Проводники и диэлектрики
Министерство образования и науки Республики Казахстан
ГККП «Горнотехнический колледж, город Степногорск»
при управлении образования Акмолинской области
Кафедра горных и политехнических дисциплин
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Выполнил: студент 2 курса 5 гр.
по специальности «Электроснабжение»
заочного (дневного) отделения
Смелов А.Ю.
Островская О.Н.
Степногорск 2016 г.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Проводники и диэлектрики...................
2. Закон Ома...........................
3. Проводник тока в магнитном поле. Магнитная индукция...........
4. Мощность трехфазной цепи..........................
5. Двухэлектродные электронные лампы (диоды).......................
6. Каково сечение стальной проволоки, если ее сопротивление
2 Ом, а длина 10^3м?........................
Заключение....................
Список использованной литературы....................
2
Проводники и диэлектрики
Проводник - это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. К проводникам относятся все металлы и их сплавы, а также электротехнический уголь(каменный уголь, графит, сажа, смола и т.д.) К жидким проводникам относятся: вода, раствор солей, кислот и щелочей. К газообразным относятся ионизированные газы. Электрический ток в твердых проводниках-это направленное движение свободных электронов под действием ЭДС (электронно-движущая сила)
Свойства проводников:
1.Электрические
-Удельное сопротивление веществ от которого зависит электропроводимость.
-Сверхпроводимость-это свойство некоторых материалов при температуре равной 101(-273) проводить эл.ток без препятствий, т.е. удельное сопротивление этих материалов равно нулю
2.Физические
-плотность
-температура плавления
3.Механические
-Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках.
4.Химические
-Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии.
-Свойства соединятся при помощи пайки, сварки.
Изолятор ( или диэлектрик ) - тело не содержащее внутри свободные электрические заряды. В изоляторах электрический ток невозможен. К диэлектрикам можно отнести - стекло, пластик, резину, картон, воздух. тела изготовленные из диэлектриков называют изоляторами. Диэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением.Используются для защиты проводника от влаги, механических повреждений, пыли.
Диэлектрики бывают
-твердые-все неметаллы;
-жидкие-масла, синтетические жидкости СОВОЛ, СОВТОЛ;
-газообразные-все газы:воздух, кислород, азот и т.д.
Свойства диэлектриков:
1.Электрические свойства
-Электрический пробой-устанавление большого тока, под действием высокого электрического напряжения к электроиоляционному материалу определенной толщины.
-Электрическая прочность-это величина, равная напряжению, при котором может быть пробит электроизоляционному материал толщиной в единицу длины.
2.Физико-химические свойства
-Нагревостойкость-это способность диэлектрика длительно выдерживать заданную рабочую температуру без заметного изменения своих электроизоляционных качеств.
-Холодостойкость-способность материала переносить резкие перепады температуры, от +120, до - 120
-Смачиваемость-способность материала отторгать влагу, испытания проводятся в климатических камерах, типа ELKA, где изделие подвергается увлажнению, создается ТУМАН и мгновенный перепад температуры-СУШКА, и так несколько циклов!
3.Химические
-Должны противостоять активной(агрессивной) среде
-Способность склеиваться
-Растворение в лаках и растворителях, склеиваться
4.Механические
-Защита металлических проводников от коррозии
-Радиационная стойкость
-Вязкость(для жидких диэлектриков)
Вязкость-время истечения жидкости из сосуда, имеющего определенную форму и отверстие
-Предел прочности, твердости
-Обработка инструментом
3
Закон Ома
Закон Ома - физический закон, определяющий зависимость между электрическими величинами - напряжением, сопротивлением и током для проводников. Впервые открыл и описал его в 1826 году немецкий физик Георг Ом, показавший (с помощью гальванометра) количественную связь между электродвижущей силой, электрическим током и свойствами проводника, как пропорциональную зависимость. Впоследствии свойства проводника, способные противостоять электрическому току на основе этой зависимости, стали называть электрическим сопротивлением (Resistance), обозначать в расчётах и на схемах буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя. Сам источник электрической энергии также обладает внутренним сопротивлением, которое принято обозначать буквой r.
Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению. I = U/R значит, если к концам проводника сопротивлением R = 1Ом приложено напряжение U = 1 Вольт, тогда величина тока I в проводнике будет равна 1/1 = 1 Ампер.
Отсюда следуют ещё два полезных соотношения: Если в проводнике, сопротивлением 1 Ом, протекает ток 1 Ампер, значит на концах проводника напряжение 1 Вольт (падение напряжения).
U = IR
Если на концах проводника есть напряжение 1 Вольт и по нему протекает ток 1 Ампер, значит сопротивление проводника равно 1Ом.
R = U/I
Вышеописанные формулы в таком виде могут быть применимы для переменного тока лишь в том случае, если цепь состоит только из активного сопротивления R. Кроме того, следует помнить, что Закон Ома справедлив только для линейных элементов цепи.
Закон Ома для замкнутой цепи
Если к источнику питания подключить внешнюю цепь сопротивлением R, в цепи пойдёт ток с учётом внутреннего сопротивления источника:
I - Сила тока в цепи.
