Содержание

Что такое напряжение, ток, сопротивление: разбираемся на примерах

Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.

И так будем разбираться во всем по порядку.

Электричество

Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.

Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.

Данное явление называется статическим электричеством. Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.

Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.

Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.

Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10-19 Кл (Кулон). Обозначается

е или е.

Напряжение

Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Единица измерения напряжения – Вольт (В или V). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V. Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд, высота водяного столба (давление) – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток.

Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.

Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).

 

Электрический ток

Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются

проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!

Единица измерения силы тока – Ампер (А). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I. Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·1018 электронов) за 1 секунду.

 

Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.

Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает

сопротивление.

Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.

Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже

переменный ток и переменное напряжение. Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.

Сопротивление

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.

Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.

Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.

 

Мощность

Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.

Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.

Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P. Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность, единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A), обозначается буквой S.

И в завершение про Электрическую цепь. Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.

Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения

U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями R (Ом) от плюса к минусу течет электрический ток I (А) заставляющий светиться лампочку мощностью P (Вт). Не обращайте внимания на яркость лампы, это из-за плохого давления и малого потока воды батареек.

Фонарик, что представлен на фотографии, собран на базе конструктора «Знаток». Данный конструктор позволяет ребенку в игровой форме познать основы электроники и принцип работы электронных компонентов. Поставляется в виде наборов с разным количеством схем и разного уровня сложности.

причины возникновения и меры защиты

Ремонтные бригады довольно часто сталкиваются с проблемой наличия напряжения в разорванной цепи. Такое явление случается на воздушных линиях, нередко в бытовой электросети. Это так называемое наведенное напряжение, появляющееся на отключенных проводах вследствие воздействия электромагнитного поля, от работающих рядом электролиний.

Для лучшего понимания эффективности защитных мер при ремонте воздушных линий электропередач (ВЛ) рассмотрим более подробно физическую сущность наводки. Это поможет лучше понять механизмы защиты от поражения током, образовавшимся на отключенных проводах.

Определение наведенного напряжения

Официальная терминология наведённым напряжением называет потенциал, опасный для жизни, возникающий в результате электромагнитных воздействий параллельной воздушной линии или электричества циркулирующего в контактных сетях. Этот потенциал является паразитным, порождённым влиянием функционирующей параллельной линией электрической сети и прямо не относится к транспортируемому току. Отсюда и название – наведённое напряжение.

В чем опасность явления?

Наличие в проводах потенциала, наведённого переменным током или статическим электричеством часто невозможно предсказать. В этом кроется главная опасность наводки. На наведённое напряжение не реагируют штатные защитные приборы. На электромеханика, попавшего под действие наводки, будет действовать ток, пока он самостоятельно, либо с помощью напарника не высвободит руку или другую часть тела, соприкоснувшуюся с оголенным проводом.

Если в результате короткого замыкания на ВЛ произойдёт срабатывание защиты, отключающее рабочее напряжение, провода могут оказаться под наведённым током. Опасность также возникает при появлении грозовых разрядов, в т. ч. и междуоблачных.

Обратите внимание: штатная защита не реагирует на напряжения срабатывания, возникшие в результате наводки. Поэтому при отключенной ВЛ – следует применять особые схемы заземления, позволяющие создавать точки нулевого потенциала в конкретной зоне, при обслуживании линий.

Опасность обусловлена поведением наведённого тока. Дело в том, что источником тока является наводка от соседних ВЛ, распространяющаяся по всей длине провода не одинаково. Поэтому поведение таких токов отличается от привычного для нас рабочего электричества.

Наличие штатного линейного заземления не гарантируют безопасности, а наоборот, сопутствует появлению электрического тока в отсоединённых проводах. Как видно на рисунке 1, максимальный ток находится в точках заземления, то есть на заземляющих ножах.

Значение напряжений между заземляющими ножамиРис. 1. Значение напряжений между заземляющими ножами

В некоторых случаях целесообразно отключить заземления ВЛ, а для защиты использовать переносные заземления, которые устанавливают с каждой стороны от места повреждения, как можно ближе к точке проведения работ.

Причины возникновения

Для начала рассмотрим физическую картину возникновение наводки, а потом выясним причины явления в различных ситуациях:

  • на воздушной линии;
  • электроустановках;
  • в квартире;
  • электропроводке.

Если расположить параллельно два длинных проводника и по одному из них пропустить переменный ток, то на втором возникнет напряжение. Причём проявится электромагнитное влияние и действие электростатической составляющей. Величины электрических потенциалов на неподключённом проводнике зависят от длины, расстояния между проводами, а также от тока нагрузки. Подобные явления происходят и в реально действующих линиях энергоснабжения.

На воздушной линии (ВЛ)

Ток, который создаёт электростатическая составляющая, имеет одинаковый потенциал по всему проводнику: Uэ = k×Uв, где Uэнаведённое электростатическое напряжение, k является коэффициентом ёмкостной связи, а Uврабочее влияющее напряжение. Очевидно, что наведённое напряжение зависит от разницы потенциалов на проводах параллельно расположенной влияющей линии.

