iш

Параллельное присоединение шунта к измерительному прибору с целью изменения его чувствительности называют шунтированием. Схема шунтирования амперметра добавочным малым сопротивлением r.

Постоянный ток. Работа и мощность. Закон Джоуля – Ленца.

Работа электрического поля по перемещению заряда ∆ q из одной точки в другую равна произведению напряжения U между этими точками на величину заряда Dq: A=DqU

Учитывая, что Dq = IDt получаем: A= IUDt = I 2 RDt = Dt

При прохождении тока через проводник происходит его нагревание, значит электрическая энергия переходит в тепловую.

Закон Джоуля – Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени.

Q = I 2 R t – закон Джоуля – Ленца.

Закон открыт экспериментально независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Х.Ленцем. Q = А – по закону сохранения энергии.

Мощность электрического тока равна работе, которая совершается током за единицу времени.

Дополнительные материалы по теме

пост эл ток

закон ома

соединение проводников

закон ома для полной цепи

Конспект урока «Постоянный ток. Формулы и схемы».

Источник

Основные законы электрического тока

Закон Ома : сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка. Сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на этом участке к его сопротивлению.R = const,

I = I1, 1/2 I1, 1/3 I1, …

Закон Джоуля-Ленца. Электрический ток в любом участке цепи выполняет определенную работу. Для примера возьмем какой-либо участок цепи, между концами которого имеется напряжение (U). По определению электрического напряжения, работа, совершаемая при перемещении единицы заряда между двумя точками, равна U. Если сила тока на данном участке цепи равна i, то за время t пройдет заряд it, и поэтому работа электрического тока в этом участке будет: Предположим, что участок цепи представляет собой неподвижный проводник. В этом случае вся работа превратится в тепло, которое выделится в этом проводнике

Электротравматизм, по сравнению с другими видами травматизма составляет 3%, причем 10% этих травм заканчиваются смертельным исходом. Наибольшее число электротравм наблюдается : энергетика — 14,4%, сельское хозяйство — 13%, строительство — 9,3%, машиностроение — 5,42%.

В капиталистических странах ежегодно погибает от электротравм более 30000 человек. Приведенные цифры касаются главным образом средних и тяжелых поражений, т.к.легкие случаи вообще не регистрируются.

Электрический ток очень коварен. Он не имеет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, ни звука, ни каких-либо других, предупреждающих об опасности, факторов. Человек не может посредством своих органов чувств обнаружить на расстоянии наличие напряжения, и обнаруживает его в момент поражения.

Наибольшее число электротравм (60…70 %) происходит при работе на электроустановках напряжением до 1000 В. Это объясняется широким распространением таких установок и довольно низким уровнем подготовки лиц, их эксплуатирующих. Электроустановки напряжением свыше 1000 В встречаются гораздо реже, и обслуживает их персонал, прошедший специальную подготовку, следствием чего является значительно меньшее количество электротравм.

Читайте также:  В чем преимущества многополюсного генератора переменного тока

Электрический ток, протекая через тело человека, производит термическое, электролитическое, биологическое, механическое и световое воздействие. Термическое воздействие характеризуется нагревом кожи и тканей вплоть до ожогов. Электролитическое воздействие заключается в электролитическом разложении жидкостей, в том числе и крови. Биологическое действие электрического тока проявляется в нарушении биологических процессов, протекающих в организме, и сопровождается возбуждением тканей, вплоть до их разрушения, и судорожным сокращением мышц. Механическое действие приводит к механическим повреждениям кожи, тканей, органов и костей. Световое воздействие вызывает повреждение органов зрения.

Различают два вида поражения электрическим током: электрические травмы и электрические удары.

Электрические травмы – это местные поражения тканей и органов. К ним относятся электрические ожоги, электрические знаки, электрометаллизация кожи, механические повреждения в результате непроизвольных судорожных сокращений мышц (разрывы кожи, кровеносных сосудов и нервных волокон, вывихи суставов и переломы костей), а также электроофтальмия — воспаление глаз в результате воздействия ультрафиолетового излучения электрической дуги.