- Электродвижущая сила (ЭДС) - величина напряжения источника питания не зависящая от внешней цепи (без нагрузки). Характеризуется потенциальной энергией источника.
r - Внутреннее сопротивление источника питания.
Для электродвижущей силы внешнеее сопротивление R и внутреннее r соединены последовательно, значит величина тока в цепи определится значением ЭДС и суммой сопротивлений: I = /(R+r)
Напряжение на выводах внешней цепи определится исходя из силы тока и сопротивления R соотношением, которое уже рассматривалось выше: U = IR
Напряжение U, при подключении нагрузки R, всегда будет меньше чем ЭДС на величину произведения I*r, которую называют падением напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания.
С этим ÿвлением мы сталкиваемся достаточно часто, когда видим в работе частично разряженные батарейки или аккумуляторы.
По мере разряда, увеличивается их внутреннее сопротивление, следовательно, увеличивается падение напряжение внутри источника, значит уменьшается внешнее напряжение U = - I*r.
Чем меньше ток и внутреннее сопротивление источника, тем ближе по значению его ЭДС и напряжение на его выводах U.
Если ток в цепи равен нулю, следовательно, = U. Цепь разомкнута, ЭДС источника равна напряжению на его выводах. В случаях, когда внутренним сопротивлением источника можно пренебречь (r ≈ 0), напряжение на выводах источника будет равно ЭДС ( ≈ U ) независимо от сопротивления внешней цепи R. Такой источник питания называют источником напряжения.
Закон Ома для переменного тока
При наличии индуктивности или ёмкости в цепи переменного тока необходимо учитывать их реактивное сопротивление. В таком случае запись Закона Ома будет иметь вид: I = U/Z
Z - полное (комплексное) сопротивление цепи - импеданс. В него входит активная R и реактивная X составляющие.
Реактивное сопротивление зависит от номиналов реактивных элементов, от частоты и формы тока в цепи. С учётом сдвига фаз φ, созданного реактивными элементами, для синусоидального переменного тока обычно записывают Закон Ома в комплексной форме:
- комплексная амплитуда тока. = Iampe jφ
- комплексная амплитуда напряжения. = Uampe jφ
- комплексное сопротивление. Импеданс.
φ - угол сдвига фаз между током и напряжением.
e - константа, основание натурального логарифма.
j - мнимая единица.
Iamp , Uamp - амплитудные значения синусоидального тока и напряжения.
Нелинейные элементы и цепи
Закон Ома не ÿвляется фундаментальным законом природы и может быть применим в ограниченных случаях, например, для большинства проводников. Его невозможно использовать для расчёта напряжения и тока в полупроводниковых или электровакуумных приборах, где эта зависимость не ÿвляется пропорциональной и её можно определять только с помощью вольтамперной характеристики (ВАХ). К данной категории элементов относятся все полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, стабилитроны, тиристоры, варикапы и т.д.) и электронные лампы. Такие элементы и цепи, в которых они используются, называют нелинейными.
4
Проводник тока в магнитном поле. Магнитная индукция
Если в поле (или электромагнита) поместить проводник с током, который создает свое собственное магнитное поле, то оба магнитных поля, взаимодействуя между собой, создадут силу, которая стремиться вытолкнуть проводник из поля. Как видно на рисунке №1 А, магнитные силовые линии поля и проводника слева от него совпадают по направлению и их полностью здесь больше, чем справа от проводника где магнитные силовые линии проводника идут навстречу линиям поля и ослабляют одна другую. Проводник выталкивается из магнитного поля вправо. Если изменить направление тока в проводнике (рисунок №1 Б), то направление силы также изменится.
Сила с которой поле действует на проводник,
F - электромагнитная сила, (Н);
В - магнитная индукция поля, (Т);
I - сила тока в проводнике (А);
l - действующая в поле длина проводника (м).
Для определения направления силы, действующей в магнитном поле, применяют правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца совпадали с направлением тока проводнике, то большой палец укажет направление действия силы, приложенной к проводнику. Если два проводника с током расположить рядом друг с другом, то их магнитные поля будут взаимодействовать. Когда точки в двух параллельных проводах направлены в одну сторону (рисунок №2 А), то проводники притягиваются. Когда же токи направлены в разные стороны, проводники отталкиваются (рисунок №2 В).
Сила взаимодействия проводников, по которым проходят токи,
где I1 и I2 - силы токов в проводниках, (А); l - длина, на которой проводники взаимодействуют, (м); а - расстояние между осями проводников, (м). как видно из формулы №2 , если токи в проводниках равны, сила взаимодействия пропорциональна квадрату тока. Поэтому при коротких замыканиях в обмотках электрических аппаратов возникают очень большие усилия между витками, приводящие к механическим повреждениям аппаратов.
Магни́тная инду́кция -- векторная величина, показывающая, с какой силой F магнитное поле B⃗ действует на заряд q, движущийся со скоростью v⃗ . Где: B⃗ -- это вектор силы Лоренца F, действующей на заряд q, который движется со скоростью v⃗ .
F=q[v⃗ ×B⃗ ]=qvBsinα.