Заметим, что электростатическое напряжение является результатом не только действия расположенных поблизости электромагнитных полей фазных проводов. Любое статическое электричество вызывает такой же эффект. Например, в северных широтах статическую наводку может вызвать полярное сияние, а также, упомянутые выше грозовые разряды (показано на рисунке ниже).

Статическое напряжение от полярного сиянияРис. 2. Статическое напряжение от полярного сияния

Для устранения электростатического потенциала достаточно заземлить провод в любом месте.

Компонент напряжения электромагнитной составляющей, сильно отличается от статического. Потенциал возникает вследствие действия электромагнитных полей, образованных токами проводов фазы. На рисунке 3 показана схема образования наведённого напряжения.

Электромагнитная составляющая наведённого напряженияЭлектромагнитная составляющая наведённого напряжения

Важные особенности электромагнитной составляющей:

  • её величина пропорциональна рабочем току ВЛ;
  • зависит от расстояния до влияющей воздушной линии;
  • на наведённый потенциал влияет протяжённость взаимодействующих проводов;
  • выраженная зависимость от схемы переносного заземления ВЛ и от сопротивления заземления.

Наведённая ЭДС в этом случае вычисляется по формуле:

M × L× I, 

Здесь M – коэффициент индуктивной связи, L – протяжённость параллельного участка, I – сила тока влияющей линии.

Как видно из формулы, величина напряжения провода фазы не влияет на ЭДС.

В конкретной точке x наведённое напряжение можно вычислить по формуле:

U = – (E*x)/L+ E/2 , где E – ЭДС, L – длина параллельного следования, x – расстояние от точки вычисления напряжения до начала линии.

Очевидно, что напряжение в точке отсечения (где x  = 0) принимает значение: U = + E/2 , в середине линии (x равняется условной единице) U = 0, а в конечной точке U = – E/2. Понятно, что напряжение уже не является константой на всём участке проводов линии. Оно линейно изменяется между заземлениями, образуя нулевой потенциал в определённой точке. Если заземление одно, тогда положение нулевой точки находится в месте входа заземляющего ножа.

На схемах, приведённых ниже (рисунок 4), видно как распределяется наведённое напряжение. Обратите внимание, как перемещается точка нулевого потенциала и как она зависит от выбранного способа заземления.

Схемы распределения наводимого напряжения в зависимости от расположения точек заземленияРис. 4. Схемы распределения наводимого напряжения в зависимости от расположения точек заземления

Из схематических изображений видно, как работа обслуживающего персонала одновременно в нескольких местах отключённой ВЛ может представлять опасность. Ввиду несимметрии токов наведённое напряжение может распределиться таким образом, что нулевые потенциалы сдвинутся за пределы рабочего пространства людей. Вследствие этого ремонтники могут оказаться под опасным воздействием наведённого напряжения.

В электроустановках

Ввиду того, что стационарные электроустановки неразрывно связаны с ВЛ, существует вероятность попадания наведённого напряжения на токоведущие части оборудования. Чаще всего это случается при обрыве нуля.

Особенность электроустановок в том, что там используются изолированные кабели, в которых плотно уложены провода. Хотя длина такой проводки обычно незначительна, однако, наводка в кабеле может иметь существенный потенциал (из-за плотного размещения проводов). Поэтому при работе с электроустановками необходимо обеспечивать защитные меры по снятию опасного наведённого напряжения, использовать средства индивидуальной защиты, отвечающие классу напряжения. Необходимо придерживаться ПУЭ, выставлять ограждения для соблюдения безопасных расстояний к токоведущим частям электроприборов.

В квартире

Наводка в обычной бытовой сети наблюдается при обрыве нулевого провода на входе или на участке воздушной линии. Если поискать индикатором фазу в розетке – он покажет напряжение на каждом из выходов. В действительности же, рабочее напряжение существует на проводе фазы, а на нулевом – наблюдается ток наводки. При устранении неисправности всё становится на свои места.

Поскольку поиск и ликвидация неисправности в квартире проводится при отключенных предохранителях, то тем самым обеспечивается необходимая защита.

В электропроводке

Электропроводка в доме монтируется с использованием двух-, а иногда трёхжильных проводов. Обычно кабели укладываются в короба, откуда выходят разветвления. Если выключатель разъединяет нулевой провод, то при такой укладке в нём неизбежно появится наводка. Возникает напряжение безопасной величины, однако его достаточно для зажигания диодного освещения (выключенные диодные лампы тускло светятся). Проблема решается просто – необходимо на выключателе поменять местами провода фазы и нуля.

Известны случаи, когда для заземления розетки использовался провод трёхжильного кабеля. На этом проводнике всегда присутствует довольно ощутимое наведённое напряжение. Поэтому для заземления используйте отдельный одножильный кабель большого сечения и прокладывайте его как можно далее от проводки с номинальными напряжениями.

