+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Шаговое напряжение: понятие, защита

Электрический ток не выявляет никаких внешних знаков опасного присутствия — не существует ни запахов, никаких признаков, вызывающих тревогу. По этой причине пострадавший выясняет, что угодил в зону шагового напряжения тогда, когда уже становится поздно. Электричество наносит поражение неожиданно, после того, как пострадавший начинает движение и становится подключенным к электроцепи.

Что называется шаговым напряжением

Такое напряжение образуется во время обрыва электролинии свыше 0.4 кВ на почву. Земля хорошо проводит электроток и способствует дальнейшему его движению. Каждая точка на почве, в области растекания, обретает конкретный электропотенциал, уменьшаемый по степени отдаления от места касания линии с землей. Электроток поражает в одно мгновение, в ту секунду, когда ноги пострадавшего дотрагиваются 2-х точек, которые имеют различные электропотенциалы.

Шаговое напряжение

В связи с этим определение шагового напряжения (ШН) звучит таким образом — это разность потенциалов образованная 2-мя точками касания с грунтом.

Чем такой шаг больше, тем значительнее разность и тем реальнее возникновение удара электротоком. Величина ШН зависима от удельного сопротивления почвы и размера тока проходящего сквозь землю.

Какая опасность напряжения шага

Максимальное значение ШН определяется при наибольшем приближении человека к лежащему на земле проводу, а минимальное — при удалении его на дистанцию 20 м и дальше. При поражении шаговым напряжением начинаются судороги ножных мускул ног, из-за чего пострадавший падает на почву.

Поражение от ШН

В это мгновение кончается действие шагового напряжения и появляется еще одна, наиболее страшная опасность: взамен нижней петли в теле пострадавшего создается другой, наиболее угрожающий путь электротока, как правило — от рук к ногам, через все жизненно важные органы, тем самым появляется угроза поражения электротоком со смертельным исходом.

Важно! Не менее опасным шаговое напряжение является для крупных домашних животных, поскольку размер хода у них большой и, следовательно, создается громадный размер разности потенциалов, воздействующих на них.

Максимальный радиус

Чрезвычайно значимым показателем при перемещении по зоне токовой утечки считается определение радиуса действия. На уровень поражения человека электротоком оказывают действие следующие факты:

  • на какой дистанции от точки падения он находится;
  • на каких точках потенциала расположены ноги человека.
Максимальный радиус

Самая опасная зона проявляется, обычно, в радиусе 20 м от места падения провода, находящегося под напряжением. Необходимо не забывать, что сырая земля усиливает эффект воздействия и увеличивает радиус. Наиболее серьезным будет ШН от 5 до 8 м от места пробоя, при напряжении в сети более 1000 В. Когда напряжение в точке падения не превосходит 1000 В, то жизненно опасный радиус воздействия напряжения шага сокращается до 5 м.

Обратите внимание! 

Наибольший ущерб жизни человека будет причинен в той ситуации, если одной ногой пострадавший станет стоять на заземлителе, а второй — на шаговом расстоянии от точки заземления. Считается, что средний шаг зрелого мужчины равен примерно 0.80 м.

Какая зона шагового напряжения

Шаговое напряжение находится в зависимости от силы тока и характеристики удельного сопротивления почвы или материала покрытия грунта, сквозь который протекает ток. Сравнительно безопасным считается дистанция от упавшей линии до человека — 20 м.

Зона ШН

Зона воздействия ШН находится в зависимости от различных причин, так же как и степень влияния на человека:

  • Температура наружного воздуха.
  • Материал обуви человека, например, в случае резиновой обуви — возможность нанесения электрического удара минимальна.
  • Присутствие в крови человека спиртосодержащих.
  • Дистанция от точки падения провода.
  • Характеристика и влагосодержание в грунте.
  • Факт наличия открытых царапин на ногах.

Радиус воздействия ШН сильно усиливает влага в атмосфере и на почве. Наиболее небезопасным считается район, в радиусе от 5 до 10 м от места падения линии. Радиус воздействия на водной и почвенной среде рассчитывается по особенным формулам для определения сопротивления среды. Такой расчет дает возможность установить и шаговое напряжение, и неопасную дистанцию.

Как правильно перемещаться и выйти из зоны

Чтобы не стать жертвой электроудара поблизости оторванного провода ЛЭП, необходимо знать, как правильно передвигаться в зоне шагового напряжения. В первую очередь покидают область угрозы, удаляясь на неопасную дистанцию, как минимум 8 м. Во время перемещения в опасных участках токового влияния применяют «гусиный шаг».

Важно! Прикасаться к объектам и людям в области растекания тока — запрещено.

Правильное перемещение

Для возможности покинуть зону ШН, не подвергаясь опасности, нужно соблюдать правила электрической безопасности:

  • Перемещаться по участку напряжения, применяя «гусиный шаг».
  • В период передвижения, пятка идущей ноги ставится к носку опорной.
  • Запрещено отделять подошву от грунта либо другого покрытия земли.
  • Размах шажков нужно уменьшать до максимальной степени.
  • Запрещено перемещаться по месту бегом или прыжками.
  • Запрещено двигаться в направление к лежащему кабелю.
  • Запрещено двигаться спирально.

Дополнительная информация! Для безопасного движения в зоне ШН, в частности для высвобождения человека, необходимо применять специальные электрозащитные средства — диэлектрические боты.

Выход из зоны шагового напряжения

Поражение человека шаговым напряжением наступает с ног. В зависимости от силы тока пострадавший способен почувствовать небольшое покалывание, сокращения мышц, внезапную боль. В особенных ситуациях ШН вызывает паралич одной или двух ног.

Выход из зоны

Перед тем, как выходить из зоны шагового напряжения, нужно выполнить следующие рекомендации:

  1. Если рядом нет никого, кто в силах предоставить помощь, освобождение из опасного участка нужно осуществлять без промедления.
  2. Если имеется возможность, рекомендуется обратиться в МЧС и известить о районе пребывания.
  3. Уходить из зоны ШН прыжками решительно запрещено. В результате падения человека существует опасность поражения электротоком.
  4. После завершения выхода из зоны ШН, необходимо попробовать пометить опасную границу, проинформировать МЧС либо дежурный электроперсонал РЭС о существовании небезопасного участка.

По информации ВОЗ, в 80% самостоятельное освобождение из зоны ШН не несет в себе серьезных последствий для здоровья пострадавших. У 20% выбравшихся из зоны имеются повреждения органов дыхания и затруднения с сердцем.

Меры защиты от шагового напряжения

Существуют всеобщие правила электробезопасности и меры по защите от воздействия электротоком, позволяющие избежать опасных ситуаций для жизнедеятельности человека. Как правило, поражению ШН подвержены электротехнический персонал электрических сетей, которые должны принимать меры защиты от шагового напряжения во время устранения аварийной ситуации в сетях.

Защита от ШН

Выполняя работы в опасной зоне они должны быть одеты в специальную защитную одежду, диэлектрические перчатки и диэлектрические боты. По требованиям ПУЭ, ручки всех без исключения электроинструментов должны быть оснащены изоляционной защитой.

Если, невзирая на все старания, все-таки не получилось избежать удара электротоком, пострадавшему необходимо в самые кратчайшие сроки предоставить первую медпомощь:

  1. Различными допустимыми способами останавливают отрицательное воздействие тока.
  2. Вызывают скорую помощь.
  3. В случае необходимости производится процедура искусственного дыхания и массаж сердца.
  4. Электрический ожог прикрывается обеззараженной повязкой.
  5. Потерпевшему необходимо предоставить покой и направить в медучреждение, вне зависимости от его самочувствия.

Важно! Категорически запрещено закапывать потерпевшего в почву, так как вес усложняет респирацию и нарушает функцию сердечной мышцы. Также запрещается делать окатывание водой, чтобы не допустить переохлаждения организма. Ожоговую рану содержат в чистоте, иначе появляется возможность развития гангрены и столбняка.

Никто не застрахован от воздействия электрического тока. Теперь известно, как правильно перемещаться в зоне шагового напряжения и как оказать первую помощь пострадавшему.

Электробезопасность и шаговое напряжение: меры защиты

  1. Параметры шагового напряжения

В работе объектов, которые эксплуатируют электрическое оборудование, могут возникать экстренные ситуации. Одной из наиболее распространенных является обрыв кабеля, который приводит к тому, что вблизи провода, упавшего на землю, образуется опасное напряжение. Аналогичная ситуация возникает в случае возникновения короткого замыкания на землю. Такие условия принято называть шаговым напряжением. Указанный термин появился в связи с тем, что риск поражения электрическим током возникает из-за разницы потенциалов на коротком расстоянии, примерно равном человеческому шагу.

Параметры шагового напряжения

Опасность данного вида напряжения связана с тем, что при попадании человека в зону поражения через его тело проходит электроток, вызывающий поражения внутренних органов и тканей. Эти обстоятельства приводят к возникновению болевых ощущений и судорог, в результате чего работник падает на землю. Это приводит к появлению дополнительных путей распространения тока. Например, если при первоначальной позиции он проходил только через мышцы ног, то теперь в зоне поражения оказываются руки и все туловище.

Дополнительный риск этой ситуации придает тот факт, что самостоятельно покинуть данную зону пострадавший, подвергшийся опасному воздействию, может с большим трудом. Это связано с тем, что в момент воздействия тока человек испытывает целый ряд неприятных симптомов различной степени интенсивности, в том числе:

  • покалывание в конечностях;
  • спазмирование конечностей;
  • резкие болевые ощущения;
  • полный паралич мышц.

Электробезопасность и шаговое напряжение: меры защиты

Чтобы без посторонней помощи выйти из зоны воздействия тока, пострадавшему следует обеспечить минимальную разницу потенциалов между точками соприкосновения с поверхностью. Это достигается максимально возможным уменьшением длины шага. Также полезным может оказаться так называемый «гусиный шаг» — когда пятка ноги при следующем шаге приставляется к носку другой ноги. Как правило, даже при напряжении более 1000 В радиус зоны поражения составляет не более 8 метров. Поэтому соблюдать такие правила следует на протяжении всего пути. Ни в коем случае не следует прикасаться к каким-либо предметам или людям, которые оказались в данной зоне. В некоторых источниках можно найти рекомендации передвигаться прыжками на одной ноге. Однако следует учитывать, что он чреват падением, которое повлечет за собой более серьезные травмы.

Шаговое напряжение, что это такое? Электробезопасность

Здравствуйте, дорогие читатели. В этой статье мы вам расскажем, про шаговое напряжение, а так же рассмотрим правила перемещения в зоне шагового напряжения. И так начнём. Электричество никаких признаков присутствия опасности не проявляет – нет ни запаха, ни видимых причин для беспокойства, ни каких-либо других проявлений, которые могли бы вызвать тревогу или беспокойство. Поэтому человек узнает о том, что попал в зону воздействия электрического тока только тогда, когда уже слишком поздно.

Электрический ток поражает внезапно, когда человек оказывается включенным в электрическую цепь прохождения тока. Возможностью прохождения электрического тока через тело человека могут послужить непреднамеренное прикосновение к неизолированному проводу (или с поврежденной изоляцией), корпуса устройства или прибора с неисправной изоляцией и любого металлического предмета, случайно оказавшегося под напряжением, а с другой стороны – прикосновении к заземленным предметам, земли и т.д.

Кроме того существует опасность поражения током при попадании под «шаговое напряжение» — это напряжение возникающее при обрыве и падении провода на землю действующей линии электропередач 0,4 кВ и выше. Путь протекания тока не прекращается, если линия электропередач не была отключена. Земля является проводником электрического тока и становится как бы продолжением провода электропередачи. Любая точка на поверхности земли, находящаяся в точке растекания получает определенный потенциал, который уменьшается по мере удаления от точки соприкосновения провода с землей.

   Шаговое напряжение

Попадание под действие электрического тока происходит в момент, когда ноги человека касаются двух точек земли, имеющих разные электрические потенциалы. Поэтому шаговое напряжение – это разница потенциалов между двумя точками соприкосновения с землей, чем шире шаг – тем больше разница потенциалов и тем вероятнее поражение электрическим током. Шаговое напряжение зависит от удельного сопротивления грунта и силы протекающего через него тока.

Опасность шагового напряжения

Напряжение между двумя точками поверхности земли, от стоящими друг от друга на расстоянии шага (0,7-0,8 м), в зоне растекания токов замыкания в радиусе до 20 м случайно оборванного электрического провода, называется шаговым напряжением. Наибольшую величину шаговое напряжение будет иметь при подходе человека к упавшему проводу, а наименьшее — при нахождении его на расстоянии 20 м и более от него. При попадании под шаговое напряжение возникают непроизвольные судорожные сокращения мышц ног и как следствие этого падение человека на землю. В этот момент прекращается действие на человека шагового напряжения и возникает иная, более тяжелая ситуация: вместо нижней петли в теле человека образуется новый, более опасный путь тока, обычно от рук к ногам и создается реальная угроза смертельного поражения током. При попадании в область действия шагового напряжения необходимо выходить из опасной зоны минимальными шажками или прыжками на одной ноге.

Особо опасно шаговое напряжение для крупного рогатого скота, т.к. расстояние шага у этих животных очень велико и соответственно велико напряжение, под которое они попадают. Нередки случаи гибели скота от шагового напряжения.

Рядом с проводом высокого напряжения на поверхности земли в радиусе 8 метров образуется опасная зона, проводящая электрический ток – зона «шагового» напряжения.

Правила перемещения в зоне «шагового» напряжения

НЕЛЬЗЯ

Приближаться бегом или обычным шагом к лежащему проводу или человеку на земле!

НЕЛЬЗЯ

Отрывать подошвы от поверхности земли и делать широкие шаги!

Передвигаться следует только «гусиным шагом» — пятка шагающей ноги, не отрываясь от земли, приставляется к носку другой ноги.

НЕДОПУСТИМО

Прикасаться к пострадавшему или к металическим предметам без предварительного обесточивания!

НЕОБХОДИМО

Как можно быстрее отключить электричество с помощью выключателя, рубильника, вынуть вилку из розетки и т. д.

Способы защиты, электробезопасность

Если вы увидите лежащий на земле провод – ни в коем случае нельзя к нему приближаться. Опасная зона может быть от 5-8 метров вокруг точки соприкосновения провода с землей и больше, в зависимости от класса напряжения линии и состояния земли (мокрая земля увеличивает пространство растекания электрического тока).

При ударе молнии в дерево, молниеотвод или опору электропередач электрический ток поступает в землю и растекается в грунте во все стороны до нескольких десятков метров. В таких местах и может быть шаговое напряжение. То же самое происходит и возле упавшего на землю электрического провода, находящегося под напряжением. Представим себе, что разряд молнии пришелся в дерево, вблизи которого в это время стоял человек. Электрический ток молнии, попадая в землю и растекаясь в ней, проходит и под ногами человека. Если ноги расставлены, то ток входит в одну ногу и, пройдя через тело, уходит в землю через другую. Это и есть шаговое напряжение, в этом случае человек находится под шаговым напряжением.

Чтобы человек не подвергался воздействию тока, там где шаговое напряжение, необходимо все устройства защитного заземления размещать там, где нет людей. В частности, молниеотводы в сельской местности следует заземлять не ближе 4 метров от стен домов и обязательно их ограждать.

Во время грозы надо держаться подальше от опор электропередач, нельзя стоять вблизи высоких деревьев, особенно на открытой местности. Это необходимо и потому, что возле любого выделяющегося на поверхности земли предмета (дерево, мачта, опора ЛЭП, молниеотвод) во время грозы создаются условия, при которых молния устремляется именно к этому предмету, где может случиться шаговое напряжение. Как правило, она поражает все, находящееся в радиусе десятков метров.

При поражении молнией человека, там где произошло шаговое напряжение, пострадавшему надо обязательно сделать искусственное дыхание и закрытый массаж сердца. И немедленно доставить в лечебное учреждение или вызвать «скорую помощь».

В энергетике существует такой термин как «Техника безопасности» – он появился не просто так. Каждая строчка этого свода правил безопасности на действующих и отключенных электроустановках имеет свою историю, которая закончилась плачевно. Поэтому не стоит пренебрегать этими простыми советами, чтобы не попасть под действие электрического тока совершенно неожиданно для себя.

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Напряжение шага и прикосновения

Поражение током возможно при прикосновении к заземленному корпусу электрооборудования, на которое произошло замыкание. В этом случае, когда человек касается одновременно корпуса, оказавшегося под напряжением, и земли, на которой стоит, он может оказаться под напряжением прикосновения U .

Напряжение прикосновения — разность потенциалов между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.

Потенциалы на поверхности грунта при замыкании тока на корпус любого потребителя распределяются по гиперболической кривой. Напряжение прикосновения равно разности потенциалов корпуса электрооборудования и точек почвы, на которых находятся ноги человека. Чем дальше электродвигатель находится от заземлителя, тем под большее напряжение прикосновения человек попадает, и наоборот, чем ближе к заземлителю, тем меньше напряжение прикосновения U . За пределами зоны растекания тока напряжение прикосновения равно напряжению на корпусе оборудования относительно земли.