Электрический удар представляет собой возбуждение живых тканей организма, проходящим через него, электрическим током, сопровождающееся непроизвольным сокращением мышц. Электрические удары принято подразделять на четыре степени:

I. Судорожное сокращение мышц без потери сознани

II. Судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранением дыхания и работы сердца;

III. Потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (либо того и другого вместе);

IV. Клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.

Поражение человека электротоком может произойти при прикосновении: к токоведущим частям, находящимся под напряжением; отключенным токоведущим частям, на которых остался заряд или появилось напряжение в результате случайного включения; к металлическим нетоковедущим частям электроустановок после перехода на них напряжения с токоведущих частей. Кроме того, возможно электропоражение напряжением шага при нахождении человека в зоне растекания тока на землю и поражение электрической дугой в установках с напряжением более 1000 В, при приближении к частям, находящимся под напряжением, на недопустимо малое расстояние, зависящее от значения напряжения.

Характер и последствия поражения человека электрическим током зависят от ряда факторов, в частности от электрического сопротивления тела человека, величины тока, времени, в течение которого человек находился под напряжением, рода и частоты тока, схемы включения человека в электрическую цепь, состояния окружающей среды, состояния здоровья и индивидуальных особенностей организма.

Электрическое сопротивление тела человека складывается из сопротивления кожи и сопротивления внутренних тканей. Кожа, в основном верхний ее слой толщиной до 0,2 мм, состоящий из мертвых ороговевших клеток, обладает большим сопротивлением, которое определяет общее сопротивление тела человека. При сухой, чистой и неповрежденной коже сопротивление тела человека составляет до 20000 Ом. При увлажненной и загрязненной коже сопротивление тела уменьшается до 300…500 Ом, т.е. до сопротивления внутренних органов. При расчетах сопротивление тела человека принимается равным 1000 Ом.

Главным фактором, от которого зависит исход поражения, является сила тока, протекающего через тело человека. Чем больше сила тока, тем тяжелее последствия. Человек начинает ощущать проходящий через него ток промышленной частоты 50 Гц со значения 0,5…1,5 мА. Этот ток называется пороговым ощутимым током. Ток силой 10…15 мА вызывает сильные и непроизвольные судороги мышц, которые человек не в состоянии преодолеть, т.е. он не может разжать руку, которой касается токоведущей части или отбросить от себя провод. Такой ток называется пороговым неотпускающим. При силе тока 20…25 мА у человека происходит судорожное сокращение мышц грудной клетки, затрудняется и может прекратиться дыхание, что, в свою очередь может привести к летальному исходу. Ток силой 100 мА называется пороговым фибрилляционным, т.к. он оказывает непосредственное влияние на сердечные мышцы, вызывая остановку сердца или его фибрилляцию (быстрые хаотические и разновременные сокращения волокон сердечной мышцы), при которой сердце перестает работать.

Другим немаловажным фактором, определяющим исход поражения, является длительность времени, в течение которого пострадавший находился под воздействием электрического тока. Так как с течением времени резко возрастает сила тока вследствие уменьшения сопротивления тела и, кроме того, в организме человека накапливаются отрицательные последствия воздействия тока.

Род и частота тока также в значительной степени определяют тяжесть последствий поражения электрическим током. Наиболее опасен переменный ток частотой 20…1000 Гц. При частоте 1000 Гц опасность поражения током значительно снижается.

Состояние окружающей среды (температура, влажность, наличие пыли, паров агрессивных жидкостей) влияет на сопротивление тела человека и сопротивление изоляции оборудования, что в конечном итоге также определяет характер и последствия поражения электрическим током. В зависимости от состояния окружающей среды, помещения подразделяются на сухие, влажные, сырые, особо сырые, жаркие, пыльные с токопроводящей и нетокопроводящей пылью, с химически активной или органической средой. Во всех помещениях, кроме сухих, сопротивление тела человека уменьшается.

Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) все производственные помещения по опасности поражения электрическим током подразделяются на три категории.

Читайте также:  Измерительные трансформаторы тока пуэ

1. Помещения с повышенной опасностью, характеризующиеся наличием одного из следующих признаков: сырости, когда относительная влажность воздуха превышает 75 %; высокой температуры воздуха, превышающей 35°С; токопроводящей пыли; токопроводящих полов; возможности одновременного прикосновения к имеющим соединение с землей металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам и т.п., с одной стороны, и металлическим корпусам электрооборудования – с другой.

2. Особо опасные помещения, характеризующиеся наличием одного из следующих условий: особой сырости, когда относительная влажность воздуха приближается к 100 %; химически активной среды, когда содержащиеся пары или образующиеся отложения действуют разрушающе на изоляцию и токоведущие части оборудования; двух и более признаков одновременно, свойственных помещениям с повышенной опасностью.

3. Помещения без повышенной опасности, характеризующиеся отсутствием признаков повышенной и особой опасности.