Меры защиты

Учитывая то, что наведённые токи могут достигать предельно опасных значений, особенно на участках ВЛ или в электроустановках, при их обслуживании следует применять меры защиты [ 2 ]:

  • использовать сигнализаторы напряжения;
  • обеспечивать безопасный уровень напряжения на участках, где предстоит работа;
  • использовать защитную одежду, диэлектрические коврики и т.п.;
  • пользоваться указателями напряжения, универсальными электроизолирующими штангами для оценки значений токов наводки.
  • применять приспособления для снятия напряжений.

Перед проведением работ на линиях с наводкой устанавливайте переносные заземления с двух сторон повреждённого участка ВЛ на небольшом расстоянии. Заземляйте провода с поверхности земли, используя изоляционные штанги. Выдерживайте расстояния срабатывания защиты заземлений.

На рисунке 5 показано как влияет расстояние от заземления на снижение наведённого напряжения.

Снижение наведённого напряженияРис. 5. Снижение наведённого напряжения

Измерение напряжения проводите в изолирующих перчатках и ботах, а измерительные приборы располагайте на ковриках или подставках. Используйте только те измерительные устройства, которые предназначены для указанных целей и рассчитаны на измерение в соответствующих пределах. Помните, что штатные защитные приспособления для наведённого тока не предназначены. Нельзя проводить измерения в условиях тумана, осадков, а также при сильном ветре.

Всегда проверяйте наличие фазного тока на всех проводах. Если с помощью прибора УПСФ-10 вы определили линейное рабочее напряжение, то использовать переносное заземление запрещается.

В целях безопасности всегда считайте нулевой кабель таким, что находится под напряжением.

Видео в тему


Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи (Ерюткин Е.С.)

На уроке речь пойдет об одном из центральных законов электродинамики – законе Ома для участка цепи. Будет изложена история его получения и указана формула с графической зависимостью.

Вспомним, что несколько предыдущих уроков были посвящены изучению таких физических величин, как сила тока, напряжение и сопротивление. Мы рассмотрели природу возникновения электрического сопротивления, единицу его измерения и вкратце указали, от каких общих факторов оно зависит. Также мы знаем, что сила тока зависит от электрического поля, которое возникает в проводнике, а напряжение зависит от работы этого поля. Но электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое также характеризуется работой электрического тока. Следовательно, должна быть какая-нибудь связь между всеми этими понятиями: сила тока, напряжение, сопротивление.

Впервые определил эту зависимость в 1826 году немецкий физик Георг Ом (1789–1854) (рис. 1). Он провел очень большое количество экспериментов, в которых, прежде всего, исследовал зависимость силы тока в цепи от напряжения. Проводились его эксперименты следующим образом: ничего не меняя в электрической цепи, он подключал к ней различное большее число источников тока, в результате чего увеличивалось напряжение, подаваемое в цепь, что приводило к увеличению силы тока. Такие многочисленные эксперименты привели к получению закона силы тока от электрического сопротивления.

Георг Ом

Рис. 1. Георг Ом (Источник)

Опишем схему проведения экспериментов Георга Ома. В электрическую цепь он подключал проводник, на котором с помощью вольтметра и амперметра измерялись напряжение и сила тока соответственно, ключ и источник тока (рис. 2). Обратим внимание на то, что в цепи подключено несколько источников тока, и изменение их количества позволяет пронаблюдать за изменением силы тока в цепи в зависимости от напряжения.

Георг Ом

Рис. 2. Схема экспериментов Г. Ома

В результате измерений прослеживается зависимость Георг Ом, где напряжение измеряется на зажимах AB, т. е. на проводнике.

Для того чтобы пронаблюдать зависимость силы тока от сопротивления, в той же цепи теперь следует не менять количество источников тока, а менять проводники, т. е. сопротивление цепи. Георг Ом поступил следующим образом: вместо одного проводника он подключил другой с вдвое большей длиной, т. е. с вдвое большим сопротивлением (почему это так, вы узнаете на следующем уроке). Аналогично он подключал и проводники с другими длинами и получил зависимость такого вида: Георг Ом. Т. е. при увеличении сопротивления проводника сила тока в нем уменьшается.

На графике зависимость силы тока в проводнике от сопротивления выглядит следующим образом (рис. 3).

  Георг Ом

Рис. 3. Зависимость силы тока в проводнике от сопротивления

Такая зависимость называется обратно пропорциональной. Эту зависимость Ому пришлось достаточно долго получать, но именно это и привело его к выводу важнейшего закона электродинамики – закону Ома для участка цепи. Собрав вместе те две зависимости, которые мы показали выше, Ом и пришел к своему закону.

Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:

Георг Ом

Замечание. Этот закон лежит в основе науки под названием электротехника.

Т. к. напряжение в законе рассматривается на концах проводника и учитывается сопротивление самого проводника, то закон применим именно к участку цепи, т. е. к какой-либо его части.