Рис. Схема прикосновения человека к заземленному оборудованию при напряжении прикосновения:

I-распределение потенциала на поверхности грунта в момент замыкания фазы на корпус; II — напряжение прикосновения U при изменении расстояния от заземлителя; 1,2,3 — корпуса электродвигателей

Напряжение прикосновения и величина тока, протекающего через организм человека при нормальном (неаварийном) режиме работы электроустановки переменного тока частотой 50 Гц, не должны превышать соответственно 2 В и 0,3 мА.

Снизить напряжение прикосновения и силу тока можно за счет малого сопротивления системы защитного заземления или увеличения потенциала поверхности в зоне растекания тока на землю.

При наличии токопроводящих полов или грунта человек, находящийся недалеко от корпуса электрооборудования, на которое произошло замыкание тока, может оказаться под напряжением шага U Напряжение шага возникает вокруг места перехода тока от поврежденной электроустановки в землю.

Напряжение шага — напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага, на которых одновременно стоит человек.

Характер распределения потенциалов на земной поверхности подчиняется гиперболическому закону.

На расстоянии 1 м от места стекания тока на землю потенциал снижается на 68%, на расстоянии 10 м снижение достигает 92%, а на расстоянии 20 м потенциал точек земли практически равен нулю. Такое распределение потенциалов объясняется тем, что вблизи заземлителя площадь проводника-земли малая, поэтому здесь земля оказывает большое сопротивление прохождению тока. По мере удаления от заземлителя сечение проводника-земли увеличивается, сопротивление его уменьшается, следовательно, и падение напряжения уменьшается. На расстоянии более 20 м от места замыкания тока земля практически не оказывает сопротивления прохождению тока.

Человек, находясь в зоне растекания тока, даже не прикасаясь к поврежденному оборудованию, может попасть под высокое напряжение.

Это происходит потому, что различные точки земли, которых касаются ноги человека, имеют различные потенциалы.

Из равенства следует, что напряжение шага зависит от тока замыкания, ширины шага, расстояния от человека до места замыкания тока на землю, а также от удельного сопротивления грунта. По мере удаления от места замыкания напряжение шага становится меньше.

Максимальное значение будет, когда человек одной ногой стоит на участке земли в точке замыкания тока на землю, а другой — на расстоянии шага от этой точки. Минимальное значение соответствует случаю, когда человек стоит на точках с одинаковыми потенциалами, тесно сомкнув ноги. В этом случае = 0.

Напряжение шага является причиной частой гибели людей и крупных животных (коров, лошадей). При обнаружении соединения с землей какой-либо токоведущей части установки запрещается приближение к месту повреждения на расстояние ближе 4 м в помещениях и ближе 10 м — на открытых площадках.

Следует отметить, что характер зависимости напряжения шага от расстояния между человеком и заземлителем противоположен той же зависимости напряжения прикосновения, которое увеличивается с увеличением расстояния.

Без учета дополнительных сопротивлений в электрической цепи человека максимальное напряжение шага меньше напряжения прикосновения. Однако поражение людей при воздействии напряжения шага объясняется тем, что под действием тока в ногах возникают судороги и человек падает, после чего цепь тока замыкается вдоль его тела через дыхательные органы — легкие и сердце, что приводит к параличу их деятельности.

Оказавшись в зоне напряжения шага, выходить из нее следует небольшими шагами (гусиными скользящими шагами) в сторону, противоположную месту предполагаемого замыкания на землю и, в частности, лежащего на земле провода.

Зона растекания тока. Шаговое напряжение. Напряжение прикосновения. Основные понятия дисциплины

зоне замыкания на землю человек может оказаться под разностью потенциалов на расстоянии шага (шаговый потенциал).

            Напряжение между двумя точками цепи тока (поверхности земли), находящимися одна от другой на расстоянии шага (0,8м), на которых одновременно стоит человек называется напряжением  шага.

Напряжение шага — это разность потенциалов j1 и j2 в поле растекания тока по поверхности земли между точками, расположенными на расстоянии шага (принимается » 0,8 м).

 — расстояние 1и 2й точек на поверхности земли, в которых находятся одновременно ноги человека, от заземления.

 — длина шага, принимается равной 0,8 м (предполагается что человек движется по направлению к заземлению или от него).

β2      

 

β1 – коэффициент напряжения, учитывающий закон изменения в зоне растекания;

 — потенциал земли.

β2 — коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях обуви, ног человека; 

β2 =1+ 2 Rосн /Rh, т.е. коэффициент напряжения шага β2 зависит от Rh – сопротивление тела человека, 2Rосн – сопротивление основания стоп

От чего зависит величина напряжения шага?

Величина напряжения шага зависит:

1)  От сопротивления опорной поверхности ног и сопротивления обуви.

2)  От расстояния до заземления.

3)  От расстояния между ногами () относительно источника заземления.

Значения коэффициентов  β1 β2 находят в справочниках для различных типов заземляющих устройств.

Напряжение между точками цепи тока, находящихся одна от другой на расстоянии шага  зависит от ширины шага и удалённости человека от места замыкания на землю. По мере удаления напряжение уменьшается.

Рис.1. Напряжение прикосновения при одиночном заземлителе

1 – распределение напряжения на поверхности земли

2 – изменение напряжения прикосновения от расстояния до заземления

            Как видно из графика  уменьшается с удалением от заземления и увеличивается с приближением. То есть  максимально, если одна нога человека стоит на источнике заземления, а другая находится на расстоянии шага (а=0,8). И шаговое напряжение равно нулю при расстоянии равному х=20м.

Как видно из формулы, если расстояние а=0, то потенциалы равны  и =0. 

Расстояние между ногами должно быть как можно меньше, человек будет находиться под потенциалом, но шаговое напряжение будет минимально. Для выхода из зоны шаговых напряжений необходимо двигаться гусиным шагом.

 Для ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ при случайном попадании в зону растекания тока НЕОБХОДИМО – соединить ноги и не спеша выходить из нее так, чтобы при передвижении ступня одной ноги не выходила за ступню другой!

            Также следует двигаться, как можно дальше от заземления, так как в близи источника заземления разность потенциалов максимальна, или следует двигаться по эквипотенциальным линиям.

Шаговое напряжение вблизи заземлителя, места замыкания на землю и т.д. может вызвать интенсивные судороги мышц, если напряжение в точке растекания составляет 100 — 150 В и более.

   Протекание тока  по пути «нога-нога» еще не является опасным (через сердце протекает сравнительно небольшой ток), но в результате судорог ног человек может упасть и за счет увеличения расстояния между точками опоры (ноги — руки) разность потенциалов возрастает до опасных значений. Петля тока меняется и ток будет уже протекать по БОЛЕЕ ОПАСНОМУ ПУТИ, проходя через жизненно важные органы.

Напряжение прикосновения — это разность потенциалов точек электрической цепи, которых человек касается одновременно, обычно в точках расположения рук и ног.

 — коэффициент напряжения прикосновения;

       — коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий сопротивление тела человека;

Напряжение прикосновения зависит от:

1.  Наличия связи между корпусом и землей (через заземлитель, через

ПУЭ, глава 1.7: терминология, часть 3: y_kharechko — LiveJournal

Продолжение. Начало см. https://y-kharechko.livejournal.com/62558.html , https://y-kharechko.livejournal.com/62764.html .

ПУЭ: «1.7.22. Замыкание на землю − случайный электрический контакт между токоведущими частями, находящимися под напряжением, и землей».
Представленное определение справедливо только для наружных электроустановок, например – воздушных линий электропередачи, в которых возможно прямое замыкание на землю частей, находящихся под напряжением. В закрытых электроустановках, например – в электроустановках зданий, прямого замыкания на землю частей, находящихся под напряжением не происходит. При повреждении основной изоляции опасной части, находящейся под напряжением, электрооборудования класса I происходит её замыкание на открытую проводящую часть. Часть, находящаяся под напряжением, может также замкнуться на защитный проводник или стороннюю проводящую часть.
В главе 1.7 следует использовать определение рассматриваемого термина из п. 20.16 ГОСТ 30331.1 (см. http://y-kharechko.livejournal.com/4077.html , http://y-kharechko.livejournal.com/7044.html ):
«замыкание на землю: Возникновение случайного проводящего пути между частью, находящейся под напряжением, и Землёй или открытой проводящей частью, или сторонней проводящей частью, или защитным проводником».

ПУЭ: «1.7.23. Напряжение на заземляющем устройстве − напряжение, возникающее при стекании тока с заземлителя в землю между точкой ввода тока в заземлитель и зоной нулевого потенциала».
Определение термина в п. 1.7.23 сформулировано некорректно.
Во-первых, в нём указана какая-то точка ввода тока в заземлитель, которая не определена в ПУЭ.
Во-вторых, из рассмотрения изъяты два элемента заземляющего устройства – заземляющий проводник и главная заземляющая шина. Однако практический интерес представляет напряжение на главной заземляющей шине, когда через заземляющее устройство в локальную землю протекает ток замыкания на землю.
В главе 1.7 рассматриваемый термин необходимо определить следующим образом:
напряжение на заземляющем устройстве: Напряжение между главной заземляющей шиной и эталонной землёй, возникающее при протекании электрического тока из заземлителя в землю.

ПУЭ: «1.7.24. Напряжение прикосновения − напряжение между двумя проводящими частями или между проводящей частью и землей при одновременном прикосновении к ним человека или животного.
Ожидаемое напряжение прикосновения − напряжение между одновременно доступными прикосновению проводящими частями, когда человек или животное их не касается».
В стандарте МЭК 60050-195 определены следующие термины:
(эффективное) напряжение прикосновения: напряжение между проводящими частями, когда их одновременно касается человек или животное.
Примечание − На значение эффективного напряжения прикосновения может существенно влиять полное сопротивление человека или животного в электрическом контакте с этими проводящими частями;
ожидаемое напряжение прикосновения: напряжение между одновременно доступными проводящими частями, когда этих проводящих частей не касается человек или животное.
Определения рассматриваемых терминов в главе 1.7 следует привести в соответствие с определениями в стандарте МЭК 60050-195. При этом из названия первого термина и примечания к его определению целесообразно исключить слово «эффективное»:
напряжение прикосновения: Напряжение между проводящими частями при одновременном прикосновении к ним человека или животного.
Примечание – На значение напряжения прикосновения может существенно влиять полное сопротивление тела человека или животного, находящегося в электрическом контакте с этими проводящими частями;
ожидаемое напряжение прикосновения: Напряжение между доступными одновременному прикосновению проводящими частями, когда человек или животное к ним не прикасаются.

ПУЭ: «1.7.25. Напряжение шага − напряжение между двумя точками на поверхности земли, на расстоянии 1 м одна от другой, которое принимается равным длине шага человека».
Это определение соответствует определению термина «шаговое напряжение» в стандарте МЭК 60050-195. Его можно использовать в главе 1.7 без изменений. При этом рассматриваемый термин следует поименовать шаговым напряжением.

ПУЭ: «1.7.26. Сопротивление заземляющего устройства − отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю».
В определении этого термина нет ошибок. Поэтому его можно применять главе 1.7.

ПУЭ: «1.7.27. Эквивалентное удельное сопротивление земли с неоднородной структурой − удельное электрическое сопротивление земли с однородной структурой, в которой сопротивление заземляющего устройства имеет то же значение, что и в земле с неоднородной структурой.
Термин удельное сопротивление, используемый в главе для земли с неоднородной структурой, следует понимать как эквивалентное удельное сопротивление».
В названии и определении рассматриваемого термина слово «земля» целесообразно заменить словом «грунт», поскольку в нормативной и справочной документации приводят значения удельного сопротивления для различных видов грунта: песка, глины, известняка и др. Такие значения, например, указаны в п. D.2 «Удельное сопротивление грунта» ГОСТ Р 50571.5.54 (см. http://y-kharechko.livejournal.com/729.html ).

ПУЭ: «1.7.28. Заземление − преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством».
Процитированное определение имеет недостатки.
Во-первых, в электрических сетях и установках, а также в электрооборудовании заземляют проводящие части, а не какие-то точки.
Во-вторых, это определение не согласовано со следующим определением термина «заземлять» в стандарте МЭК 60050‑195: выполнять электрическое соединение между данной точкой в системе или в установке, или в оборудовании и локальной землёй. В примечании к определению термина разъяснено: присоединение к локальной земле может быть: преднамеренным или непреднамеренным или случайным и может быть постоянным или временным.
В определении стандарта МЭК 60050‑195 вместо точки следует указать проводящую часть. Это также позволит исключить из определения перечисление объектов без ухудшения его качества.
В главе 1.7 следует использовать термин из п. 20.11 ГОСТ 30331.1, лишённый указанных недостатков:
«заземление: Выполнение электрического присоединения проводящих частей к локальной земле.
Примечание – Присоединение к локальной земле может быть:
— преднамеренным;
— непреднамеренным или случайным;
— постоянным или временным».

ПУЭ: «1.7.29. Защитное заземление − заземление, выполняемое в целях электробезопасности».
Этот термин определён в стандарте МЭК 60050‑195 иначе: заземление точки или точек в системе или в установке, или в оборудовании для целей безопасности. Поскольку определение имеет недостатки, указанные выше, его нельзя рекомендовать для применения в ПУЭ.
В главе 1.7 целесообразно использовать определение рассматриваемого термина, заимствованное из п. 20.20 ГОСТ 30331.1:
«защитное заземление: Заземление, выполняемое с целью обеспечения электрической безопасности».

ПУЭ: «1.7.30. Рабочее (функциональное) заземление − заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности)».
Представленное определение содержит недостатки.
Во-первых, в нём использован устаревший термин «токоведущая часть».
Во-вторых, для обеспечения нормального оперирования электрооборудования не всегда требуется заземление его частей, находящихся под напряжением. Часто заземляют проводящие части электрооборудования, которые являются экранами, предназначенными для снижения влияния электромагнитных полей на его чувствительные элементы, а также для защиты человека и животных от электромагнитного излучения. Поэтому в рассматриваемом определении вместо частного термина «токоведущая часть» следовало использовать общий термин «проводящая часть».
Во-третьих, заземляют не точки, а проводящие части.
В-четвёртых, только второе название рассматриваемого термина − «функциональное заземление» соответствует наименованию термина в стандарте МЭК 60050‑195, в котором он определён так: заземление точки или точек в системе или в установке, или в оборудовании для целей иных, чем электрическая безопасность. Однако это определение имеет недостатки, указанные выше. Поэтому его нельзя рекомендовать для применения в ПУЭ.
В главе 1.7 целесообразно использовать определение рассматриваемого термина, заимствованное из п. 20.93 ГОСТ 30331.1:
«функциональное заземление: Заземление, выполняемое по условиям функционирования не в целях электрической безопасности».

ПУЭ: «1.7.31. Защитное зануление в электроустановках напряжением до 1 кВ − преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности».
В процитированном определении допущены грубые ошибки, поскольку в нём упомянуты однофазный ток и трёхфазный ток, которых не существует.
Рассматриваемый термин не применяют в документах МЭК. В них используют термин «защитное заземление», которым обозначают соединение открытых проводящих частей с защитными проводниками, имеющими в системах TN-C, TN-S, TN-С-S электрический контакт с заземлёнными частями источников питания, находящимися под напряжением.
Термин «защитное зануление» следует исключить из ПУЭ и другой национальной нормативной документации. В главе 1.7 необходимо надлежащим образом определить типы заземления системы TN-C, TN-S, TN-С-S (см. https://y-kharechko.livejournal.com/62252.html ), посредством которых более точно идентифицируют присоединение открытых проводящих частей низковольтной электроустановки к заземлённой части источника питания, находящейся под напряжением.

ПУЭ: «1.7.32. Уравнивание потенциалов − электрическое соединение проводящих частей для достижения равенства их потенциалов.
Защитное уравнивание потенциалов − уравнивание потенциалов, выполняемое в целях электробезопасности.
Термин уравнивание потенциалов, используемый в главе, следует понимать как защитное уравнивание потенциалов».
В стандарте МЭК 60050‑195 термин «уравнивание потенциалов» определён иначе: обеспечение электрических соединений между проводящими частями, предназначенное достичь эквипотенциальности.
В главе 1.7 этот термин целесообразно определить так же, как в п. 3.16 ГОСТ IEC 61140:
«уравнивание потенциалов: Выполнение электрических соединений между проводящими частями, для обеспечения эквипотенциальности.
Примечание – Эффективность уравнивания потенциалов может зависеть от частоты электрического тока в соединениях».
Термин «защитное уравнивание потенциалов» целесообразно определить в главе 1.7 так же, как он определён в п. 20.21 ГОСТ 30331.1:
«защитное уравнивание потенциалов: Уравнивание потенциалов, выполняемое с целью обеспечения электрической безопасности».
В главу 1.7 следует включить исходный термин «эквипотенциальность» из п. 20.95 ГОСТ 30331.1:
«эквипотенциальность: Состояние, при котором проводящие части находятся под практически равными электрическими потенциалами».