Растекание тока в грунте.

Растека ние тока в грунте происходит при замыкании тока на землю в случае повреждения изоляции и пробое фазы на корпус оборудования, при падении на землю провода под напряжением и по другим причинам. Растекание тока замыкания в грунте определяет характер распределения потенциалов на поверхности земли. Для упрощения анализа сделаем следующие допущения: ток стекает в грунт через одиночный заземлитель полусферической формы, грунт однородный и удельное сопротивление грунта (r) во много раз превышает удельное сопротивление материала заземлителя.

Тогда плотность тока в точке А на расстоянии x определяется из зависимости:

где Iз – ток, стекающий с заземлителя в грунт; S = 2p×x 2 – площадь поверхности полусферы радиусом x.

Падение напряжения в элементарном слое грунта толщиной dx выразится через напряженность поля Е и толщину этого слоя: dU = Edx

Напряженность поля определяется законом Ома Е = dr

Потенциал точки А (или напряжение в этой точке) равен падению напряжения от точки А до бесконечно удаленной точки с нулевым потенциалом. Поэтому:

А это ничто иное, как гипербола. Таким образом, потенциал на поверхности грунта распределяется по закону гиперболы.

Напряжение шага.

Величина напряжения шага определяется характером растекания тока в грунте.

Напряжение шага («шаговое напряжение») – это напряжение между точками земли, обусловленное растеканием тока замыкания на землю при одновременном касании этих точек ногами человека.

Численно напряжение шага равно разности потенциалов точек, на которых находятся ноги человека.

При расположении одной ноги человека на расстоянии x от заземлителя и ширине шага a (обычно принимается a = 80 см), получается, что

где b — коэффициент напряжения шага, который зависит от вида заземлителей, расстояния от заземлителя и ширины шага (чем ближе к заземлителю и чем шире шаг, тем b больше).

Напряжение шага максимально у заземлителя и уменьшается по мере удаления от заземлителя; вне поля растекания оно равно нулю. С увеличением ширины шага, напряжение шага также увеличивается.

Ток, обусловленный напряжением шага, Iч = Uш/Rч.

Следует отметить, что при поражении человека напряжением шага, ток протекает по нижней петле, т.е. от одной ноги к другой. Значительные напряжения шага вызывают судорогу в ногах, человек падает, после чего цепь тока замыкается вдоль всего тела человека.

Воздействие статического электричества.

Статическое электричество – это совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности и в объеме диэлектрических и полупроводниковых веществ, материалов, изделий или на изолированных проводниках. Широкое использование в промышленности и в быту диэлектриков и полупроводников значительно расширило область проявления статического электричества. Повышение скоростей технологических процессов способствует усилению процессов электризации. Электризация – это комплекс физических и химических процессов, приводящих к разделению в пространстве зарядов противоположных знаков или к накоплению зарядов одного знака. Суть электризации в том, что нейтральные тела, не проявляющие в нормальном состоянии электрических свойств, становятся электрозаряженными.

Экспериментально установлено, что положительные заряды скапливаются на поверхности того из двух соприкасающихся веществ, диэлектрическая проницаемость которого больше. Если соприкасающиеся вещества имеют одинаковую диэлектрическую проницаемость, то электрические заряды не возникают.

При статической электризации напряжение относительно земли достигает десятков, а то и сотен тысяч вольт. Значения токов при этом очень малы и составляют 10 -7 …10 -3 А.

Опасность возникновения статического электричества проявляется в возможности образования электрических искр и неблагоприятном действии его на организм человека. Искра может служить причиной воспламенения горючих или взрывоопасных смесей газов, паров или пыли с воздухом. Анализ причин пожаров и взрывов на производствах, где перерабатываются или используются взрывоопасные смеси, показывает, что почти 60 % всех взрывов происходит по причине возникновения статического электричества. Статическое электричество оказывает вредное воздействие на организм человека, причем не только при непосредственном контакте с зарядом, но и за счет действия электрического поля, возникающего вокруг заряженных поверхностей.

Наиболее часто применяемой мерой защиты от статического электричества, является заземление. Цель заземления – снятие электрических зарядов с элементов оборудования. При заземлении изолированного проводника, разность потенциалов между проводником и землей становится равной нулю, а возникающие электростатические заряды стекают в землю. Оборудование, являющееся источником возникновения зарядов статического электричества, следует выделять и заземлять независимо от заземления всей технологической цепи.

Источник