Обозначения:

Георг Ом напряжение, В;

Георг Ом сила тока, А;

Георг Ом сопротивление, Ом.

При работе с законом Ома следует понимать, что он выполним отдельно для каждого рассматриваемого участка цепи с различными значениями входящих в него параметров.

На следующем уроке речь пойдет о том, от каких параметров зависит сопротивление проводника.

 

Список литературы

  1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
  2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. School.xvatit.com (Источник).
  2. Fiz.1september.ru (Источник).
  3. Youtube.com (Источник).

 

Домашнее задание

1. Стр. 102: вопросы № 1–7, упражнение № 19. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

2. Вычислите силу тока в резисторе, сопротивление которого – 1200 Ом, а напряжение – 36 В.

3. Каким образом изменится сила тока в цепи, если количество последовательно соединенных источников тока в ней увеличить втрое, а подключенный к ней проводник укоротить вдвое? Кроме проводника и источников тока в цепи элементов нет.

4.* Соберите с помощью родителей или учителя схему, аналогичную той, с помощью которой Георг Ом получил свой известный закон. Проведите серию экспериментов, доказывающую справедливость закона Ома для участка цепи. Оцените погрешности измерений и результаты обсудите с учителем.

Что такое напряжение прикосновения, его нормы, расчет и меры защиты

В процессе работы с электроустановками в цепи переменного тока нельзя полностью исключать вероятность ощущения его воздействия. Причиной может быть случайное прикосновение к токоведущим элементам или косвенные факторы. Об одном из них (шаговом напряжении) мы уже подробно рассказывали на страницах нашего сайта. В этой статье пойдет речь о другом виде косвенного воздействия электрического тока на человека, получившее название напряжение прикосновения.

Что такое “напряжение прикосновения”?

В электробезопасности под этим термином подразумевается разность потенциалов между двух точек электроцепи, возникающая в момент одновременного прикосновения к ним человека. Такая ситуация может возникнуть в результате нарушения изоляции токоведущих элементов цепи, их замыкания на электропроводящие поверхности, что приводит к образованию опасных зон растекания тока. Контакт с такой поверхностью называется косвенным прикосновением к корпусу или электропроводящим элементам (в зависимости от устройства электроустановки).

Пример косвенного прикосновенияРис. 1. Пример косвенного прикосновения

В таких случаях степень воздействия электрическим током зависит как от сопротивления тела человека (R) и величины (Uпр). Допустим в данном случае R = 800 Ом, Uпр близкое к фазному напряжению (230 В). Применяя закон Ома несложно вычислить величину тока в образовавшейся электрической цепи: Iпр=Uпр/R= 220/800 = 287,5 мА. Это значение в несколько раз превышает допустимые нормы.

В большинстве случаев косвенное прикосновение является однополюсным, то есть в данном случае угрозу несет фазное, а не линейное напряжение, которое в 1,73 раза выше. Но это слабое утешение, поскольку поражение током может все равно стать фатальным.

Опасность косвенного прикосновения заключается в том, что риск его возникновения, в большинстве случаев, не зависит от действий человека, в отличие от прямого касания, которое может возникнуть по неосторожности, в результате ошибки или несоблюдения ТБ.

Расчет

Приведенный выше пример (на рис. 1) сильно упрощен, чтобы ознакомиться с основными особенностями напряжения прикосновения (Uпр) необходимо посмотреть на проблему с точки зрения защитного заземления и зануления. Для этого рассмотрим пример, представленный на рисунке ниже.

Особенность напряжения прикосновения в случае одиночного заземленияРисунок 2. Особенность напряжения прикосновения в случае одиночного заземления

На рисунке изображено три двигателя А, В, С (это могут быть и любые другие электроустановки), разно удаленных от единого заземлителя D и соединенных с ним защитным проводниками. Если вследствие аварии произошло замыкание фазы сети на корпус, то на нем образуется потенциал, уровень которого будет практически таким же, как на заземлителе (ⱷзм). При этом на основании появится зона растекания тока, потенциал которой (ⱷос) зависит от удаления от заземлителя (график зависимости приведен на рисунке).

В случае касания корпуса двигателя B уровень напряжения прикосновения будет определяться следующей формулой: Uпр=ⱷзм-ⱷос=ⱷзм*(1-ⱷос/ⱷзм). В данном выражении игнорируется электрическое сопротивление грунта, влияющее на растекание тока основания, в расчет принимается только характер изменения потенциала (потенциальная кривая — E). Это позволяет рассматривать потенциал основания ⱷoc в виде коэффициента прикосновения α = 1 — (ⱷос/ⱷзм) ≤ 1.

Учитывая тот факт, что на уровень напряжения влияет как потенциал заземлителя, так и коэффициент прикосновения, то очевидно, что характер опасности различен при использовании одиночного или группового заземления. Рассмотрим отдельно каждый из вариантов.