ПУЭ: «1.7.33. Выравнивание потенциалов − снижение разности потенциалов (шагового напряжения) на поверхности земли или пола при помощи защитных проводников, проложенных в земле, в полу или на их поверхности и присоединенных к заземляющему устройству, или путем применения специальных покрытий земли».
Выравнивание потенциалов является уравниванием потенциалов, выполняемым на поверхности, по которой перемещаться люди и животные. Поэтому рассматриваемый термин целесообразно определить в главе 1.7 кратко:
выравнивание потенциалов: Уравнивание потенциалов, выполняемое на поверхности земли или пола.

Продолжение см. https://y-kharechko.livejournal.com/63382.html , https://y-kharechko.livejournal.com/63605.html .

Электробезопасность

1. Требования безопасности при выполнеии работ по технической эксплуатации ЭПУ.

2. Что такое электроустановка?

3. С какой периодичностью должны испытываться диэлектрические перчатки.

4. Минимальное расстояние, на которое разрешается приближаться к проводу контактной сети лежащему на земле?

5. Понятие шагового напряжения.

6. Раскройте понятие «защитное заземление»?

7. Раскройте понятия «заземляющее устройство» и «заземлитель»?

8. Обязанности ответственного за электрохозяйство.

9. К каким средствам защиты относятся диэлектрические ковры.

10. К каким средствам защиты относятся диэлектрические перчатки.

11. Действия по оказанию первой медицинской помощи при поражении электрическим током.

12. Основые и дополнительные защитные изолирующие средства

13. К какой категории помещений по степени опасности поражения электрическим током относится помещение, в котором влажность превышает 75%.

14. Назовите квалификационные группы по электробезопасности.

15.Какие работы производятся в порядке текущей эксплуатации.

16. На каком расстоянии от конца лезвия отвертки должна оканчиваться изоляция ее металлического стержня?

17. Действия по оказанию первой медицинской помощи при электротравмах.

18. Перечислите технические мероприятия обеспечивающие безопасность работ со снятием напряжения.

19. Что такое заземлитель?

20. Организация работ выполняемых в порядке текущей эксплуатации.

21. Организационные мероприятия обеспечивающие безопасность работ в электроустановках.

22. Раскройте понятие «малое напряжение».

23. Организационные мероприятия обеспечивающие безопасность работ в электроустановках.

24. Какие помещения относятся к помещениями с высокой температурой.

25. Как должна производится утилизация вышедших из строя люминесцентных ламп?

26. Требования безопасности при работе с переносным электрическим агрегатом.

27. Требования безопасности при работе с переносным электрическим агрегатом.

28. Требования безопасности при монтаже и технической эксплуатации станционных герметезированных аккумуляторных батарей.

29. Общие требования пожарной безопасности.

30. Какая группа электробезопасности должна быть у работника имеющего право выдавать наряды и распоряжения на работы в электроустановках до 1000 В?

31. Что представляет собой заземляющее устройство.

32. В каких случаях проводится внеочередная проверка знаний ПЭЭП и ПТБ электроустановок потребителей.

33. Порядок установки переносного заземления.

34. Раскройте понятие «рабочее заземление».

35. Перечислите технические мероприятия, обеспечивающие безопасность работ со снятием напряжения.

36. Назовите признаки помещений с повышенной опасностью.

37. К какой категории помещений по степени опасности поражения электрическим током относится помещение, характеризующееся наличием железобетонного пола?

38. К какой категории помещений по степени опасности поражения электрическим током относится помещение, характеризующееся наличием особой сырости (при относительной влажности близкой к 100%)?

39. К какой категории помещений по степени опасности поражения электрическим током относится помещение, характеризующееся наличием химически активной среды?

40. Порядок производства работ со снятием напряжения при эксплуатации ВОК подвешенного на опоры контактной сети

41. Устройство контура защитного заземления

42. Выравнивание потенциалов

43. Система Уравнивания потенциалов

44. Перечень документации для электроустановки

45. Схема NTX

46. Режимы работы СКМ

назад

Определение ступенчатого напряжения | Law Insider

Относится к

Напряжение ступени

высокое напряжение означает классификацию электрического компонента или цепи, если его рабочее напряжение составляет> 60 В и ≤ 1500 В постоянного тока или> 30 В и ≤ 1000 В переменного тока, среднее значение площадь (среднеквадратичное значение).

низкое напряжение означает набор номинальных уровней напряжения, которые используются для распределения электроэнергии и чей верхний предел обычно принимается как переменный ток. напряжение 1000В (или д.c. напряжение 1500 В). [SANS 1019]

напряжение означает среднеквадратичное значение электрического потенциала между двумя проводниками.

среднее напряжение означает набор номинальных уровней напряжения, которые лежат выше низкого напряжения и ниже высокого напряжения в диапазоне 1 кВ

Диаметр означает диаметр ствола дерева, измеренный вне коры в указанной точке измерения.

Потенциальная выходная электрическая мощность означает номинальную мощность в МВт (эл. с изменениями, внесенными до 23 марта 1993 г.

точка вспышки означает минимальную температуру, при которой жидкость будет выделять достаточно пара для образования воспламеняющейся смеси с воздухом вблизи поверхности жидкости или внутри испытательного сосуда.

Генератор высокого напряжения рентгеновского излучения означает устройство, которое преобразует электрическую энергию из потенциала, подаваемого рентгеновским контролем, в рабочий потенциал трубки. Устройство может также включать средства для преобразования переменного тока в постоянный, трансформаторы накала для рентгеновской трубки (ей), высоковольтные переключатели, электрические защитные устройства и другие соответствующие элементы.

Гидравлический подъемный бак означает бак, содержащий гидравлическую жидкость для механической системы с замкнутым контуром, которая использует сжатый воздух или гидравлическую жидкость для работы лифтов, лифтов и других подобных устройств.

Противодавление означает любое повышение давления в системе трубопроводов ниже по потоку (вызванное насосом, приподнятым резервуаром или трубопроводом, давлением пара и / или воздуха) выше давления подачи воды в точке, которая может вызвать или иметь тенденцию вызывать изменение направления потока на противоположное.

Вес осадка сточных вод означает вес осадка сточных вод в сухих тоннах США, включая такие примеси, как известковые вещества или наполнители. Периодичность мониторинга параметров осадка сточных вод основана на сообщенном весе осадка, образовавшемся за календарный год (используйте данные за последний календарный год, когда разрешение NPDES будет продлено).

Вес процесса означает общий вес всех материалов, вводимых в любую исходную операцию. Заряженное твердое топливо будет считаться частью технологической массы, а жидкое и газообразное топливо и воздух для горения — нет.

Ежегодная (1 / год) частота отбора проб означает, что отбор проб должен проводиться в сентябре, если иное не указано особо в таблице требований к сбросам и мониторингу.

Интенсивность использования энергии (EUI означает kBTU (1000 британских тепловых единиц), используемых на квадратный фут общей площади пола.

Ежегодная (1 / год) частота выборки означает, что выборка будет сделана в сентябре) , если иное специально не указано в таблице требований к сбросам и мониторингу.

Узел двойного обратного клапана означает узел, состоящий из двух одинарных, независимо действующих, обратных клапанов, включая плотно закрывающиеся запорные клапаны, расположенные на каждом конце узла, и подходящие соединения для проверки водонепроницаемости каждого обратного клапана.

Стек означает любую точку в источнике, предназначенную для выброса твердых веществ, жидкостей или газов в воздух, включая трубу или воздуховод, но не включая факелы.

Гидрофторуглероды с высоким потенциалом глобального потепления. означает любые гидрофторуглероды в конкретном конечном использовании, для которого программа политики значительных новых альтернатив (SNAP) Агентства по охране окружающей среды определила другие приемлемые альтернативы, которые имеют более низкий потенциал глобального потепления.Список альтернатив SNAP можно найти в 40 CFR, часть 82, подраздел G, а дополнительные таблицы альтернатив доступны по адресу (http://www.epa.gov/snap/).

Фильтрация из диатомовой земли означает процесс, приводящий к значительному удалению твердых частиц, при котором (i) слой фильтрующего материала из диатомовой земли осаждается на несущей мембране (перегородке), и (ii) вода фильтруется, проходя через После корки на перегородке к питательной воде непрерывно добавляется дополнительная фильтрующая среда, известная как основной поток, чтобы поддерживать проницаемость фильтрационной корки.

Плотность означает население муниципалитета, деленное на количество квадратных миль муниципалитета;

Клапан означает устройство, используемое для регулирования расхода воды в системе орошения.

Насос означает устройство, используемое для повышения давления, приведения в движение или увеличения потока жидких потоков в закрытых или открытых трубопроводах.

Psig означает количество фунтов на квадратный дюйм.

Объем стока означает объем воды, который стекает с участка застройки в результате заданного урагана.

Уровень цифрового сигнала 0 (DS-0 означает сигнал самого низкого уровня в цифровой иерархии мультиплексирования с временным разделением каналов и представляет канал голосового уровня, работающий со скоростью передачи 56 или 64 кбит / с. Всего двадцать: четыре (24) канала DS-0 в DS-1.

Самый верхний водоносный горизонт означает геологическую формацию, ближайшую к естественной поверхности земли, которая является водоносным горизонтом, а также нижние водоносные горизонты, которые гидравлически связаны с этим водоносным горизонтом на территории объекта граница.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОТНОШЕНИЯ — Прикладное промышленное электричество

Столетия назад было обнаружено, что определенные типы материалов загадочным образом притягиваются друг к другу после того, как их натерли друг на друга. Например, если протереть кусок шелка о кусок стекла, шелк и стекло будут иметь тенденцию слипаться. Действительно, сила притяжения могла быть продемонстрирована, даже когда два материала были разделены:

Рис. 2.1.

Стекло и шелк — не единственные материалы, которые, как известно, ведут себя подобным образом.Любой, кто когда-либо касался латексного шара только для того, чтобы обнаружить, что он пытается прилипнуть к нему, испытал то же самое явление. Парафин и шерстяная ткань — еще одна пара материалов, которые ранние экспериментаторы признали проявляющими силу притяжения после трения друг о друга:

Рис. 2.2.

Это явление стало еще более интересным, когда было обнаружено, что идентичные материалы после протирания соответствующей тканью всегда отталкивают друг друга:

Фигура 2.3

Также было отмечено, что когда кусок стекла, натертый шелком, подвергался воздействию куска воска, натертого шерстью, два материала притягивались друг к другу:

Рисунок 2.4

Кроме того, было обнаружено, что любой материал, демонстрирующий свойства притяжения или отталкивания после трения, может быть отнесен к одной из двух различных категорий: притягивается к стеклу и отталкивается воском или отталкивается стеклом и притягивается к воску. Было либо одно, либо другое: не было обнаружено материалов, которые могли бы притягиваться или отталкиваться как стеклом, так и воском, или которые реагировали бы на одно, не реагируя на другое.

Больше внимания было обращено на куски ткани, используемые для растирания. Было обнаружено, что после протирания двух кусков стекла двумя кусками шелковой ткани не только кусочки стекла отталкивались друг от друга, но и ткани. То же самое произошло с кусочками шерсти, которыми натирали воск:

Рисунок 2.5

Это было действительно странно. В конце концов, ни один из этих предметов не претерпел видимых изменений в результате трения, но они определенно вели себя иначе, чем до того, как их натерли.Какое бы изменение ни произошло, заставив эти материалы притягивать или отталкивать друг друга, было незаметно.

Некоторые экспериментаторы предположили, что невидимые «жидкости» переходили от одного объекта к другому в процессе трения и что эти «жидкости» были способны воздействовать на физическую силу на расстоянии. Чарльз Дюфай был одним из первых экспериментаторов, которые продемонстрировали, что существует определенно два разных типа изменений, вызванных трением определенных пар предметов друг о друга. Тот факт, что в этих материалах проявился более чем один тип изменения, был очевиден тем фактом, что были созданы два типа сил: притяжения и отталкивания .Гипотетический перенос жидкости стал известен как заряд .

Один исследователь-новатор, Бенджамин Франклин, пришел к выводу, что между натертыми предметами обменивалась только одна жидкость, и что два разных «заряда» были не чем иным, как избытком или недостатком этой жидкости. После экспериментов с воском и шерстью Франклин предположил, что грубая шерсть удаляет часть этой невидимой жидкости из гладкого воска, вызывая избыток жидкости на шерсти и недостаток жидкости на воске.Возникающее в результате несоответствие содержания жидкости между шерстью и воском могло вызвать силу притяжения, поскольку жидкость пыталась восстановить прежний баланс между двумя материалами.

Постулирование существования единой «жидкости», которая была получена или потеряна в результате трения, лучше всего объясняет наблюдаемое поведение: все эти материалы аккуратно попадают в одну из двух категорий при трении и, что наиболее важно, что два активных материала трутся о них. друг друга всегда попадали в противоположные категории , о чем свидетельствует их неизменное влечение друг к другу.Другими словами, никогда не было времени, когда два материала трулись друг о друга , и оба становились либо положительными, либо отрицательными.

После предположения Франклина о том, что шерсть что-то стирает с воска, тип заряда, который был связан с натертым воском, стал известен как «отрицательный» (поскольку предполагалось, что он имеет недостаток жидкости), в то время как тип заряда, связанный с натирание шерсти стало известно как «положительное» (потому что предполагалось, что в ней будет избыток жидкости).Он и не подозревал, что его невинное предположение в будущем вызовет много путаницы у изучающих электричество!

Точные измерения электрических зарядов были выполнены французским физиком Шарлем Кулоном в 1780-х годах с помощью устройства, называемого крутильными весами , для измерения силы, создаваемой между двумя электрически заряженными объектами. Результаты работы Кулона привели к разработке единицы электрического заряда, названной в его честь, кулонов .Если бы два «точечных» объекта (гипотетические объекты, не имеющие заметной площади поверхности) были бы одинаково заряжены величиной в 1 кулон и поместили их на расстоянии 1 метра (примерно 1 ярд) друг от друга, они бы генерировали силу примерно в 9 миллиардов ньютонов (примерно 2 миллиарда фунтов), либо притягивая, либо отталкивая в зависимости от типа задействованных зарядов. Рабочее определение кулона как единицы электрического заряда (в терминах силы, создаваемой между точечными зарядами) оказалось равным избытку или недостатку примерно в 6 250 000 000 000 000 000 электронов.Или, говоря наоборот, один электрон имеет заряд около 0,00000000000000000016 кулонов. Поскольку один электрон является наименьшим известным носителем электрического заряда, последняя величина заряда электрона определяется как элементарный заряд .
Гораздо позже было обнаружено, что эта «жидкость» на самом деле состоит из очень маленьких кусочков материи, названных электронов , названных так в честь древнегреческого слова, обозначающего янтарь: еще один материал, проявляющий заряженные свойства при трении тканью.

Состав атома

Эксперименты с тех пор показали, что все объекты состоят из чрезвычайно маленьких «строительных блоков», известных как атомов , и что эти атомы, в свою очередь, состоят из более мелких компонентов, известных как частиц . Три основные частицы, составляющие большинство атомов, называются протонами , нейтронами и электронами . Хотя большинство атомов состоит из протонов, нейтронов и электронов, не все атомы имеют нейтроны; Примером является изотоп протия (1h2) водорода (Водород-1), который является самой легкой и наиболее распространенной формой водорода, которая имеет только один протон и один электрон.Атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть, но если бы мы могли взглянуть на один, он мог бы выглядеть примерно так:

Несмотря на то, что каждый атом в куске материала имеет тенденцию держаться вместе как единое целое, на самом деле между электронами и кластером протонов и нейтронов, находящимся посередине, остается много пустого пространства.

Рис. 2.6

Эта грубая модель представляет собой модель элемента углерода с шестью протонами, шестью нейтронами и шестью электронами. В любом атоме протоны и нейтроны очень прочно связаны друг с другом, что является важным качеством.Плотно связанный сгусток протонов и нейтронов в центре атома называется ядром , и количество протонов в ядре атома определяет его элементарную идентичность: измените количество протонов в ядре атома, и вы измените тип атома, который он есть. Фактически, если вы удалите три протона из ядра атома свинца, вы осуществите мечту старых алхимиков о создании атома золота! Тесное связывание протонов в ядре отвечает за стабильную идентичность химических элементов и неспособность алхимиков осуществить свою мечту.

Нейтроны гораздо меньше влияют на химический характер и идентичность атома, чем протоны, хотя их так же трудно добавить в ядро ​​или удалить из него, поскольку они так прочно связаны. Если нейтроны добавляются или приобретаются, атом все равно сохранит ту же химическую идентичность, но его масса немного изменится, и он может приобрести странные ядерные свойства , такие как радиоактивность.

Однако электроны обладают значительно большей свободой передвижения в атоме, чем протоны или нейтроны.Фактически, они могут быть выбиты из своего положения (даже полностью покинув атом!) С гораздо меньшей энергией, чем та, которая требуется для смещения частиц в ядре. Если это произойдет, атом по-прежнему сохраняет свою химическую идентичность, но возникает важный дисбаланс. Электроны и протоны уникальны тем, что они притягиваются друг к другу на расстоянии. Именно это притяжение на расстоянии вызывает притяжение между натертыми объектами, когда электроны удаляются от своих первоначальных атомов и находятся вокруг атомов другого объекта.