Магнитная индукция ÿвляется основной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля. За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора. Такое исследование позволяет представить пространственную структуру магнитного поля. Аналогично силовым линиям в электростатике можно построить линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор направлен по касательной. В системе СГС магнитная индукция поля измеряется в гауссах (Гс), в системе СИ (система единиц) -- в теслах (Тл), 1 Тл = 104 Гс. Магнитометры, применяемые для измерения магнитной индукции, называют тесламетрами.
Магнитная индукция В - это векторная физическая величина, ÿвляющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке. Она равна отношению максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на ее площадь. Поведение подвешенного горизонтальныого прямолинейного проводника как часть электрической цепи, между полюсами широкого постоянного подковообразного магнита взаимодеймтвует в магнитном поле аналогично рисунку. Например, если магнитное поле между полюсами магнита направлено сверху вниз, то при замыкании цепи магнитные поля тока и магнита начинают взаимодействовать. Если ток в проводнике течет в разных напрвлениях, то по правилу правой руки проводник втягивается в промежуток между полюсами магнита или выталкивается из этого промежутка. Следовательно, сила, с которой внешнее магнитное поле действует на прямолинейный проводник с током, расположенный перпендикулярно линиям магнитной индукции этого поля, направлена перпендикулярно как линиям индукции, так и проводнику. Направление вектора силы Лоренца определяется правилом левой руки (см.Рис.2): в нём за направление тока нужно брать направление вектора скорости v⃗ положительного заряда q. Для случая движения отрицательно заряженных частиц четыре пальца следует располагать противоположно направлению вектора скорости. (Ладонь располагается нормально к вектору вхождения магнитных силовых линий и большой палец даёт направление движения проводника с зарядом).
Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция».
5
Мощность трехфазной цепи
Трехфазная цепь ÿвляется совокупностью трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе на 120o, создаваемые общим источником. Участок трехфазной системы, по которому протекает одинаковый ток, называется фазой. Трехфазная цепь состоит из трехфазного генератора, соединительных проводов и приемников или нагрузки, которые могут быть однофазными или трехфазными.Трехфазный генератор представляет собой синхронную машину. На статоре генератора размещена обмотка, состоящая из трех частей или фаз, пространственно смещенных относительно друг друга на 120o. В фазах генератора индуктируется симметричная трехфазная система ЭДС, в которой электродвижущие силы одинаковы по амплитуде и различаются по фазе на 120 градусов.
Трехфазная цепь ÿвляется обычной цепью синусоидального тока с несколькими источниками. Активная мощность трехфазной цепи равна сумме активных мощностей фаз
эта формула используется для расчета активной мощности в трехфазной цепи при несимметричной нагрузке.
При симметричной нагрузке:
При соединении в треугольник симметричной нагрузки
В обоих случаях
6
Двухэлектродные электронные лампы (диоды)
Двухэлектродная электронная лампа ( диоды) представляет собой баллон, внутри которого находятся два электрода - анод А и катод К. Катод диода нагревается до температур, при которых возникает термоэлектронная эмиссия. При подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения все эмитированные катодом электроны возвращаются на катод, при подаче на анод положительного напряжения часть эмитированных электронов устремляется к аноду, формируя его ток. Таким образом, диод выпрямляет приложенное к нему напряжение. Это свойство диода используется для выпрямления переменного тока и детектирования сигналов высокой частоты. Практический частотный диапазон традиционного вакуумного диода ограничен частотами до 500 МГц. Дисковые диоды, интегрированные в волноводы, способны детектировать частоты до 10 ГГц.
на рис.1 Двухэлектродная электронная лампа - диод
Первая электронная лампа - диод - была изобретена Д. Флемингом (Англия) в 1904 г. По выходной мощности электронные лампы подразделяются на приёмно-усилительные (не св. 10 Вт) и генераторные (св. 10 Вт). На их основе возникли радиосвязь, звуковое радиовещание, телевидение, радиолокация, вычислительная техника. Приёмно-усилительные электронные лампы в 1970-х гг. практически вытеснены полупроводниковыми приборами. Генераторные электронные лампы и поныне используют в радиопередатчиках, измерительных приборах, устройствах экспериментальной физики и т.д.
7
Задача: Каково сечение стальной проволоки, если ее сопротивление 2 Ом, а длина 10^3м?
Дано:
r = 2 Oм (сопротивление проводника)
I = 10 ^3 м = 1000 м (длина проводника в метрах)
Найти: S - ? (сечение стальной проволоки), если удельное сопротивление сталной проволоки p = 0.104
Ршение:
S= p I / r
0.104 1000 / 2 = 52 мм
Ответ: 52 мм.
8
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция».2012 год.
Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова.1993. № 1. С. 190-197
Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.2. Жуховицкий Б.Я., Негневицкий И.Б.
Каплянский А.Е. и др. Теоретические основы электротехники. Изд. 2-е. Учеб. пособие для электротехнических и энергетических специальностей вузов.
Сборник задач и упражнений по теоретическим основам электротехники: Учеб. пособие для вузов/ Под. ред. проф. П.А.Ионкина. -М.