Одиночное заземление

Вернемся к рисунку 2. Как уже упоминалось выше, в случае замыкания фазы на корпус электроустановки, на всех ее токопроводящих элементах установиться потенциал ⱷзм. При этом на поверхности возле заземлителя образуется зона с уровнем потенциала, зависящим от коэффициента прикосновения. То есть, в случае случайного прикосновения к корпусу B уровень напряжения касания будет зависеть от расстояния Х1 и кривой Е.

Теперь рассмотрим, вариант прикосновения к электроприбору C. В этом случае расстояние Х2 превышает 20,0 метров, что равносильно тому, что Х2 стремится к бесконечности. В результате коэффициент прикосновения α будет увеличиваться, стремясь к единице, соответственно, Uпр станет равным ⱷзм Этот вариант с наибольшим потенциалом самый опасный.

В завершении разберем случай прикосновения к металлическому корпусу устройства A, то есть, практически находится над заземлителем. Здесь α будет стремиться к нулю, следовательно, Uпр будет также равным нулю.

Исходя из этого, можно констатировать, что чем дальше находится установка от одиночного заземлителя, тем выше напряжение прикосновения. На расстоянии от 20 метров и более оно будет практически равно фазному.

Групповое заземление

При применении групповой схемы заземления происходит накладывание зон растекания тока, в результате этого в любой точке между заземлителями потенциал будет выше нуля. Соответственно, коэффициент α будет меньше единицы, а ⱷзм– превышать напряжение прикосновения.

Для наглядности приведем пример, в котором делают два заземлителя в виде полусфер определенного радиуса r, вкопанных на расстоянии h друг от друга.

Напряжение прикосновения при групповом заземленииРисунок 3. Напряжение прикосновения при групповом заземлении

В данном случае потенциальная кривая будет описываться следующим уравнением: ⱷос = ⱷгз*(r*(h-r)/(х*(h-х)), где ⱷгз– потенциал группы заземлителей, r – радиус полусферы электрода, h –– расстояние между заземлителями, х – расстояние между точкой касания и ближайшим заземлителем.

Теперь можем рассчитать напряжение прикосновения: Uпр = ⱷгз — ⱷос = ⱷгз*(r*(h-r)/(х*(h-х)),  соответственно, коэффициент прикосновения для группового заземления будет α = (r*(h-r)/(х*(h-х)):

Учитывая приведенные выше выражения, можно утверждать, что наибольший уровень напряжения и значение коэффициента прикосновения будут в том случае, когда точка основания будет располагаться между заземлителями, то есть, при x=h/2.  Соответственно αмакс = 1- 4r * (h-r)/h2, откуда получаем UПРмакс = ⱷгз * αмакс.

Снижение напряжения вплоть до минимального, как и в предыдущем примере, будет при максимальном приближении к заземлению.

Заметим, что при большом числе электродов заземления рассчитать высокий электрический потенциал (максимальное напряжение) практически нереально, поэтому применяется метод прямых измерений.

Измерения

Данный вид измерений предписывается проводить в производственных помещениях, где установлено технологическое оборудование и имеются устройства выравнивающие потенциал. Последние положено устанавливать на оборудование, для которого характерен высокий ток замыкания на землю. Выравнивание потенциала также производится на объектах с протяженным токопроводящим оборудованием, где возможно возникновение потенциала вследствие нарушения изоляции фазных проводов.

Перед тем, как приступить к проверке, измеряются сопротивления заземления и нулевых защитных подключений. Далее отключают ввод и подключают схему, наподобие той, что представлена ниже.

Схема для измерения напряжения прикосновенияСхема для измерения напряжения прикосновения

Обозначения:

  • Tr1 – Автотрансформатор.
  • R- Резистор, с сопротивлением, соответствующим телу человека (как правило 1,0 кОм).
  • SW – Выключатель.
  • V1, V2 – Измерительные приборы.
  • А – Заземлитель корпуса оборудования.
  • B – Токопроводящая пластина, имитирующая ступню человека.

Алгоритм измерений следующий:

  1. На собранную схему подается питание от источника тока, используя при этом вольтметр V1 для контроля напряжения.
  2. По показаниям второго прибора определяют Uпр путем измерения напряжения между заземлителем корпуса оборудования (A) и металлическим щупом, погруженным (забуренным) в основание на глубину 30,0 см на удалении 25 и более метров от заземляющего электрода. Данный показатель покажет UПРмакс.
  3. После этого делают измерение величины напряжения на пластине имитаторе ступни (UB).
  4. Включают выключатель SW и измеряют величину напряжения (U1) между имитатором ступни и заземляющим электродом.
  5. Рассчитывают напряжение прикосновения по формуле Uпр = 2/(1/UB+1/U1):

Обратим внимание, что в настоящее выпускаются приборы, позволяющие снять необходимые для электробезопасности показатели и другие важные характеристики.