Электроны имеют тенденцию отталкивать другие электроны на расстоянии, как и протоны с другими протонами. Единственная причина, по которой протоны связываются вместе в ядре атома, заключается в гораздо большей силе, называемой сильной ядерной силой , которая действует только на очень коротких расстояниях. Считается, что из-за такого поведения притяжения / отталкивания между отдельными частицами электроны и протоны имеют противоположные электрические заряды. То есть каждый электрон имеет отрицательный заряд, а каждый протон — положительный.В равных количествах внутри атома они противодействуют присутствию друг друга, так что общий заряд внутри атома равен нулю. Вот почему в изображении атома углерода шесть электронов: чтобы уравновесить электрический заряд шести протонов в ядре. Если электроны уйдут или появятся дополнительные электроны, общий электрический заряд атома будет разбалансирован, в результате чего атом останется «заряженным» в целом, заставив его взаимодействовать с заряженными частицами и другими заряженными атомами поблизости. Нейтроны не притягиваются и не отталкиваются электронами, протонами или даже другими нейтронами и, следовательно, классифицируются как не имеющие никакого заряда.

Процесс прибытия или ухода электронов — это именно то, что происходит, когда определенные комбинации материалов трются друг о друга: электроны от атомов одного материала вынуждаются трением покинуть свои соответствующие атомы и переходить к атомам другого материала. Другими словами, электроны составляют «жидкость», выдвинутую Бенджамином Франклином.

Что такое статическое электричество?

Результат дисбаланса этой «жидкости» (электронов) между объектами называется статическим электричеством .Это называется «статическим», потому что смещенные электроны стремятся оставаться неподвижными после перемещения из одного изоляционного материала в другой. В случае воска и шерсти путем дальнейших экспериментов было установлено, что электроны в шерсти фактически передаются атомам воска, что прямо противоположно гипотезе Франклина! В честь того, что Франклин назвал заряд воска «отрицательным», а заряд шерсти «положительным», электроны, как говорят, обладают «отрицательным» зарядным влиянием.Таким образом, объект, атомы которого получили избыток электронов, считается заряженным на отрицательно , в то время как объект, атомы которого не имеют электронов, считается заряженным на положительно , сколь бы сбивающими с толку ни казались эти обозначения. К тому времени, когда была открыта истинная природа электрической «жидкости», номенклатура электрического заряда Франклина была слишком хорошо установлена, чтобы ее можно было легко изменить, и так остается по сей день.

Майкл Фарадей доказал (1832 г.), что статическое электричество такое же, как у батареи или генератора.Статическое электричество по большей части доставляет неудобства. В черный порох и бездымный порох добавлен графит для предотвращения возгорания из-за статического электричества. Это вызывает повреждение чувствительных полупроводниковых схем. Хотя возможно производство двигателей с питанием от статического электричества с высоким напряжением и низким током, это неэкономично. Немногочисленные практические применения статического электричества включают ксерографическую печать, электростатический воздушный фильтр и высоковольтный генератор Ван де Граафа.

  • Все материалы состоят из крошечных «строительных блоков», известных как атомов .
  • Все встречающиеся в природе атомы содержат частицы, называемые электронами , протонами и нейтронами , за исключением изотопа протия ( 1 H 1 ) водорода.
  • Электроны имеют отрицательный (-) электрический заряд.
  • Протоны имеют положительный (+) электрический заряд.
  • Нейтроны не имеют электрического заряда.
  • Электроны удаляются из атомов намного легче, чем протоны или нейтроны.
  • Количество протонов в ядре атома определяет его идентичность как уникального элемента.

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под влиянием тепловой энергии комнатной температуры.Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои соответствующие атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами .

Проводники и изоляторы

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень небольшую свободу передвижения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои соответствующие атомы и перейти к атомам другого материала, они не очень легко перемещаются между атомами внутри этого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость . Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками , а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или без свободных электронов) называются изоляторами .

Вот несколько распространенных примеров проводников и изоляторов:

Проводники Изоляторы
серебро стекло
медь резина
золото масло
алюминий асфальт
утюг стекловолокно
сталь фарфор
латунь керамика
бронза кварц
ртуть (сухое) хлопок
графит (сухая) бумага
грязная вода (сухое) дерево
бетон пластик
воздух
алмаз
чистая вода


Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все изоляторы одинаково устойчивы к движению электронов.Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, — «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково светопроводят. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал.Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Также следует понимать, что некоторые материалы изменяют свои электрические свойства в различных условиях. Например, стекло является очень хорошим изолятором при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур.Большинство металлов при нагревании становятся хуже проводниками, а при охлаждении — лучше. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью ) при чрезвычайно низких температурах.

Электронный поток / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут скоординированно перемещаться через проводящий материал. Это равномерное движение электронов мы называем электричеством или электрическим током .Чтобы быть более точным, его можно было бы назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества , которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Так же, как вода, текущая через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».”

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон равномерно движется через проводник, он толкает проводник впереди, так что все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника к другому, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия — трубка, заполненная встык мрамором:

Фигура 2.7

Трубка полна шариков, точно так же, как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под внешним воздействием. Если один шарик внезапно вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 186 000 миль в секунду !!! Однако каждый отдельный электрон проходит через проводник со скоростью , намного медленнее.

Провод для прохождения электронов

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь, так же как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, где он или она хочет, чтобы она текла. Чтобы облегчить это, провода изготовлены из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий, самых разных размеров.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала.Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с мрамором шарики могут течь в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны, чтобы шарики могли вытекать. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «скапливаться» внутри трубки, и мраморный «поток» не произойдет.То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, позволяющего этот поток. Давайте посмотрим на диаграмму, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Рис. 2.8

Тонкая сплошная линия (как показано выше) является условным обозначением непрерывного отрезка провода. Поскольку проволока сделана из проводящего материала, такого как медь, составляющие ее атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проволоке. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда пойти.Добавим гипотетические «Источник» и «Назначение» электрона:

.

Рис. 2.9.

Теперь, когда Источник электронов проталкивает новые электроны в провод с левой стороны, может возникнуть поток электронов через провод (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проволокой, будет нарушен:

Рисунок 2.10

Целостность цепи

Поскольку воздух — изолирующий материал, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь прерван, и электроны не могут течь от источника к месту назначения.Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее сломанных концов: вода не может течь, если нет выхода из трубы. С точки зрения электричества, у нас было состояние электрической цепи , когда провод был одним куском, а теперь эта непрерывность прервана из-за того, что провод был разрезан и отделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к Пункту назначения, и просто вступим в физический контакт с проводом, ведущим к Источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов.Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками провода:

Рисунок 2.11

Теперь у нас есть непрерывность от Источника до вновь созданного соединения, вниз, вправо и вверх до Назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый сегмент трубы к месту назначения. Обратите внимание, что по обрыву провода с правой стороны нет электронов, проходящих через него, потому что он больше не является частью полного пути от Источника к Пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за продолжительных течений. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать тепло в проводнике. Это тема, которую мы рассмотрим более подробно позже.

  • В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить или уходить и называются свободными электронами.
  • В изоляционных материалах внешние электроны не так свободно перемещаются.
  • Все металлы электропроводны.
  • Динамическое электричество или электрический ток — это равномерное движение электронов по проводнику.
  • Статическое электричество — это неподвижное (если на изоляторе) накопленный заряд, образованный избытком или недостатком электронов в объекте. Обычно он образуется путем разделения зарядов путем контакта и разделения разнородных материалов.
  • Для того, чтобы электроны протекали непрерывно (бесконечно) через проводник, должен быть полный, непрерывный путь, по которому они могут двигаться как внутрь, так и из этого проводника.

Вы, возможно, задавались вопросом, как заряды могут непрерывно течь в одинаковом направлении по проводам без использования этих гипотетических Источников и Назначений. Чтобы схема источника и назначения работала, оба должны иметь бесконечную емкость для зарядов, чтобы поддерживать непрерывный поток!

Используя аналогию с мрамором и трубкой из предыдущего раздела о проводниках, изоляторах и потоке электронов, мраморный источник и мраморные приемные ведра должны быть бесконечно большими, чтобы вместить достаточно мрамора для «потока» мрамора. выдержанный.

Что такое цепь?

Ответ на этот парадокс можно найти в концепции схемы : бесконечного зацикленного пути для носителей заряда. Если мы возьмем провод или несколько проводов, соединенных встык, и закрутим его так, чтобы он образовал непрерывный путь, у нас есть средства для поддержки равномерного потока заряда без необходимости прибегать к бесконечным источникам и назначениям:

Рисунок 2.12

Каждый носитель заряда, движущийся по часовой стрелке в этой цепи, толкает носитель перед ним, который толкает носитель перед ним, и так далее, и так далее, точно так же, как хула-хуп, наполненный шариками.Теперь у нас есть возможность поддерживать непрерывный поток заряда бесконечно без необходимости в бесконечных запасах и свалках. Все, что нам нужно для поддержания этого потока, — это постоянные средства мотивации для этих носителей заряда, о которых мы поговорим в следующем разделе этой главы, посвященном напряжению и току.

Wha t Означает ли это, что цепь b roken?

Непрерывность в цепи так же важна, как и в прямом куске провода.Как и в примере с прямым отрезком провода между Источником и Назначением, любой разрыв в этой цепи предотвратит прохождение заряда через нее:

Рис. 2.13

Здесь важно понимать, что не имеет значения, где происходит разрыв . Любое нарушение непрерывности в цепи предотвратит поток заряда по всей цепи. Если не существует непрерывной непрерывной петли из проводящего материала, через которую проходят носители заряда, устойчивый поток просто не может поддерживаться.

Рисунок 2.14

  • Схема представляет собой непрерывную петлю из проводящего материала, которая позволяет носителям заряда непрерывно проходить через нее без начала и конца.
  • Если цепь «разорвана», это означает, что ее проводящие элементы больше не образуют полный путь, и в ней не может происходить непрерывный поток заряда.
  • Местоположение разрыва цепи не имеет отношения к ее неспособности поддерживать непрерывный поток заряда. Любой разрыв , где угодно в цепи предотвращает поток носителей заряда по цепи.

Как упоминалось ранее, нам нужно нечто большее, чем просто непрерывный путь (т. Так же, как мрамор в трубе или вода в трубе, для инициирования потока требуется некоторая сила воздействия. В случае электронов эта сила — это та же сила, которая действует в статическом электричестве: сила, создаваемая дисбалансом электрического заряда.

Если мы возьмем в качестве примера натертые друг на друга воск и шерсть, мы обнаружим, что избыток электронов в воске (отрицательный заряд) и недостаток электронов в шерсти (положительный заряд) создают дисбаланс заряда между ними.Этот дисбаланс проявляется как сила притяжения между двумя объектами:

Рисунок 2.15

Если между заряженным воском и шерстью поместить проводящую проволоку, электроны будут проходить через нее, так как некоторые из избыточных электронов в воске устремляются через провод, чтобы вернуться к шерсти, восполняя там недостаток электронов:

Рис. 2.16

Дисбаланс электронов между атомами воска и атомами шерсти создает силу между двумя материалами. Поскольку электроны не могут перетекать от воска к шерсти, все, что может сделать эта сила, — это притягивать два объекта вместе.

Теперь, когда проводник перекрывает изолирующий зазор, сила заставит электроны течь в однородном направлении через провод, хотя бы на мгновение, пока заряд в этой области не нейтрализуется и сила между воском и шерстью не уменьшится.

Электрический заряд, образованный между этими двумя материалами при трении их друг о друга, служит для хранения определенного количества энергии. Эта энергия мало чем отличается от энергии, накопленной в высоком резервуаре с водой, который выкачивается из пруда нижнего уровня:

Фигура 2.17

Влияние силы тяжести на воду в резервуаре создает силу, которая пытается снова опустить воду на более низкий уровень. Если подходящая труба проложена от резервуара обратно к пруду, вода под действием силы тяжести потечет вниз из резервуара по трубе:

Рис. 2.18

Для перекачки воды из пруда с низким уровнем в резервуар с высоким уровнем требуется энергия, а движение воды по трубопроводу обратно к исходному уровню представляет собой высвобождение энергии, накопленной от предыдущей откачки.

Если вода перекачивается на еще более высокий уровень, для этого потребуется еще больше энергии, таким образом, будет сохранено больше энергии, и больше энергии будет высвобождено, если воде будет позволено снова течь по трубе обратно вниз:

Рис. 2.19.

Электроны мало чем отличаются. Если мы протираем воск и шерсть вместе, мы «выкачиваем» электроны с их нормальных «уровней», создавая условия, при которых существует сила между парафином и шерстью, поскольку электроны стремятся восстановить свои прежние положения (и балансировать внутри своего тела). соответствующие атомы).Сила, притягивающая электроны обратно в исходное положение вокруг положительных ядер их атомов, аналогична силе гравитации, действующей на воду в резервуаре, пытаясь вернуть ее к прежнему уровню. Подобно тому, как перекачка воды на более высокий уровень приводит к накоплению энергии, «перекачка» электронов для создания дисбаланса электрического заряда приводит к накоплению определенного количества энергии в этом дисбалансе. И точно так же, как предоставление возможности для воды стекать обратно с высоты резервуара приводит к высвобождению этой накопленной энергии, предоставление возможности электронам течь обратно к их исходным «уровням» приводит к высвобождению накопленной энергии.

Когда носители заряда уравновешены в этом статическом состоянии (точно так же, как вода, неподвижная, высоко в резервуаре), энергия, хранящаяся там, называется потенциальной энергией , потому что у нее есть возможность (потенциал) высвобождения, которая не была полностью исчерпана. понял еще.

Понятие напряжения

Когда носители заряда находятся в этом статическом состоянии (точно так же, как вода, неподвижная, высоко в резервуаре), энергия, хранящаяся там, называется потенциальной энергией, потому что у нее есть возможность (потенциал) высвобождения, которая еще не полностью реализована. .

Когда вы терзаете обувь с резиновой подошвой о тканевый ковер в сухой день, вы создаете дисбаланс электрического заряда между вами и ковром. При царапании ногами накапливается энергия в виде дисбаланса зарядов, вытесняемых из их первоначальных мест. Этот заряд (статическое электричество) является стационарным, и вы вообще не заметите, что энергия накапливается. Однако, как только вы положите руку на металлическую дверную ручку (с большой подвижностью электронов для нейтрализации вашего электрического заряда), эта накопленная энергия высвободится в виде внезапного потока заряда через вашу руку, и вы будете воспринимать ее как поражение электрическим током!

Эта потенциальная энергия, хранящаяся в виде дисбаланса электрического заряда и способная спровоцировать прохождение носителей заряда через проводник, может быть выражена термином, называемым напряжением, которое технически является мерой потенциальной энергии на единицу заряда или что-то вроде того, что физик назвал бы удельную потенциальную энергию.

Определение напряжения

Определяемое в контексте статического электричества, напряжение — это мера работы, необходимой для перемещения единичного заряда из одного места в другое, против силы, которая пытается сохранить баланс электрических зарядов. В контексте источников электроэнергии напряжение — это количество доступной потенциальной энергии (работы, которую необходимо выполнить) на единицу заряда для перемещения зарядов по проводнику. Поскольку напряжение — это выражение потенциальной энергии, представляющее возможность или потенциал высвобождения энергии при перемещении заряда с одного «уровня» на другой, на него всегда ссылаются между двумя точками.Рассмотрим аналогию с водохранилищем:

. Рисунок 2.20

Из-за разницы в высоте падения существует вероятность того, что гораздо больше энергии будет выпущено из резервуара через трубопровод в точку 2, чем в точку 1. Принцип интуитивно понятен при падении камня: что приводит к при более сильном ударе камень упал с высоты одного фута или тот же камень упал с высоты одной мили?

Очевидно, падение с большей высоты приводит к высвобождению большей энергии (более сильному удару).Мы не можем оценить количество накопленной энергии в водохранилище, просто измерив объем воды, точно так же, как мы можем предсказать серьезность удара падающей породы, просто зная вес породы: в обоих случаях мы также должны учитывать, как далекие эти массы упадут со своей начальной высоты. Количество энергии, высвобождаемой при падении массы, зависит от расстояния между его начальной и конечной точками. Точно так же потенциальная энергия, доступная для перемещения носителей заряда из одной точки в другую, зависит от этих двух точек.Следовательно, напряжение всегда выражается как величина между двумя точками.

Интересно, что аналогия с массой, потенциально «падающей» с одной высоты на другую, является настолько удачной моделью, что напряжение между двумя точками иногда называют падением напряжения .

Генерирующее напряжение

Напряжение можно генерировать другими способами, кроме трения материалов определенных типов друг о друга. Химические реакции, лучистая энергия и влияние магнетизма на проводники — вот несколько способов создания напряжения.Соответствующими примерами этих трех источников напряжения являются батареи, солнечные элементы и генераторы (например, «генератор переменного тока» под капотом вашего автомобиля). На данный момент мы не будем вдаваться в подробности того, как работает каждый из этих источников напряжения — более важно то, что мы понимаем, как источники напряжения могут применяться для создания потока заряда в электрической цепи.