Меры защиты

Наиболее эффективный способ защиты от пагубного воздействия высокого напряжения прикосновения – установка заземлителей в непосредственной близости от электроустановок. Не менее эффективно действует выравнивание потенциала покрытия, это также снижает величину шагового напряжения. В этом случае применяется схема контурного заземления, ее пример приведен на рисунке.

Пример контурного заземленияПример контурного заземления

Как видно из приведенного примера, групповые заземлители расположены сеткой. При этом вертикальные электроды размещены таким образом, чтобы расстояние между ними было меньше длины заземляющего стержня. В случае замыкания фазного провода на токопроводящую поверхность одного из электроприборов, за счет соединения с другими заземлителями, ток будет растекаться таким образом, что уровень потенциала будет примерно одинаков в любой точке основания.

Таким образом, разность потенциалов между основанием и корпусом электроприбора будет стремиться к нулю, соответственно, таким же будет и напряжение шага и прикосновения.

Обратите внимание, что вне поверхности защищенной контуром наблюдается резкий спад уровня потенциала заземления, увеличивая опасность поражения. Сделать падение напряжения более пологим можно при помощи металлических шин, размещенных за периметром контура.

Профилактика

В число профилактических мер для снижения вероятности поражения от косвенного прикосновения входит:

  • Проверка сопротивления изоляции кабелей, обмоток электромашин и других токоведущих элементов. В случае снижения сопротивления изоляции или ее повреждения, во избежание линейного или однофазного замыкания, проблемная электрическая сеть должна быть отключена.
  • Измерение сопротивления заземления, оно не должно превышать допустимую величину.
  • Проверка надежности заземления нейтрали (нулевого провода).
  • Регулярная поверка устройств защитного отключения на предмет срабатывания от тока замыкания и соответствие другим параметрам.
  • Поскольку человеческое тело обладает малым сопротивлением, то при работе с электроприборами следует использовать, как минимум, резиновые коврики. Учитывая непредсказуемость появления напряжения прикосновения на корпусе оборудования, такая мера предосторожности не будет лишней.
  • Отслеживание режимом электроустановок, чтобы не допустить их нештатной работы и т.д.

Рекомендуем прочитать:

Шаговое напряжение — Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Напряжение. Распределение электрического потенциала вокруг упавшего провода; US1−US2 — шаговое напряжение. Поваленные опоры электропередачи могут стать источником шагового напряжения.

Шаговое напряжение — напряжение, обусловленное электрическим током, протекающим по земле или по токопроводящему полу, и равное разности потенциалов между двумя точками поверхности земли (пола), находящимися на расстоянии одного шага человека. Шаговое напряжение зависит от длины шага, удельного сопротивления грунта и силы протекающего через него тока, а также частоты тока и других параметров. Опасное шаговое напряжение может возникнуть, например, около упавшего на землю провода под напряжением или вблизи заземлителей электроустановок при аварийном коротком замыкании на землю (допустимые значения сопротивления заземлителей и удельное сопротивление грунта нормируются для того, чтобы избежать подобной ситуации).[1]

При попадании под шаговое напряжение через тело человека начинает проходить ток, возникают непроизвольные судорожные сокращения мышц ног и, как следствие, падение человека на землю. Ток начинает проходить между новыми точками опоры — например, от рук к ногам, что приводит к дальнейшему поражению и всё больше приближает смертельное поражение. Даже если первый удар оказался не смертельным, пострадавший не может покинуть зону шагового напряжения самостоятельно. При подозрении на шаговое напряжение надо покинуть опасную зону минимальными шажками («гусиным шагом»).

Особо опасно шаговое напряжение для крупного рогатого скота, так как расстояние между передними и задними ногами у этих животных очень велико и, соответственно, велико напряжение, под которое они попадают. Нередки случаи гибели скота от шагового напряжения.

Шаговое напряжение зависит от сопротивления разных слоёв почвы[2] — тем не менее, поддаётся прикидочным расчётам[3]. Для примера рассмотрим однофазное замыкание на землю в одной точке. Сначала надо вычислить ток однофазного замыкания.

Isc=UphaseR0+Rcont{\displaystyle I_{\text{sc}}={\frac {U_{\text{phase}}}{R_{0}+R_{\text{cont}}}}},

где Isc — ток короткого замыкания, Uphase — напряжение фазы, R0 — сопротивление рабочего заземления нейтрали (единицы ом), Rcont — сопротивление растеканию тока в месте контакта (обычно оценивают в 12 Ом). После этого можно вычислить шаговое напряжение:

Ustep=Iscρa2πx(x+a){\displaystyle U_{\text{step}}={\frac {I_{\text{sc}}\rho a}{2\pi x(x+a)}}},

где ρ — удельное сопротивление земли (сотни ом-метров), x — расстояние от проводника, a — длина шага, для человека от 0,7 м (средняя) до 1,0 м (с запасом), для скота 1,4 м.

При определённых условиях (вспотевший человек, промокшая обувь) сопротивление между ногами может быть меньше 1 кОм — так что даже низкие (несколько десятков вольт) напряжения не всегда безопасны! На производстве имелось немало несчастных случаев от удара напряжением в 36 и менее вольт[4].

В 1928 году в Ленинграде произошла авария, вошедшая в учебники под названием «лошадиной»[5].

Посреди площади, вымощенной деревянными шестиугольниками, стоял чугунный колодец с разъединителем на 2000 вольт. Однажды в колодце растрескался изолятор, и разъединитель повис на проводе в нескольких сантиметрах от стенки. Прошёл дождь, и мостовая стала проводящей и податливой. Когда рядом с колодцем проехала гружёная телега, мостовая прогнулась — и провод замкнуло на колодец.

Людей, чья длина шага не превышала метра, просто било током. А лошадь, с её полутораметровым корпусом и железными подковами, убило насмерть. Мостовая была под напряжением в течение двух секунд, после чего на подстанции сработал «автомат».

Неожиданная гибель лошади вызвала интерес людей, прибыл конный патруль. Телегу оттащили, и короткое замыкание прекратилось. В это время дежурный по подстанции проверил сопротивление изоляции и, посчитав отключение ложным, подал ток. Разъединитель с колодцем образовали электрическую дугу, и на мостовой снова возникло шаговое напряжение, погибли две милицейские лошади.

Повторно подать ток дежурный не имел права, так что ущерб ограничился тремя убитыми лошадьми.

В 2011 году сходная авария случилась на английском ипподроме в графстве Беркшир, причиной стал ветхий подземный кабель[6].

Шаговое напряжение: определение радиуса, меры защиты

Электрический ток всегда является потенциальной опасностью для жизни человека. Шаговое напряжение – одно из самых опасных явлений в электротехнике, определение которого знать нужно любому электрику.

Определение

Что это такое – шаговое напряжение? Это определенное напряжение, которое возникает между ногами человека, стоящего рядом с заземленным объектом без соприкосновения с ним. Оно равно разности напряжений электричества между объектом и точкой, которая находится на некотором расстоянии от него. Главными факторами, влияющими на него, являются расстояние, удельное сопротивление земли (сетка заземления) и силы тока, протекающего по проводнику.

Пример шагового вихря напряженияФото — Пример шагового вихря напряжения

Опасность шагового напряжения заключается в том, что прикосновения не нужны для поражения током, а после поражения перемещение практически невозможно. За счет того, что земля также имеет определенное удельное напряжение, удар может произойти независимо от действий человека.

Зависимости размеров шага и напряженияФото — Зависимости размеров шага и напряжения

Причины

Опасное напряжение чаще всего возникает при обрыве электрического локального кабеля, поставляющего электричество к определенному объекту. Опаснее всего в такой момент человеку находиться на болоте, в воде или даже стоять на мокром асфальте, т. к. вода является превосходным проводником электрического тока.

О том, какое напряжение называют шаговым, изучается даже в школах, но, к сожалению, предугадать момент его появления и конкретное поле действия очень сложно. Оно может проявиться из-за перепадов атмосферного давления, возникновения взрыва на электрических подстанциях, при коротком замыкании на проводе в помещении или на улице, и даже от взаимодействия земли с молнией.

Действие

Для того, чтобы предупредить вредное воздействие шагового напряжения, необходимо провести расчет. Он поможет вычислить размер диапазон и его силу.

Расчет шагового напряженияФото — Расчет шагового напряжения

Каждый параметр отвечает за определенный показатель, важный при вычислении радиуса. На данной схеме:

  • IЗ – ток короткого замыкания, измеряется в Амперах;
  • ρ – удельное сопротивление грунта, Ом*м;
  • a – расчетная длина шага, м
  • x – расстояние от места повреждения, измеряется в метрах.

Исходя из графика может быть рассчитана зона шагового напряжения и непосредственно его размер:

UШ = (I3 * ρ * a) / 2 π x (x + a). Измеряется в вольтах.

Конечно, точно определить шаговое предельное напряжение и его радиус очень сложно, т. к. нужно рассчитать примерное сопротивление разных слоев почвы и вывести средний показатель, умноженный на определенный коэффициент. Но такая формула поможет провести прикидочные расчеты и вычислить напряжение, диапазон и прочие параметры.

Благодаря этому расчету можно определить не только пошаговое напряжение, но и шаг сетки, что поможет минимизировать вероятность летального исхода. Считается, что воздействие будет минимальным, если сокращать шаги, но это зависит от частоты полос напряжения. Например, есть схема кривой, которая поможет рассчитать размер шага при аварии.