Давайте возьмем символ химической батареи и поэтапно построим схему:

Рисунок 2.21

Как работают источники напряжения?

Любой источник напряжения, включая аккумуляторные батареи, имеет две точки электрического контакта.В этом случае у нас есть точка 1 и точка 2 на приведенной выше диаграмме. Горизонтальные линии различной длины указывают на то, что это батарея, и дополнительно указывают направление, в котором напряжение этой батареи будет пытаться протолкнуть носители заряда по цепи. Тот факт, что горизонтальные линии в символе батареи кажутся разделенными (и, таким образом, не могут служить в качестве пути для потока заряда), не вызывает беспокойства: в реальной жизни эти горизонтальные линии представляют собой металлические пластины, погруженные в жидкий или полутвердый материал. который не только проводит заряды, но и генерирует напряжение, чтобы подтолкнуть их, взаимодействуя с пластинами.

Обратите внимание на маленькие знаки «+» и «-» непосредственно слева от символа батареи. Отрицательный (-) конец батареи всегда является концом с самым коротким тире, а положительный (+) конец батареи всегда является концом с самым длинным тире. Положительный конец батареи — это конец, который пытается вытолкнуть из нее носители заряда (помните, что по традиции мы думаем, что носители заряда заряжены положительно, хотя электроны заряжены отрицательно). Точно так же отрицательный конец — это конец, который пытается привлечь носители заряда.

Если концы «+» и «-» батареи ни к чему не подключены, между этими двумя точками будет напряжение, но не будет потока заряда через батарею, потому что нет непрерывного пути, по которому могут перемещаться носители заряда. .

Рис. 2.22

Тот же принцип справедлив и для аналогии с резервуаром для воды и насосом: без возвратной трубы обратно в пруд накопленная энергия в резервуаре не может быть выпущена в виде потока воды. Когда резервуар полностью заполнен, поток не может возникнуть, независимо от того, какое давление может создать насос.Должен существовать полный путь (контур), по которому вода течет из пруда в резервуар и обратно в пруд для обеспечения непрерывного потока.

Мы можем обеспечить такой путь для батареи, подключив кусок провода от одного конца батареи к другому. Формируя цепь с петлей из проволоки, мы инициируем непрерывный поток заряда по часовой стрелке:

Рисунок 2.23

Понятие об электрическом токе

Пока батарея продолжает вырабатывать напряжение и непрерывность электрического пути не нарушена, носители заряда будут продолжать течь в цепи.Следуя метафоре воды, движущейся по трубе, этот непрерывный, равномерный поток заряда через цепь называется током . Пока источник напряжения продолжает «толкать» в одном направлении, носители заряда будут продолжать двигаться в том же направлении в цепи. Этот однонаправленный поток тока называется постоянного тока или постоянного тока. Во втором томе этой серии книг исследуются электрические цепи, в которых направление тока переключается взад и вперед: переменного тока, или переменного тока.Но пока мы просто займемся цепями постоянного тока.

Поскольку электрический ток состоит из отдельных носителей заряда, текущих в унисон через проводник, перемещаясь и толкая носители заряда впереди, точно так же, как шарики через трубу или вода через трубу, величина потока в одной цепи будет равна то же самое в любой момент. Если бы мы отслеживали поперечное сечение провода в одной цепи, считая протекающие носители заряда, мы бы заметили точно такое же количество в единицу времени, что и в любой другой части цепи, независимо от длины проводника или проводника. диаметр.

Если мы нарушим целостность цепи в любой точке , электрический ток прекратится во всей петле, и полное напряжение, произведенное батареей, будет проявляться в разрыве, между концами проводов, которые раньше были соединены:

Рисунок 2.24

Что такое как полярность падения напряжения?

Обратите внимание на знаки «+» и «-», нарисованные на концах разрыва цепи, и то, как они соответствуют знакам «+» и «-» рядом с выводами аккумулятора.Эти маркеры указывают направление, в котором напряжение пытается подтолкнуть ток, это направление потенциала, обычно называемое , полярность . Помните, что напряжение всегда относительно между двумя точками. По этой причине полярность падения напряжения также является относительной между двумя точками: будет ли точка в цепи помечена знаком «+» или «-», зависит от другой точки, к которой она относится. Взгляните на следующую схему, где каждый угол петли отмечен номером для справки:

Фигура 2.25

При нарушении целостности цепи между точками 2 и 3, полярность падения напряжения между точками 2 и 3 будет «+» для точки 2 и «-» для точки 3. Полярность батареи (1 «+» и 4 « — ”) пытается протолкнуть ток через петлю по часовой стрелке от 1 до 2, от 3 до 4 и снова обратно до 1.

Теперь посмотрим, что произойдет, если мы снова соединим точки 2 и 3 вместе, но сделаем разрыв цепи между точками 3 и 4:

Рисунок 2.26

При разрыве между 3 и 4 полярность падения напряжения между этими двумя точками будет «-» для 4 и «+» для 3.Обратите особое внимание на тот факт, что «знак» точки 3 противоположен знаку в первом примере, где разрыв был между точками 2 и 3 (где точка 3 была помечена «-»). Мы не можем сказать, что точка 3 в этой цепи всегда будет либо «+», либо «-», потому что полярность, как и само напряжение, не зависит от одной точки, а всегда относительна между двумя точками!

  • Носители заряда могут двигаться через проводник с помощью той же силы, которая проявляется в статическом электричестве.
  • Напряжение — это мера удельной потенциальной энергии (потенциальной энергии на единицу заряда) между двумя точками. С точки зрения непрофессионала, это мера «толчка», позволяющая мотивировать обвинение.
  • Напряжение, как выражение потенциальной энергии, всегда относительно между двумя местоположениями или точками. Иногда это называют «падением напряжения».
  • Когда источник напряжения подключен к цепи, напряжение вызывает равномерный поток носителей заряда через эту цепь, называемый током .
  • В одиночной (однопетлевой) схеме величина тока в любой точке такая же, как величина тока в любой другой точке.
  • Если цепь, содержащая источник напряжения, разорвана, полное напряжение этого источника появится в точках разрыва.
  • +/- ориентация падения напряжения называется полярностью . Это также относительное значение между двумя точками.

Схема из предыдущего раздела не очень практична.На самом деле, это может быть довольно опасно строить (прямое соединение полюсов источника напряжения с помощью одного куска провода). Причина, по которой это опасно, заключается в том, что величина электрического тока может быть очень большой в таком коротком замыкании , а выделение энергии может быть очень значительным (обычно в виде тепла).

Обычно электрические цепи строятся таким образом, чтобы максимально безопасно использовать высвобождаемую энергию на практике.

Ток, протекающий через нить накала лампы

Один из практических и популярных способов использования электрического тока — это электрическое освещение.Самая простая форма электрической лампы — это крошечная металлическая «нить» внутри прозрачной стеклянной колбы, которая накаляется добела («накаляется») тепловой энергией, когда через нее проходит достаточный электрический ток. Как и батарея, он имеет две токопроводящие точки подключения: одна для подачи тока, а другая — для вывода тока.

При подключении к источнику напряжения электрическая цепь лампы выглядит примерно так:

Рис. 2.27

Когда ток проходит через тонкую металлическую нить накала лампы, он встречает большее сопротивление движению, чем это обычно бывает в толстом куске провода.Это сопротивление электрическому току зависит от типа материала, его площади поперечного сечения и температуры. Технически он известен как сопротивление . (Можно сказать, что проводники имеют низкое сопротивление, а изоляторы имеют очень высокое сопротивление.) Это сопротивление служит для ограничения количества тока, проходящего через цепь с заданным значением напряжения, подаваемого батареей, по сравнению с «коротким замыканием», когда у нас не было ничего, кроме провода, соединяющего один конец источника напряжения (батареи) с другим.

Когда ток движется против сопротивления сопротивлению, возникает «трение». Точно так же, как механическое трение, трение, создаваемое током, протекающим против сопротивления, проявляется в виде тепла. Концентрированное сопротивление нити накала лампы приводит к тому, что на нити накала рассеивается относительно большое количество тепловой энергии. Этой тепловой энергии достаточно, чтобы нить накаливания стала раскаленной добела, производя свет, в то время как провода, соединяющие лампу с батареей (которые имеют гораздо меньшее сопротивление), едва ли нагреваются, проводя такое же количество тока.

Как и в случае короткого замыкания, если непрерывность цепи нарушена в любой точке, ток прекращается по всей цепи. Если лампа установлена, это означает, что она перестанет светиться:

Рисунок 2.28.

Как и раньше, при отсутствии тока, весь потенциал (напряжение) батареи доступен через разрыв, ожидая возможности соединения, чтобы перемыть этот разрыв и позволить току снова течь. Это состояние известно как разомкнутая цепь , когда разрыв цепи предотвращает ток повсюду.

Все, что требуется, — это однократное прерывание непрерывности, чтобы «разомкнуть» цепь. После повторного подключения любых разрывов и восстановления непрерывности цепи она называется замкнутой цепью .

Основа для включения ламп

То, что мы видим здесь, является основой для включения и выключения ламп с помощью дистанционных выключателей. Поскольку любой разрыв непрерывности цепи приводит к остановке тока по всей цепи, мы можем использовать устройство, предназначенное для преднамеренного разрыва этой непрерывности (называемое переключателем), установленное в любом удобном месте, к которому мы можем провести провода, для управления потоком ток в цепи:

Фигура 2.29

Таким образом выключатель, установленный на стене дома, может управлять лампой, установленной в длинном коридоре или даже в другой комнате, вдали от выключателя. Сам переключатель состоит из пары токопроводящих контактов (обычно сделанных из какого-то металла), соединенных между собой механическим рычажным приводом или кнопкой. Когда контакты соприкасаются друг с другом, ток может течь от одного к другому, и устанавливается непрерывность цепи. Когда контакты разделены, ток от одного к другому предотвращается воздушной изоляцией между ними, и непрерывность цепи нарушается.

Рубильник

Возможно, лучший вид переключателя для иллюстрации основного принципа — это «ножевой» переключатель:

Рис. 2.30

Рубильник — это не что иное, как токопроводящий рычаг, свободно поворачивающийся на шарнире, вступающий в физический контакт с одной или несколькими неподвижными точками контакта, которые также являются токопроводящими.

Переключатель, показанный на иллюстрации выше, построен на фарфоровой основе (отличный изоляционный материал) с использованием меди (отличный проводник) для «лезвий» и точек контакта.Ручка сделана из пластика, чтобы изолировать руку оператора от токопроводящего лезвия переключателя при его открытии или закрытии.

Вот еще один тип рубильника, с двумя неподвижными контактами вместо одного:

Рис. 2.31

Конкретный рубильник, показанный здесь, имеет одно «лезвие», но два неподвижных контакта, что означает, что он может замыкать или размыкать более одной цепи. На данный момент это не так важно, чтобы знать, просто базовая концепция того, что такое переключатель и как он работает.Рубильные переключатели отлично подходят для иллюстрации основного принципа работы переключателя, но они представляют определенные проблемы безопасности при использовании в электрических цепях большой мощности. Открытые проводники рубильника делают случайный контакт с цепью, и любая искра, которая может возникнуть между движущимся ножом и неподвижным контактом, может воспламенить любые находящиеся поблизости горючие материалы. В большинстве современных конструкций переключателей подвижные проводники и точки контакта герметично закрыты изолирующим кожухом, чтобы уменьшить эти опасности.Фотография нескольких современных типов переключателей показывает, что механизмы переключения гораздо более скрыты, чем в конструкции ножа:

Рисунок 2.32

Открытые и закрытые контуры

В соответствии с терминологией «разомкнутой» и «замкнутой» цепей, переключатель, который устанавливает контакт от одной клеммы подключения к другой (пример: рубильник с лезвием, полностью касающимся неподвижной точки контакта), обеспечивает непрерывность подачи тока в протекает и называется переключателем замкнутый .

И наоборот, выключатель, который нарушает целостность цепи (пример: рубильник с лезвием , не касающимся неподвижной точки контакта), не пропускает ток и называется выключателем разомкнутым . Эта терминология часто сбивает с толку новичков, изучающих электронику, потому что слова «открытый» и «закрытый» обычно понимаются в контексте двери, где «открытый» приравнивается к свободному проходу, а «закрытый» — к блокировке. В случае электрических переключателей эти термины имеют противоположные значения: «разомкнутый» означает отсутствие потока, в то время как «замкнутый» означает свободное прохождение электрического тока.

  • Сопротивление — это мера сопротивления электрическому току.
  • Короткое замыкание — электрическая цепь, оказывающая небольшое сопротивление протеканию тока или не имеющая его. Короткие замыкания опасны для источников питания высокого напряжения, поскольку возникающие высокие токи могут вызвать выделение большого количества тепловой энергии.
  • Разрыв цепи — это цепь, в которой непрерывность была нарушена из-за прерывания пути прохождения тока.
  • Замкнутый контур — это комплектный, с хорошей непрерывностью на всем протяжении.
  • Устройство, предназначенное для размыкания или замыкания цепи в контролируемых условиях, называется переключателем .
  • Термины «разомкнутый» и «замкнутый» относятся как к переключателям, так и ко всем цепям. Открытый переключатель — это переключатель без непрерывности: ток не может течь через него. Замкнутый переключатель — это переключатель, который обеспечивает прямой (с низким сопротивлением) путь для прохождения тока.

Поскольку соотношение между напряжением, током и сопротивлением в любой цепи настолько регулярное, мы можем надежно управлять любой переменной в цепи, просто управляя двумя другими. Возможно, самой простой переменной в любой цепи для управления является ее сопротивление. Это можно сделать, изменив материал, размер и форму проводящих компонентов (помните, как тонкая металлическая нить накала лампы создавала большее электрическое сопротивление, чем толстый провод?).

Что такое резистор?

Специальные компоненты, называемые резисторами, производятся специально для создания точного количества сопротивления для вставки в цепь.Обычно они изготавливаются из металлической проволоки или углерода и спроектированы так, чтобы поддерживать стабильное значение сопротивления в широком диапазоне условий окружающей среды. В отличие от ламп, они не излучают свет, но выделяют тепло, поскольку электрическая энергия рассеивается ими в рабочем контуре. Однако, как правило, резистор предназначен не для выработки полезного тепла, а просто для обеспечения точного количества электрического сопротивления.

Условные обозначения и значения на схеме резистора

Наиболее распространенным условным обозначением резистора на схеме является зигзагообразная линия:

Фигура 2.33

Значения резисторов в омах обычно отображаются как смежные числа, и если в цепи присутствует несколько резисторов, они будут помечены уникальным идентификационным номером, например R 1 , R 2 , R 3 , и т.д. Как видите, символы резисторов могут отображаться как по горизонтали, так и по вертикали:

Рис. 2.34

Реальные резисторы не похожи на зигзагообразный символ. Вместо этого они выглядят как маленькие трубки или цилиндры с двумя торчащими проводами для подключения к цепи.Вот образцы резисторов разных типов и размеров:

Рис. 2.35

В соответствии с их внешним видом, альтернативное схематическое обозначение резистора выглядит как небольшая прямоугольная коробка:

Рис. 2.36. Можно также показать, что резисторы

имеют переменное, а не фиксированное сопротивление. Это может быть сделано с целью описания реального физического устройства, разработанного с целью обеспечения регулируемого сопротивления, или может быть для того, чтобы показать какой-то компонент, который просто случайно имеет нестабильное сопротивление:

Фигура 2.37


Фактически, каждый раз, когда вы видите символ компонента, нарисованный через диагональную стрелку, этот компонент имеет переменную, а не фиксированное значение. Этот «модификатор» символа (диагональная стрелка) является стандартным условным обозначением электронных символов.

Переменные резисторы

Переменные резисторы должны иметь какие-либо физические средства регулировки, либо вращающийся вал, либо рычаг, который можно перемещать для изменения величины электрического сопротивления. На фотографии показаны некоторые устройства, называемые потенциометрами, которые можно использовать как переменные резисторы:

Фигура 2.38

Номинальная мощность резисторов

Поскольку резисторы рассеивают тепловую энергию, поскольку электрические токи, проходящие через них, преодолевают «трение» их сопротивления, резисторы также оцениваются с точки зрения того, сколько тепловой энергии они могут рассеять без перегрева и повреждений. Естественно, эта номинальная мощность указывается в физических единицах измерения «ватты». Большинство резисторов, используемых в небольших электронных устройствах, таких как портативные радиоприемники, рассчитаны на 1/4 (0,25) Вт или меньше. Номинальная мощность любого резистора примерно пропорциональна его физическому размеру.Обратите внимание на первую фотографию резистора, как номинальная мощность соотносится с размером: чем больше резистор, тем выше его номинальная рассеиваемая мощность. Также обратите внимание, что сопротивление (в омах) не имеет ничего общего с размером!

Хотя сейчас может показаться бессмысленным иметь устройство, которое ничего не делает, кроме сопротивления электрическому току, резисторы — чрезвычайно полезные устройства в схемах. Поскольку они просты и широко используются в мире электричества и электроники, мы потратим значительное количество времени на анализ схем, состоящих только из резисторов и батарей.

Чем полезны резисторы?