Кривая расчета ширины шагаФото — Кривая расчета ширины шага

Для того чтобы получить такой график на местности, необходимо измерить вольтаж на разных расстояниях от провода, а после свести данные в одну схему. Обратите внимание на отрезок ОН, на чертеже указано, что его можно разбить на несколько участков, которые по размеру будут соответствовать среднему шагу человека. В таком случае, Вы сможете вывести рабочего из зоны опасности. Если просчитать места образования опасных линий, то при шагах ступни будут находиться в участках разности потенциалов. Также график наглядно демонстрирует, что чем ближе объект (см. человек), находится к эпицентру аварии (оборванному проводу), тем меньшими становятся отрезки и выше напряжение.

Учитывая это, формула будет иметь такой вид:

Uш = Uв — Uг = Uз*B

В данном случае, коэффициент напряжения между человеческими ступнями, также именуемый как коэффициент напряжения шага равняется 1 (по умолчанию). Этот показатель зависит от расстояния до аварии. Например, чем ближе источник напряжения – тем выше коэффициент между ступнями.

На графике 2 демонстрируется, как именно изменяются данные при движении тела в зоне опасности. Особенно высоко влияние тока в грозу или на мокром асфальте. В подобных случаях без специальной экипировки запрещается приближаться к эпицентру ближе, чем на десять метров.

При этом нужно учитывать сторонние факторы, влияющие на проводимость человеческого тела и сопротивление между ступнями. Так, если рабочий в момент падения провода будет в мокрой одежде, обуви или просто вспотеет, то для смертельного удара будет достаточно даже нескольких десятков Вольт, в отличие от значащихся в технике безопасности 220.

Со временем может произойти самостоятельное выравнивание электрического тока, если будет отключен источник. В такой случае, вся энергия просто уйдет в землю, не требуя дополнительных процессов.

Видео: расчет шагового напряжения

Действия при аварийной ситуации

Пройдя понятие о шаговом напряжении, становится понятно, что для осуществления каких-либо спасательных операций, понадобятся специальные меры защиты. Это костюм, выполненный из неприводимого материала и определенные знания оказания первой помощи.

Поражение начинается с нижних частей ног, в зависимости от напряжения, ощущения могут быть разными:

  1. Покалывание, зуд;
  2. Спазмы;
  3. Резкая боль;
  4. Паралич.

Правила выхода из опасной ситуации гласят, что если помощи нет, то нужно стараться выбраться из зоны действия тока. Электробезопасность рекомендует уменьшать размер шагов, например, двигаться прыжками на одной ноге, размером менее 40 см. Способы зависят от конкретной ситуации.

памятка БЖД по спасению человека в зоне шагового напряженияФото — памятка БЖД по спасению человека в зоне шагового напряжения

Когда вошли в безопасный участок, сразу нужно определить возможные симптомы поражения шаговым напряжением:

  1. Дрожь и онемение конечностей;
  2. Бессвязность речи;
  3. Головокружения, потеря сознания, тошнота;
  4. Боль в мышцах;
  5. Любые виды нарушения дыхания, начиная от першения в горле и заканчивая спазмами;
  6. Фибрилляция.

В сводах БЖД сказано, что в 80 % случаев самостоятельный выход из зоны, где действует шаговое напряжение, практически не имеет последствий. Но у 20 % освобождение из ловушки может оставить след на всю жизнь в виде проблем с сердцем или легкими.

Ток и напряжение. Виды и правила. Работа и характеристики

Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.

Напряжение

Условно напряжение обозначается буквой «U». Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.

Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х1018 электронов.

Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока.
  • Постоянное напряжение. Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
  • Переменное напряжение. Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:
    амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс;
    — мгновенное напряжение, которое выражается в определенный момент времени;
    — действующее напряжение, определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;
    — средневыпрямленное напряжение, определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.

При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения. Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением, а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением. Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.

Электрический ток

Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Условно считается, что ток в электрической цепи течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.

Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.

Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, батареях, солнечных элементах и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться осциллографом. На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.

Ток и напряжение подчиняются правилам:
  • Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
  • В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
  • Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I. Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.
Характеристика электрического тока

Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.

По такому принципу действуют все защиты и выключатели в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.

В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, кабелей, проводов и других частей, проводящих ток.

Также существуют другие способы создания внутреннего тока в:
  • Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
  • Вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
  • Полупроводниках, вследствие движения носителей заряда.
Условия возникновения электрического тока:
  • Нагревание проводников (не сверхпроводников).
  • Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
  • Химическая реакция с выделением новых веществ.
  • Воздействие магнитного поля на проводник.
Формы сигнала тока:
  • Прямая линия.
  • Переменная синусоида гармоники.
  • Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).
  • Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.

Виды работы электрического тока:
  • Световое излучение, создающееся приборами освещения.
  • Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
  • Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
  • Создание электромагнитного излучения.
Отрицательные явления, вызываемые электрическим током:
  • Перегрев контактов и токоведущих частей.
  • Возникновение вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
  • Электромагнитные излучения во внешнюю среду.

Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках. Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.

Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.

Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.

Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:
  • Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
  • Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.

Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.

Электрический ток в металлах

Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.

В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.

При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.

Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.

Похожие темы:



Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о