Для практической иллюстрации полезности резисторов, рассмотрите фотографию ниже. Это изображение печатной платы или печатной платы: сборка, состоящая из прослоенных слоев изоляционной фенольной волокнистой платы и проводящих медных полос, в которые можно вставлять компоненты и закреплять их с помощью процесса низкотемпературной сварки, называемого «пайкой». Различные компоненты на этой печатной плате обозначены печатными этикетками. Резисторы обозначаются любой этикеткой, начинающейся с буквы «R».

Рис. 2.39

Эта конкретная печатная плата представляет собой компьютерный аксессуар, называемый «модемом», который позволяет передавать цифровую информацию по телефонным линиям. На плате этого модема можно увидеть как минимум дюжину резисторов (все с мощностью рассеиваемой мощности 1/4 Вт). Каждый из черных прямоугольников (называемых «интегральными схемами» или «микросхемами») также содержит собственный массив резисторов для своих внутренних функций. Другой пример печатной платы показывает резисторы, упакованные в еще меньшие блоки, называемые «устройствами для поверхностного монтажа».Эта конкретная печатная плата является нижней стороной жесткого диска персонального компьютера, и снова припаянные к ней резисторы обозначены этикетками, начинающимися с буквы «R»:

Рисунок 2.40

На этой печатной плате более сотни резисторов для поверхностного монтажа, и это количество, конечно, не включает количество резисторов, встроенных в черные «микросхемы». Эти две фотографии должны убедить любого, что резисторы — устройства, которые «просто» препятствуют прохождению электрического тока, — очень важные компоненты в области электроники!

«Нагрузка» на принципиальных схемах

В схематических диаграммах символы резисторов иногда используются для иллюстрации любого общего типа устройства в цепи, выполняющего что-то полезное с электрической энергией.Любое неспецифическое электрическое устройство обычно называется нагрузкой, поэтому, если вы видите схематическую диаграмму, показывающую символ резистора с пометкой «нагрузка», особенно в учебной принципиальной схеме, объясняющей некоторые концепции, не связанные с фактическим использованием электроэнергии, этот символ может просто быть своего рода сокращенным представлением чего-то еще более практичного, чем резистор.

Анализ цепей резисторов

Чтобы обобщить то, что мы узнали в этом уроке, давайте проанализируем следующую схему, определив все, что мы можем, исходя из предоставленной информации:

Фигура 2.41

Все, что нам здесь дано для начала, — это напряжение батареи (10 вольт) и ток цепи (2 ампера). Нам неизвестно сопротивление резистора в омах или рассеиваемая им мощность в ваттах. Изучая наш массив уравнений закона Ома, мы находим два уравнения, которые дают нам ответы на основе известных величин напряжения и тока:

Закон Ома

[латекс] R = \ frac {E} {I} \ tag {2.1} [/ латекс]

Уравнение мощности

[латекс] P = IE \ tag {2.2} [/ латекс]

Подставляя известные величины напряжения (E) и тока (I) в эти два уравнения, мы можем определить сопротивление цепи (R) и рассеиваемую мощность (P):

Закон Ома:

[латекс] R \: = \ frac {10V} {2A} = 5 \ Omega [/ latex]

Силовой закон:

[латекс] P = (2A) (10 В) = (20 Вт) [/ латекс]

Для условий цепи 10 В и 2 А сопротивление резистора должно быть 5 Ом.Если бы мы проектировали схему для работы при этих значениях, нам пришлось бы указать резистор с минимальной номинальной мощностью 20 Вт, иначе он перегреется и выйдет из строя.

Материалы резистора Резисторы

могут быть изготовлены из самых разных материалов, каждый из которых имеет свои свойства и специфические области применения. Большинство инженеров-электриков используют указанные ниже типы:

Резисторы с проволочной обмоткой (WW) Резисторы с проволочной обмоткой

изготавливаются путем наматывания резистивного провода вокруг непроводящего сердечника по спирали.Обычно они производятся для высокоточных и силовых приложений. Сердечник обычно изготавливается из керамики или стекловолокна, а резистивный провод из никель-хромового сплава не подходит для приложений с частотами выше 50 кГц. Низкий уровень шума и устойчивость к колебаниям температуры являются стандартными характеристиками проволочных резисторов. Доступны значения сопротивления от 0,1 до 100 кВт с точностью от 0,1% до 20%.

Металлопленочные резисторы

Нитрид тантала или нихрома обычно используется для изготовления металлопленочных резисторов.Комбинация керамического материала и металла обычно составляет резистивный материал. Значение сопротивления изменяется путем вырезания спирального рисунка в пленке, очень похоже на углеродную пленку с помощью лазера или абразива. Металлопленочные резисторы обычно менее устойчивы к температуре, чем резисторы с проволочной обмоткой, но лучше справляются с более высокими частотами.

Металлооксидные пленочные резисторы

В металлооксидных резисторах используются оксиды металлов, такие как оксид олова, что немного отличает их от металлических пленочных резисторов.Эти резисторы надежны и стабильны и работают при более высоких температурах, чем металлопленочные резисторы. Из-за этого металлооксидные пленочные резисторы используются в приложениях, требующих высокой прочности.

Фольгированные резисторы

Разработанный в 1960-х годах резистор из фольги по-прежнему остается одним из самых точных и стабильных типов резисторов, которые вы найдете и используются в приложениях с высокими требованиями к точности. Керамическая подложка, к которой приклеена тонкая объемная металлическая фольга, составляет резистивный элемент.Фольговые резисторы имеют очень низкотемпературный коэффициент сопротивления.

Резисторы из углеродного состава (CCR)

До 1960-х годов резисторы из углеродного состава были стандартом для большинства приложений. Они надежны, но не очень точны (их допуск не может быть лучше примерно 5%). Смесь мелких частиц углерода и непроводящего керамического материала используется для резистивного элемента резисторов CCR. Вещество формуют в форме цилиндра и запекают.Размеры корпуса и соотношение углерода и керамики определяют величину сопротивления. Больше углерода, используемого в процессе, означает меньшее сопротивление. Резисторы CCR по-прежнему полезны для определенных приложений из-за их способности выдерживать импульсы высокой энергии, хорошим примером применения может быть источник питания.

Углеродистые пленочные резисторы

Углеродные пленочные резисторы имеют тонкую углеродную пленку (со спиралью, вырезанной в пленке для увеличения резистивного пути) на изолирующем цилиндрическом сердечнике.Это позволяет получить более точное значение сопротивления, а также увеличивает значение сопротивления. Резисторы из углеродной пленки намного точнее, чем резисторы из углеродной композиции. Специальные углеродные пленочные резисторы используются в приложениях, требующих высокой импульсной стабильности.

Показатели эффективности (КПЭ)

Ключевые показатели эффективности для каждого материала резистора можно найти ниже:

Характеристика Металлическая пленка Толстая металлическая пленка Прецизионная металлическая пленка Углеродный состав Углеродная пленка
Темп.диапазон -55 + 125 -55 + 130 -55 + 155 -40 + 105 ,55 + 155
Макс. темп. коэфф. 100 100 15 1200 250-1000
Vмакс. 200-350 250 200 350-500 350-500
Шум (мкВ на вольт приложенного постоянного тока) 0,5 0,1 0.1 4 (100 КБ) 5 (100 КБ)
R Insul. 10000 10000 10000 10000 10000
Припой (изменение значения сопротивления в%) 0,20% 0,15% 0,02% 2% 0,50%
Влажное тепло (изменение значения сопротивления в%) 0,50% 1% 0,50% 15% 3.50%
Срок годности (изменение значения сопротивления,%) 0,10% 0,10% 0,00% 5% 2%
Полный рейтинг (2000 ч при 70 ° C) 1% 1% 0,03% 10% 4%
  • Устройства, называемые резисторами, созданы для обеспечения точного значения сопротивления в электрических цепях. Резисторы оцениваются как по их сопротивлению (Ом), так и по их способности рассеивать тепловую энергию (ватты).
  • Номинальное сопротивление резистора не может быть определено по физическому размеру резистора (ов), о котором идет речь, хотя приблизительная номинальная мощность может быть определена. Чем больше резистор, тем большую мощность он может рассеять без повреждений.
  • Любое устройство, которое выполняет некоторые полезные задачи с помощью электроэнергии, обычно называют нагрузкой. Иногда символы резисторов используются на принципиальных схемах для обозначения неспецифической нагрузки, а не для обозначения фактического резистора.

Поскольку требуется энергия, чтобы заставить заряд течь вопреки сопротивлению, напряжение будет проявляться (или «падать») между любыми точками в цепи с сопротивлением между ними.

Важно отметить, что, хотя величина тока (т. Е. Количество заряда, движущегося мимо заданной точки каждую секунду) в простой схеме одинакова, величина напряжения (потенциальная энергия на единицу заряда) между различными наборами точек в одном контуре могут значительно отличаться:

Рисунок 2.42

Возьмем эту схему в качестве примера. Если мы обозначим четыре точки в этой цепи номерами 1, 2, 3 и 4, мы обнаружим, что количество тока, проводимого через провод между точками 1 и 2, точно такое же, как количество тока, проводимого через лампу. (между пунктами 2 и 3).Такое же количество тока проходит по проводу между точками 3 и 4 и через батарею (между точками 1 и 4).

Однако мы обнаружим, что напряжение, возникающее между любыми двумя из этих точек, прямо пропорционально сопротивлению в проводящем пути между этими двумя точками, учитывая, что величина тока на любой части пути цепи одинакова (что, для этой простой схемы это так).

В нормальной цепи лампы сопротивление лампы будет намного больше, чем сопротивление соединительных проводов, поэтому следует ожидать появления значительного напряжения между точками 2 и 3 и очень небольшого напряжения между точками 1 и 2, или от 3 до 4.Напряжение между точками 1 и 4, конечно, будет полной «силой», обеспечиваемой батареей, которая будет лишь немного больше, чем напряжение на лампе (между точками 2 и 3).

Это, опять же, аналог системы водохранилищ:

Рисунок 2.43

Между точками 2 и 3, где падающая вода высвобождает энергию в водяном колесе, существует разница давлений между двумя точками, отражающая противодействие потоку воды через водяное колесо.От точки 1 до точки 2 или от точки 3 до точки 4, где вода свободно течет через резервуары с небольшим сопротивлением, разница в давлении мала или отсутствует (нет потенциальной энергии). Однако скорость потока воды в этой непрерывной системе одинакова везде (при условии, что уровни воды в пруду и водохранилище неизменны): через насос, через водяное колесо и через все трубы.

То же самое и с простыми электрическими цепями: ток одинаков в каждой точке цепи, хотя напряжения могут различаться в разных наборах точек

Первая и, возможно, самая важная взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением называется законом Ома, который был открыт Георгом Саймоном Омом и опубликован в его статье 1827 года «Гальваническая цепь, исследованная математически».

Напряжение, ток и сопротивление

Электрическая цепь образуется, когда создается проводящий путь, позволяющий электрическому заряду непрерывно перемещаться. Это непрерывное движение электрического заряда через проводники цепи называется током , и его часто называют «потоком», как поток жидкости через полую трубу.

Сила, побуждающая носители заряда «течь» в цепи, называется напряжением .Напряжение — это особая мера потенциальной энергии, которая всегда относительна между двумя точками. Когда мы говорим об определенном количестве напряжения, присутствующем в цепи, мы имеем в виду измерение того, сколько потенциальной энергии существует для перемещения носителей заряда из одной конкретной точки в этой цепи в другую конкретную точку. Без ссылки на две конкретные точки термин «напряжение» не имеет значения.

Ток имеет тенденцию проходить через проводники с некоторой степенью трения или противодействия движению.Это противодействие движению правильнее называть сопротивлением . Сила тока в цепи зависит от величины напряжения и величины сопротивления в цепи, препятствующей прохождению тока. Как и напряжение, сопротивление — это величина, относительная между двумя точками. По этой причине величины напряжения и сопротивления часто указываются как «между» или «поперек» двух точек в цепи.

Единицы измерения: вольт, ампер и ом

Чтобы иметь возможность делать осмысленные утверждения об этих величинах в цепях, нам нужно уметь описывать их количества так же, как мы могли бы количественно определить массу, температуру, объем, длину или любой другой вид физической величины.Для массы мы можем использовать единицы «килограмм» или «грамм». Для температуры мы можем использовать градусы Фаренгейта или градусы Цельсия. Вот стандартные единицы измерения электрического тока, напряжения и сопротивления:

Таблица 2.1

«Символ», данный для каждой величины, представляет собой стандартную буквенную букву, используемую для представления этой величины в алгебраическом уравнении. Подобные стандартизированные буквы распространены в физических и технических дисциплинах и признаны во всем мире.«Аббревиатура единицы» для каждой величины представляет собой алфавитный символ, используемый в качестве сокращенного обозначения для ее конкретной единицы измерения. И да, этот странно выглядящий символ «подкова» — это заглавная греческая буква Ω, просто символ иностранного алфавита (извинения перед читателями-греками).

Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: amp в честь француза Андре М. Ампера, вольт в честь итальянца Алессандро Вольта и Ом в честь немца Георга Симона Ома.

Математический символ для каждой величины также имеет значение. «R» для сопротивления и «V» для напряжения говорят сами за себя, тогда как «I» для тока кажется немного странным. Считается, что буква «I» должна представлять «интенсивность» (потока заряда), а другой символ напряжения, «E», означает «электродвижущую силу». Судя по исследованиям, которые мне удалось провести, можно сказать, что есть некоторые споры о значении слова «я». Символы «E» и «V» по большей части взаимозаменяемы, хотя в некоторых текстах зарезервировано «E» для обозначения напряжения на источнике (таком как батарея или генератор) и «V» для обозначения напряжения на любом другом элементе.

Все эти символы выражаются заглавными буквами, за исключением случаев, когда величина (особенно напряжение или ток) описывается в терминах короткого периода времени (называемого «мгновенным» значением). Например, напряжение батареи, которое стабильно в течение длительного периода времени, будет обозначаться заглавной буквой «E», в то время как пик напряжения при ударе молнии в тот самый момент, когда он попадает в линию электропередачи, скорее всего, будет обозначается строчной буквой «е» (или строчной буквой «v»), чтобы обозначить это значение как имеющееся в один момент времени.То же самое соглашение о нижнем регистре справедливо и для тока, строчная буква «i» обозначает ток в некоторый момент времени. Однако большинство измерений постоянного тока (DC), которые стабильны во времени, будут обозначены заглавными буквами.

Кулон и электрический заряд

Одна из основополагающих единиц электрического измерения, которую часто преподают в начале курсов электроники, но нечасто используют впоследствии, — это единица кулонов , которая представляет собой меру электрического заряда, пропорционального количеству электронов в несбалансированном состоянии.Один кулон заряда равен 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Символом количества электрического заряда является заглавная буква «Q», а единица измерения кулонов обозначается заглавной буквой «C». Бывает так, что единица измерения тока, ампер, равна 1 кулону заряда, проходящего через заданную точку в цепи за 1 секунду. В этих терминах ток равен скорости движения электрического заряда по проводнику.

Как указывалось ранее, напряжение является мерой потенциальной энергии на единицу заряда , доступной для стимулирования протекания тока из одной точки в другую.Прежде чем мы сможем точно определить, что такое «вольт», мы должны понять, как измерить эту величину, которую мы называем «потенциальной энергией». Общая метрическая единица для энергии любого вида — джоулей , равная количеству работы, совершаемой силой в 1 ньютон, возникающей при движении на 1 метр (в том же направлении). В британских подразделениях это чуть меньше 3/4 фунта силы, приложенной на расстоянии 1 фута. Проще говоря, требуется около 1 джоуля энергии, чтобы поднять гирю весом 3/4 фунта на 1 фут от земли или перетащить что-то на расстояние 1 фут, используя параллельную тяговую силу 3/4 фунта.В этих научных терминах 1 вольт равен 1 джоуля электрической потенциальной энергии на (деленный на) 1 кулон заряда. Таким образом, 9-вольтовая батарея выделяет 9 джоулей энергии на каждый кулон заряда, проходящего через цепь.

Эти единицы и символы электрических величин станут очень важны, когда мы начнем исследовать отношения между ними в цепях.

Уравнения закона Ома Принципиальное открытие

Ом заключалось в том, что величина электрического тока, протекающего через металлический проводник в цепи, прямо пропорциональна напряжению, приложенному к нему при любой заданной температуре.Ом выразил свое открытие в виде простого уравнения, описывающего взаимосвязь напряжения, тока и сопротивления:

[латекс] E = IR \ tag {2.3} [/ латекс]

В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно току (I), умноженному на сопротивление (R). Используя методы алгебры, мы можем преобразовать это уравнение в два варианта, решая для I и R соответственно:

[латекс] I = \ frac {E} {R} \ tag {2.4} [/ латекс]

[латекс] R = \ frac {E} {I} \ tag {2.5} [/ латекс]

Анализ простых схем с помощью закона Ома

Давайте посмотрим, как эти уравнения могут работать, чтобы помочь нам анализировать простые схемы:

Рисунок 2.44

В приведенной выше схеме есть только один источник напряжения (батарея слева) и только один источник сопротивления току (лампа справа). Это позволяет очень легко применять закон Ома. Если мы знаем значения любых двух из трех величин (напряжения, тока и сопротивления) в этой цепи, мы можем использовать закон Ома для определения третьей.

В этом первом примере мы рассчитаем величину тока (I) в цепи, учитывая значения напряжения (E) и сопротивления (R):

Рисунок 2.45

Какая величина тока (I) в этой цепи?

[латекс] I = \ frac {E} {R} [/ latex] [latex] = \ frac {12V} {3 \ Omega} = 4A [/ latex]

В этом втором примере мы рассчитаем величину сопротивления (R) в цепи, учитывая значения напряжения (E) и тока (I):

Какое сопротивление (R) дает лампа?

[латекс] R = \ frac {E} {I} [/ latex] [latex] = \ frac {36V} {4A} = 9 \ Omega [/ latex]

В последнем примере мы рассчитаем величину напряжения, подаваемого батареей, с учетом значений тока (I) и сопротивления (R):

Фигура 2.46

Какое напряжение обеспечивает аккумулятор?

[латекс] E = IR [/ латекс] [латекс] = (2A) (7 \ Omega) = 14V [/ латекс]

Метод треугольника закона Ома

Закон Ома — очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он так часто используется при изучении электричества и электроники, что серьезный студент должен запомнить его. Для тех, кто еще не знаком с алгеброй, есть уловка, позволяющая вспомнить, как найти любую одну величину, учитывая две другие.Сначала расположите буквы E, I и R в виде треугольника следующим образом:

Рисунок 2.45


Если вы знаете E и I и хотите определить R, просто удалите R с картинки и посмотрите, что осталось:

Рисунок 2.46


Если вы знаете E и R и хотите определить I, удалите I и посмотрите, что осталось:

Рисунок 2.47


Наконец, если вы знаете I и R и хотите определить E, удалите E и посмотрите, что осталось:

Рис. 2.48


В конце концов, чтобы серьезно изучать электричество и электронику, вам придется познакомиться с алгеброй, но этот совет может облегчить запоминание ваших первых вычислений.Если вы знакомы с алгеброй, все, что вам нужно сделать, это зафиксировать E = IR в памяти и вывести из нее две другие формулы, когда они вам понадобятся!

  • Напряжение измеряется в вольтах , обозначается буквами «E» или «V».
  • Ток измеряется в амперах , обозначается буквой «I».
  • Сопротивление измеряется в Ом. обозначается буквой «R».
  • [латекс] \ text {Закон Ома:} E = IR [/ latex]; [латекс] I = \ frac {E} {R} [/ latex]; [латекс] R = \ frac {E} {I} [/ latex]

Изучите формулу мощности

Мы видели формулу для определения мощности в электрической цепи: умножая напряжение в вольтах на ток в амперах, мы получаем ответ в ваттах.»Давайте применим это к примеру схемы:

В приведенной выше схеме мы знаем, что у нас напряжение батареи 18 В и сопротивление лампы 3 Ом. Используя закон Ома для определения силы тока, получаем:

[латекс] I = \ frac {E} {R} [/ latex] [latex] = \ frac {18V} {3 \ Omega} = 6A [/ latex]

Теперь, когда мы знаем ток, мы можем взять это значение и умножить его на напряжение, чтобы определить мощность:

[латекс] P = IE [/ латекс] [латекс] = (6A) (18 В) = 108 Вт [/ латекс]

Это говорит нам о том, что лампа рассеивает (выделяет) 108 Вт мощности, скорее всего, в форме света и тепла.

Повышение напряжения батареи

Давайте попробуем взять ту же схему и увеличить напряжение батареи, чтобы увидеть, что произойдет. Интуиция подсказывает нам, что ток в цепи будет увеличиваться с увеличением напряжения, а сопротивление лампы останется прежним. Аналогично увеличится и мощность:

Теперь напряжение батареи 36 вольт вместо 18 вольт. Лампа по-прежнему обеспечивает электрическое сопротивление 3 Ом для прохождения тока. Текущий сейчас:

[латекс] I = \ frac {E} {R} [/ latex] [latex] = \ frac {36V} {3 \ Omega} = 12A [/ latex]

Это понятно: если I = E / R, и мы удваиваем E, а R остается неизменным, ток должен удвоиться.Действительно, есть: теперь у нас 12 ампер тока вместо 6. А что насчет мощности?

[латекс] P = IE [/ латекс] [латекс] = (12A) (36V) = 432W [/ латекс]

Как повышение напряжения батареи влияет на мощность?

Обратите внимание, что мощность увеличилась, как мы и предполагали, но она увеличилась немного больше, чем ток. {2} R [/ latex]

Джоуля Закон против.Закон Ома

Историческая справка: именно Джеймс Прескотт Джоуль, а не Георг Саймон Ом первым открыл математическую связь между рассеиваемой мощностью и током через сопротивление. Это открытие, опубликованное в 1841 году, имело форму последнего уравнения (P = I 2 R) и широко известно как закон Джоуля. Однако эти уравнения мощности настолько часто связаны с уравнениями закона Ома, связывающими напряжение, ток и сопротивление (E = IR; I = E / R; и R = E / I), что они часто приписываются Ому.{2}} {R} [/ латекс]

До сих пор мы анализировали схемы с одним аккумулятором и одним резистором без учета соединительных проводов между компонентами, пока формируется полная цепь. Имеет ли значение для наших расчетов длина провода или «форма» цепи? Давайте посмотрим на несколько принципиальных схем и узнаем:

Рис. 2.49

Когда мы рисуем провода, соединяющие точки в электрической цепи, мы обычно предполагаем, что эти провода имеют незначительное сопротивление. Как таковые, они не вносят заметного влияния на общее сопротивление цепи, и поэтому единственное сопротивление, с которым нам приходится бороться, — это сопротивление компонентов.В приведенных выше схемах единственное сопротивление исходит от резисторов 5 Ом, так что это все, что мы будем учитывать в наших расчетах. В реальной жизни металлические провода действительно имеют сопротивление (как и источники питания!), Но эти сопротивления, как правило, намного меньше, чем сопротивление, присутствующее в других компонентах схемы, что их можно безопасно игнорировать. Исключения из этого правила существуют в электропроводке энергосистемы, где даже очень небольшое сопротивление проводника может вызвать значительные падения напряжения при нормальных (высоких) уровнях тока.

Электрически общие точки в цепи

Если сопротивление соединительного провода очень мало или отсутствует, мы можем рассматривать подключенные точки в цепи как электрически общие . То есть точки 1 и 2 в вышеуказанных схемах могут быть физически соединены близко друг к другу или далеко друг от друга, и это не имеет значения для любых измерений напряжения или сопротивления относительно этих точек. То же самое касается точек 3 и 4. Это как если бы концы резистора были присоединены непосредственно к клеммам батареи, что касается наших расчетов по закону Ома и измерений напряжения.Это полезно знать, потому что это означает, что вы можете заново нарисовать принципиальную схему или повторно подключить цепь, сокращая или удлиняя провода по желанию, не оказывая заметного влияния на работу схемы. Важно только то, что компоненты прикрепляются друг к другу в одинаковой последовательности.

Это также означает, что измерения напряжения между наборами «электрически общих» точек будут одинаковыми. То есть напряжение между точками 1 и 4 (непосредственно на батарее) будет таким же, как напряжение между точками 2 и 3 (непосредственно на резисторе).Внимательно посмотрите на следующую схему и попытайтесь определить, какие точки являются общими друг для друга:

Рисунок 2.50

Здесь у нас есть только 2 компонента, не считая проводов: батарея и резистор. Хотя соединительные провода образуют законченную цепь извилистым путем, на пути тока есть несколько электрически общих точек. Точки 1, 2 и 3 являются общими друг для друга, потому что они напрямую связаны друг с другом проводом. То же самое касается пунктов 4, 5 и 6.

Напряжение между точками 1 и 6 составляет 10 вольт, идущее прямо от батареи.Однако, поскольку точки 5 и 4 являются общими для 6, а точки 2 и 3 являются общими для 1, те же 10 вольт также существуют между этими другими парами точек:

  • Между точками 1 и 4 = 10 вольт
  • Между точками 2 и 4 = 10 вольт
  • Между точками 3 и 4 = 10 В (непосредственно через резистор)
  • Между точками 1 и 5 = 10 В Между точками 2 и 5 = 10 В
  • Между точками 3 и 5 = 10 В Между точками 1 и 6 = 10 В (непосредственно на батарее)
  • Между точками 2 и 6 = 10 В Между точками 3 и 6 = 10 В

Поскольку электрически общие точки соединены вместе проводом (нулевого сопротивления), между ними нет значительного падения напряжения, независимо от величины тока, проходящего от одной к другой через этот соединительный провод.Таким образом, если бы мы считали напряжения между общими точками, мы должны были бы показать (практически) ноль:

  • Между точками 1 и 2 = 0 вольт
  • Точки 1, 2 и 3 между точками 2 и 3 = 0 вольт электрически общие
  • Между точками 1 и 3 = 0 вольт
  • Между точками 4 и 5 = 0 вольт
  • Точки 4, 5 и 6 между точками 5 и 6 = 0 вольт электрически общий.
  • Между точками 4 и 6 = 0 вольт

Расчет падения напряжения по закону Ома

Это тоже имеет смысл математически.С батареей на 10 В и резистором 5 Ом ток в цепи будет 2 ампера. Если сопротивление провода равно нулю, падение напряжения на любом непрерывном участке провода можно определить с помощью закона Ома как такового:

[латекс] E = IR [/ латекс]

[латекс] E = (2A) (0 \ Omega) [/ латекс]

[латекс] \ textbf {E = 0V} [/ латекс]

Должно быть очевидно, что рассчитанное падение напряжения на любой непрерывной длине провода в цепи, где предполагается, что провод имеет нулевое сопротивление, всегда будет равно нулю, независимо от величины тока, поскольку ноль, умноженный на что-либо, равен нулю.

Поскольку общие точки в цепи будут иметь одинаковые значения относительного напряжения и сопротивления, провода, соединяющие общие точки, часто имеют одно и то же обозначение. Это не означает, что точки подключения клеммы имеют одинаковую маркировку, только соединительные провода. Возьмем для примера эту схему:

Рис. 2.56.

Точки 1, 2 и 3 являются общими друг для друга, поэтому точки подключения проводов 1–2 обозначены так же (провод 2), что и точки подключения проводов 2–3 (провод 2).В реальной схеме провод, тянущийся от точки 1 до 2, может даже не быть того же цвета или размера, что и провод, соединяющий точку 2 и 3, но они должны иметь точно такую ​​же метку. То же самое касается проводов, соединяющих точки 6, 5 и 4.

Падение напряжения должно равняться нулю в общих точках

Знание того, что электрически общие точки имеют нулевое падение напряжения, является ценным принципом поиска и устранения неисправностей. Если я измеряю напряжение между точками в цепи, которые должны быть общими друг для друга, я должен прочитать ноль.Если, однако, я обнаружил значительное напряжение между этими двумя точками, то я с уверенностью знаю, что они не могут быть напрямую соединены друг с другом. Если эти точки , предполагается, что являются электрически общими, но они регистрируются иначе, то я знаю, что между этими точками существует «открытый сбой».

Нулевое напряжение технически означает незначительное напряжение

Последнее замечание: для большинства практических целей можно предположить, что проводники имеют нулевое сопротивление от конца до конца.В действительности, однако, всегда будет небольшое сопротивление по длине провода, если только это не сверхпроводящий провод. Зная это, мы должны иметь в виду, что изученные здесь принципы в отношении общих электрических точек действительны в значительной степени, но не до абсолютной степени. То есть правило, согласно которому между электрически общими точками гарантированно будет нулевое напряжение, более точно сформулировано как таковое: между электрически общими точками будет очень небольшого падения напряжения .Этот небольшой, практически неизбежный след сопротивления, обнаруживаемый в любом куске соединительного провода, должен создавать небольшое напряжение по всей его длине, когда через него проходит ток. Пока вы понимаете, что эти правила основаны на идеальных условиях, вы не будете недоумевать, когда натолкнетесь на какое-то условие, которое кажется исключением из правила.

  • Предполагается, что соединительные провода в цепи имеют нулевое сопротивление, если не указано иное.
  • Провода в цепи можно укорачивать или удлинять, не влияя на работу схемы — все, что имеет значение, — это то, что компоненты подключены друг к другу в одной и той же последовательности.
  • Точки, напрямую соединенные в цепь нулевым сопротивлением (проводом), считаются электрически общими .
  • Электрически общие точки с нулевым сопротивлением между ними будут иметь нулевое падение напряжения между ними, независимо от величины тока (в идеале).
  • Показания напряжения или сопротивления между наборами электрически общих точек будут одинаковыми.
  • Эти правила применяются к идеальным условиям , где предполагается, что соединительные провода имеют абсолютно нулевое сопротивление.В реальной жизни это, вероятно, не так, но сопротивление проводов должно быть достаточно низким, чтобы общие принципы, изложенные здесь, оставались в силе.

причин для использования высоковольтных систем на борту судов

Все мы знаем о напряжениях, используемых на борту судов. Обычно это 3-фазное, 60 Гц, 440 Вольт, генерируемое и распределяемое на плате. Каждый день владельцы и дизайнеры стремятся к более крупным судам для большей прибыльности. По мере увеличения размеров корабля возникает необходимость в установке более мощных двигателей и другой техники.

Это увеличение размеров механизмов и другого оборудования требует большей электроэнергии, и, следовательно, требуется использовать более высокие напряжения на борту корабля.

Любое напряжение, используемое на борту судна, если оно меньше 1 кВ (1000 В), то оно называется системой низкого напряжения (Low Voltage), а любое напряжение выше 1 кВ называется высоким напряжением.

Типичные морские системы высокого напряжения обычно работают при напряжении 3,3 или 6,6 кВ. Пассажирские лайнеры, такие как QE2, работают при напряжении 10 кВ.

Почему высокое напряжение?

Предположим, что судно вырабатывает 8 МВт мощности при 440 В от 4 дизель-генераторных установок по 2 МВт, 0.8 факторов мощности каждый.

Каждый питающий кабель генератора и автоматический выключатель должны выдерживать ток полной нагрузки:

I = 2 * 10 6 / (√3 * 440 * 0,8)

I = 3280,4 ампер т.е. примерно 3300 ампер.

Защитные устройства, такие как автоматический выключатель, должны быть рассчитаны примерно на 90 кА для каждого питающего кабеля.

Давайте теперь посчитаем то же самое, если генерируемое напряжение составляет 6600 Вольт.

I = 2 * 10 6 / (√3 * 6600 * 0.8)

I = 218,69 ампер , приблизительно 220 ампер. Таким образом, защитные устройства могут быть рассчитаны на 9 кА.

Также потеря мощности = I 2 * r.

Где I — ток, переносимый проводником,

R — сопротивление проводника.

Таким образом, потери мощности пропорциональны току, переносимому по проводнику. Если напряжение питания составляет 440 В, то ток, переносимый проводником, равен 0,002P, а если напряжение повышается до 6600 В, то ток, переносимый для той же мощности, равен (1.-4)) * P

Таким образом, это означает, что потери мощности уменьшаются в большей степени, если повышается напряжение. Таким образом, всегда эффективно передавать мощность при более высоком напряжении.

И наоборот, потери мощности можно уменьшить за счет уменьшения сопротивления проводника.

г = ρ * л / а.

Таким образом, увеличивая площадь поперечного сечения проводника (диаметр), можно уменьшить сопротивление проводника и, следовательно, потерю мощности. Но это влечет за собой огромное удорожание и тяжелые кабели с опорами.Таким образом, эта идея не использовалась для уменьшения потерь мощности во время передачи и использования.

Также двигатель (допустим, носовое подруливающее устройство) может быть меньшего размера, если он рассчитан на работу от 6600 вольт. При той же мощности двигатель будет меньшего размера, если он рассчитан на 6600 Вольт по сравнению с 440 Вольт.

Таким образом, это основные причины, по которым последние корабли перешли на системы высокого напряжения.

(a) Архитектура четырехступенчатого пятиконденсаторного ступенчатого стимулятора напряжения…

Контекст 1

… испытаний. Это анодное смещение снижает требования к силовому преобразователю, уравновешивая требования между положительной и отрицательной фазами напряжения вторичной обмотки питания. Другими словами, вместо создания четырех отрицательных источников питания и одного положительного источника питания преобразователь мощности создает три отрицательных и два положительных источника питания, как показано на рис. 6 (a) и …

Контекст 2

… анодное смещение равно одному шагу напряжения, поэтому электроды смещены по напряжению.Как показано на рис. 6 (b), электрод переключается сначала на (обратный ток электрода), затем на и для генерирования отрицательного тока, затем на и для генерирования положительного тока. Электроды затягиваются между импульсами стимула очень слабым (200 нА) источником тока. Обратите внимание, что напряжения и посещаются в отрицательном и положительном положении …

Контекст 3

… проверьте концепции, представленные ранее, электрод в физиологическом растворе приводился в действие генератором сигналов произвольной формы напряжения. сначала в оптимальной схеме ступенчатого нарастания, описанной в разделе IV-B и на рис.3 (b), затем по ступенчатой ​​схеме, описанной в этом разделе и на рис. 6. Простой усилитель считывания тока служил обратным путем, считывая ток через электрод. Результаты этих экспериментов показаны на рис. 7. На рис. 7 (а) показана форма волны ступенчатого нарастания напряжения и результирующий ток. Обратите внимание на согласованность на текущем графике, который показывает наложенные данные пяти различных измерений. Также обратите внимание на …

Context 4

… забуференный физиологический раствор с отдельным обратным электродом, размер которого намного превышает сумму площадей электродов.Электродный ток измерялся с помощью небольшого последовательного резистора и инструментального усилителя. Измеренные формы сигналов тока и напряжения на электроде показаны на рис. 14. Обратите внимание на сходство между прогнозируемыми формами сигналов на рис. 6 (b), измеренными формами сигналов на рис. 7 (b) и измеренными формами сигналов на рис. 14. Форма волны напряжения очень близка к желаемой форме волны, в то время как ток имеет несколько более высокие пики, чем требуется для оптимальной эффективности. Ток на рис. 14 интегрируется до 0,678 C на фазу, что близко к измеренному нами порогу восприятия эпи-сетчатки человека в…

Основы системы распределения электроэнергии

Электроэнергия является доминирующей, поскольку ее гораздо легче передавать и распределять, чем другие формы энергии, такие как механическая. Представьте себе передачу механической энергии на расстояние всего 20 футов. Разве не проще использовать провода вместо ремней, цепей или валов?
Мы видели, как электроэнергия генерируется на генерирующих станциях и как она передается на большие расстояния через сети передачи. Теперь давайте посмотрим, как электрическая энергия распределяется между потребителями .

Система распределения электроэнергии

Распределительная подстанция расположена вблизи или внутри города / поселка / деревни / промышленной зоны. Он получает питание от сети передачи. Затем высокое напряжение от линии передачи понижается понижающим трансформатором до напряжения первичного распределительного уровня. Напряжение первичного распределения обычно составляет 11 кВ, но может варьироваться от 2,4 кВ до 33 кВ в зависимости от региона или потребителя. Типовая система распределения электроэнергии состоит из
  • Распределительная подстанция
  • Кормушки
  • Распределительные трансформаторы
  • Распределительные проводники
  • Провода служебной сети
Наряду с этим, распределительная система также состоит из переключателей, защитного оборудования, измерительного оборудования и т. Д.

Распределительные фидеры : Пониженное напряжение от подстанции передается к распределительным трансформаторам по фидерным проводам. Как правило, ответвления от фидеров не берутся, поэтому ток остается неизменным на всем протяжении. Основным фактором при проектировании фидерного проводника является его допустимая нагрузка по току.

Распределительный трансформатор : Распределительный трансформатор , также называемый служебным трансформатором , обеспечивает окончательное преобразование в системе распределения электроэнергии.По сути, это понижающий трехфазный трансформатор. Распределительный трансформатор понижает напряжение до 400Y / 230 вольт. Здесь это означает, что напряжение между любой одной фазой и нейтралью составляет 230 вольт, а межфазное напряжение составляет 400 вольт. Однако в США и некоторых других странах используется двухфазная система на 120/240 вольт; где напряжение между фазой и нейтралью составляет 120 вольт.

Дистрибьюторы : Выход из распределительного трансформатора передается через проводник распределителя. Отводы снимаются с токопроводящей жилы распределителя для питания конечных потребителей.Ток через распределитель непостоянен, поскольку ответвления берутся в разных местах по всей его длине. Таким образом, падение напряжения по длине является основным фактором при проектировании распределительного проводника.

Сервисная сеть : Это небольшой кабель, который соединяет провод распределителя на ближайшем полюсе с концом потребителя.

На приведенном выше рисунке показана простая радиальная система распределения питания переменного тока . На рисунке не показано другое оборудование, такое как автоматические выключатели, измерительные приборы и т. Д.для простоты.

Первичное распределение

Это та часть системы распределения переменного тока, которая работает при несколько более высоких напряжениях, чем обычные бытовые потребители. Обычно используемые напряжения первичного распределения в большинстве стран составляют 11 кВ, 6,6 кВ и 3,3 кВ. Первичное распределение обслуживает крупных потребителей, таких как фабрики и отрасли. Он также питает небольшие подстанции, от которых осуществляется вторичное распределение. Первичное распределение осуществляется по трехфазной трехпроводной системе.

Вторичное распределение

Эта часть напрямую поставляет конечным потребителям в жилом секторе. Бытовые потребители питаются от однофазной сети 230 В (120 В в США и некоторых других странах). Трехфазное питание может также подаваться на 400 В для больших объектов, коммерческих зданий, небольших заводов и т. Д. Вторичная передача в большинстве стран осуществляется по 3-фазной 4-проводной системе.

Классификация систем распределения электроэнергии

Формула правила делителя напряжения, список и полное объяснение

Правило делителя напряжения — одна из наиболее распространенных концепций в проектировании электронных схем.Итак, сегодня мы подробно обсудили формулу делителя напряжения, откуда она взята, а также некоторые практические примеры. Мы также объяснили, как спроектировать схему делителя напряжения для требуемого выхода.

Изучая основы электроники, мы сталкиваемся с множеством трудностей, изучая формулы, правила и шаги по их реализации. Приведенные ниже темы охватывают простой метод изучения формул, а также приемы их запоминания.

Что такое правило делителя напряжения?

Правило делителя напряжения также называется правилом делителя потенциала, правилом деления потенциала или правилом деления напряжения.
Короче говоря, он присвоен как VDR. Правила для делителя напряжения
дают представление о принципиальной схеме, применимой формуле и ее выводе, чтобы помочь с различными требованиями к напряжению при проектировании схемы.

Определение делителя напряжения:

Он определяется как схема, которая используется для уменьшения большого значения напряжения до меньшего значения.

Он дает необходимое выходное напряжение как долю входного напряжения, которой можно управлять с помощью формулы.

Схема делителя напряжения — это схема, которая делит одно значение напряжения на несколько выходных значений.

Тип схемы:

Пассивный по своей природе (так как не имеет активных элементов)
Линейное поведение (выход линейно пропорционален входу)

Схема делителя напряжения:

Рис. (A), Рис ( б) и рис (в) представляют собой принципиальные схемы делителя напряжения. Почему три схемы ниже для одного и того же правила?
Итак, ответ, это всего лишь одна схема с разным расположением и символом источника.Просто упростите их, и вы обнаружите, что они одинаковы в электрических соединениях.

Анализ и формула правила делителя напряжения:

Рисунок, показывающий базовую схему цепи делителя напряжения с двумя резисторами:

Это основная принципиальная схема, на которой показан VDR и его формула. Это очень прикладная схема, и формула обычно используется для расчета выходного напряжения повсюду при анализе цепей

Вывод делителя напряжения:

Здесь источник напряжения В подключен последовательно с резистором r1 и r2 .

И ток « протекает через них, вызывая падение напряжения на v1 на r1 и падение напряжения на v2 на r2 .
Поскольку это замкнутый контур, текущий ток будет таким же.
Для получения формул выходного напряжения нам необходимо применить закон Ома к каждому резистору и поместить значения в уравнение, полученное с помощью KCL (закон Куррента Кирхгофа), как показано ниже, шаг за шагом:

Согласно закону Ома мы получаем,
v1 = i ☓r1 ———- (I)
v2 = i☓r2 ———– (II)

Применение KVL в приведенной выше схеме
V — v1 — v2 = 0
т.е. V = v1 + v2
Положив значения v1 и v2 в приведенном выше уравнении,
получаем,
V = i☓r1 + i☓r2
∴ V = i☓ (r1 + r2)

Следовательно,
i = V / (r1 + r2)

Подставляя значение «i» в (I) и (II)
получаем,
v1 = r1☓ (V / (r1 + r2))
v2 = r2☓ (V / (r1 + r2))

(регулируя переменных)
Кроме того,
v1 = V☓ (r1 / (r1 + r2))
v2 = V☓ (r2 / (r1 + r2)) → (примечание: v2 = Vout) → (III)

(путем настройки переменных для условий, где нам нужно найти номиналы резисторов)
Опять же,
r1 = (v1☓ (r1 + r2)) / V
r2 = (v2☓ (r1 + r2)) / V

9 0006 [примечание: приведенная выше формула очень важна и полезна при проектировании схемы делителя напряжения]

Вывод по схеме делителя напряжения:

  • Из уравнения → (III) можно сказать, что выход напряжение равно , падение напряжения на выходном резисторе (резистор, через который мы принимаем выходной сигнал)
    (проверьте схему с 3 последовательно включенными резисторами, вы получите точку)
  • Значения резистора в знаменателе не что иное, как резистор эквивалентный r1 и r2, это может быть r1 + r2 + r3 +… + rn, где n количество резисторов.

Рисунок, показывающий делитель напряжения с 3 резисторами и его эквиваленты:

В этой схеме (согласно приведенному выше выводу из выводов):

→ Как на рис. 1 Vout1 — это напряжение на резисторе R2 и R3

∴ взяты эквивалентные последовательные сопротивления R2 и R3 .

то же, что и на рис.1 (а)

→ На рис.1 Vout2 — это напряжение только на резисторе R3
взято эквивалентное последовательное сопротивление R3 .

То же, что и на рис. 1 (b)

Практический пример схемы делителя напряжения (VDR) / FAQ:

Разработайте делитель напряжения, чтобы получить выходное напряжение 1,5 В для разработки усилителя смещение. Заданное напряжение источника 5В.

Дано → Vo = 1.5V & Vin = 5V
из уравнения → (III) или упрощенная формула (ищите 1-е изображение сообщения)

у нас есть, Vo = Vin. (R2 / (R1 + R2))

Допустим, R1 = 1 кОм
поместите все значения в формулу : 1.5 = 5. (R2 / (1K + R2))
Получаем, R2 = 0,428 кОм

Теперь спроектируйте схему, как показано выше !!!

Разработайте делитель напряжения, чтобы выдавать различное выходное напряжение 3 вольт и 6 вольт для компаратора, учитывая, что источник входного напряжения имеет разность потенциалов 9 вольт.

Как одинаковый последовательно включенный резистор обеспечивает одинаковое падение напряжения на каждом резисторе.
∴ в соответствии с вопросом,

Vin = 9 Вольт, Vout1 = 6 Вольт и Vout2 = 3 Вольта

Из этого мы можем сделать вывод, что наименьшее выходное напряжение составляет 3 вольта, а другое требуемое выходное напряжение — 6 вольт.
Затем мы можем использовать три резистора с одинаковыми номиналами. (Скажем, 1 кОм )
∴ R1 = R2 = R3 = 1 кОм проектирование завершено.

Разработайте делитель напряжения, чтобы выходное напряжение было равным половине входного. Заданное напряжение источника — 12 В.

Дано → Vo = 1 / 2Vin & Vin = 12В

используя упрощенную формулу:
мы имеем, Vo = Vin. (R2 / (R1 + R2))

Допустим, R1 = 10 кОм
положим все значения в формуле ∴ 6 = 12. (R2 / (10K + R2))
Получаем, R2 = 10 кОм

Теперь спроектируйте схему с этими компонентами !!

Можно ли применить правило делителя напряжения в параллельных цепях?

Нет, не может применить деления напряжения по правилу в параллельной цепи , поскольку это применимо только к резисторам, включенным последовательно.Только причина того, что VDR — это модификация закона Ома.

Применяется ли правило делителя напряжения только к резисторам?

Нет, его можно применить к любому пассивному элементу, например, конденсатору и катушке индуктивности. Единственное, что вы должны предположить, это их импеданс (Z).
Вместо резистора в правиле делителя напряжения необходимо использовать импеданс вместе с модифицированной формулой уравнений импеданса.
Zr для резистора, Zc для конденсатора, Zl для индуктора.

Применение правила / схемы делителя напряжения:

1) Он используется в качестве цепи смещения в усилителе BJT.

2) Схема обратной связи в операционном усилителе использует правило делителя напряжения для управления входом и управления усилением напряжения.

3) Это важная схема компаратора, которая используется для сравнения различных напряжений, независимо от того, больше или меньше конкретное напряжение, чем опорное напряжение.

4) Сдвиг логического уровня использует формулу делителя напряжения.

Бонусные подсказки:

  • Когда резисторы R1 и R2 одинаковы, т.е. того же значения, то выходное напряжение составляет ровно половину (50%) исходного входного.
  • Кроме того, эта схема подразумевает, что она полезна там, где у нас нет источника более низкого напряжения.
  • Его можно использовать в качестве замены трансформатора (только и только если нагрузка имеет большой резистивный импеданс, мы должны использовать резисторы высокой мощности, скажем 3 Вт / 5 Вт, он практически не используется, так как он обладает риском поражения электрическим током. )
  • Вы заметили тестер электрических линий (тестер проводов под напряжением), это не что иное, как делитель напряжения с резистором R1 и резистором R2, который заменен световым индикатором с низким сопротивлением, потребляющим ток.

Из приведенного выше содержания мы узнали:
Что такое правило делителя напряжения?
Делитель напряжения на 3 резистора.
Вывод правила делителя напряжения.
Пример решения делителя напряжения / решенные проблемы.

Физика — Электродвижущая сила — Бирмингемский университет

Электродвижущая сила (ЭДС) равна разности потенциалов на клеммах при отсутствии тока. ЭДС и разность потенциалов на клеммах ( В, ) измеряются в вольтах, но это не одно и то же.ЭДС ( ϵ ) — это количество энергии ( E ), обеспечиваемое батареей на каждый кулон заряда ( Q ), проходящий через нее.

Как рассчитать ЭДС?

ЭДС можно записать через внутреннее сопротивление батареи ( r ) где: ϵ = I (r + R )

Что из закона Ома, мы можем изменить это с точки зрения оконечного сопротивления: ϵ = В + Ir

ЭДС ячейки может быть определена путем измерения напряжения на ячейке с помощью вольтметра и тока в цепи с помощью амперметра для различных сопротивлений.Затем мы можем настроить схему для определения ЭДС, как показано ниже.

ЭДС и внутреннее сопротивление электрических элементов и батарей

Исследование ЭМП

Как закон Фарадея соотносится с ЭМП?

Закон Фарадея гласит, что любое изменение магнитного поля катушки будет индуцировать в катушке ЭДС (а следовательно, и ток). Он пропорционален минус скорости изменения магнитного потока ( ϕ ) (примечание N — количество витков в катушке).

Согласно закону Фарадея, общество извлекло выгоду из таких важных технологий, как трансформаторы, которые используются для передачи электроэнергии в национальной энергосистеме Великобритании, которая теперь является необходимостью в наших домах. Также он используется в электрических генераторах и двигателях, таких как плотины гидроэлектростанций, которые производят электричество, которое сейчас является неотъемлемой частью наших современных технологических потребностей. Текущий исследовательский проект MAG-DRIVE в Бирмингеме направлен на поиск способов разработки и улучшения материалов с постоянными магнитами, которые можно использовать в электромобилях следующего поколения.ЭМП также генерируется солнечными батареями, поэтому они важны для исследований в области возобновляемых источников энергии.

Лабораторные признания

Исследователи подкаста In the Laboratory Confessions рассказывают о своем лабораторном опыте в контексте практических экзаменов A Level. Эпизоды, которые касаются надлежащего использования цифровых инструментов (простое гармоническое движение), правильного построения принципиальных схем (удельное сопротивление в проводе) и использования источников питания постоянного тока (конденсаторов), имеют отношение к эксперименту по ЭДС, ниже вы можете услышать удельное сопротивление. в проводном подкасте.

Как мы интерпретируем наши данные?

По мере увеличения сопротивления переменного резистора величина тока будет уменьшаться. График зависимости напряжения от тока должен давать линейную зависимость, где градиент линии дает отрицательное внутреннее сопротивление ячейки ( -r ), а точка пересечения дает ЭДС (напряжение, при котором ток равен 0).

Выполнение нескольких измерений при разных значениях сопротивления даст больше точек на графике V-I, что сделает подгонку более надежной.Также рекомендуется повторить измерения, так как ячейка будет постепенно стекать, что повлияет на показания. Во избежание разряда элемента / батареи ее следует отключать между измерениями. В качестве альтернативы в схему можно включить выключатель. Также не рекомендуется использовать аккумуляторные батареи, так как они имеют низкое внутреннее сопротивление.

Несмотря на то, что этот эксперимент довольно прост, он поможет вам отличить конечную разницу от ЭДС, что может быть сложной концепцией для понимания учащимися.Поскольку люди становятся все более зависимыми от электричества, исследования, связанные с ЭМП, важны для развития и технического прогресса электричества.

Следующие шаги

Эти ссылки предоставляются только для удобства и в информационных целях; они не означают одобрения или одобрения Бирмингемским университетом какой-либо информации, содержащейся на внешнем веб-сайте. Бирмингемский университет не несет ответственности за точность, законность или содержание внешнего сайта или последующих ссылок.Пожалуйста, свяжитесь с внешним сайтом для получения ответов на вопросы относительно его содержания.

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *