Чем измеряют тепловое действие тока

Перенесемся в 19 век-эпоху накопления знаний и подготовки к технологическому прыжку 20 века. Эпоха, когда по всему миру различные учёные и просто изобретатели-самоучки чуть ли не ежедневно открывают что-то новое, зачастую тратя огромное количество времени на исследования и, при этом, не представляя конечный результат.

Один из таких людей, русский учёный Эмилий Христианович Ленц, увлекался электричеством, на тогдашнем примитивном уровне, пытаясь рассчитывать электрические цепи. В 1832 году Эмилий Ленц «застрял» с расчётами, так как параметры его смоделированной цепи «источник энергии — проводник — потребитель энергии» сильно разнились от опыта к опыту. Зимой 1832-1833 года учёный обнаружил, что причиной нестабильности является кусочек платиновой проволоки, принесённый им с холода. Отогревая или охлаждая проводник, Ленц также заметил что существует некая зависимость между силой тока, электрическим сопротивлением и температурой проводника.

При определённых параметрах электрической цепи проводник быстро оттаивал и даже слегка нагревался. Измерительных приборов в те времена практически никаких не существовало — невозможно было точно измерить ни силу тока, ни сопротивление. Но это был русский физик, и он проявил смекалку. Если это зависимость, то почему бы ей не быть обратимой?

Для того чтобы измерить количество тепла, выделяемого проводником, учёный сконструировал простейший «нагреватель» — стеклянная ёмкость, в которой находился спиртосодержащий раствор и погружённый в него платиновый проводник-спираль. Подавая различные величины электрического тока на проволоку, Ленц замерял время, за которое раствор нагревался до определённой температуры. Источники электрического тока в те времена были слишком слабы, чтобы разогреть раствор до серьёзной температуры, потому визуально определить количество испарившегося раствора не представлялось возможным. Из-за этого процесс исследования очень затянулся — тысячи вариантов подбора параметров источника питания, проводника, долгие замеры и последующий анализ.

Применение теплового действия электрического тока

Описание презентации по отдельным слайдам:

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ДЕЙСТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Преподаватель ТОГБПО СПО «Котовский индустриальный техникум – Литвинова Л.В. 2014

Тема: Применение теплового действия электрического тока. Цель: Примеры использования тепловых действий электрического тока. Расчет расхода электрической энергии..

План урока: I.Повторение изученного 1)В чем проявляется тепловое действие тока? При каких условиях оно наблюдается? — При прохождении тока по проводнику она нагревается и, удлинившись, слегка провисает.. В электрических лампах тонкая вольфрамовая проволочка нагревается током до яркого свечения. 2)Почему при прохождении тока проводник нагревается? — В проводнике при протекании тока происходит превращение электрической энергии во внутреннюю, и проводник нагревается. 3)Почему, когда по проводнику пропускают электрический ток, проводник удлиняется? — При нагревании проводника увеличивается потенциальная энергия взаимодействия молекул тела; расстояние между молекулами возрастает, проводник удлиняется.

4) По какой формуле можно рассчитать кол-во теплоты, выделяемой проводником с током? Q = I² R T 5)Как формулируется закон Джоуля-Ленца? — Кол-во теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. 6) Какое устройство называется резистором? Проводник постоянного сопротивления. 7) Для каких целей резисторы можно включать в цепь, соединяя их различными способами? С целью изменения сопротивления, а следовательно силы тока и напряжения на соответствующем участке цепи.

8)Приведите примеры различных соединений потребителей тока, с которыми вы встречались в быту. Люстры, герлянды, электрические конфорки . 9)На каком физическом явлении основано действие этих приборов? Тепловое действие тока – при прохождении тока по проводнику проводник нагревается. 10) Назовите ещё устройства и приборы, в которых используется тепловое действие электрического тока. Кипятильник, паяльник, фен.

11)Дано: 2 проволоки одинаковой длинны медная и железная соединённые друг с другом в первом случае параллельно, а во втором последовательно. В какой проволоке выделится большее количество теплоты? Известно что длинна проволоки 5 метров, а площадь сечения равна 5*10-8 м2. Параллельно Последовательно Дано: L=5 м меди=1.7*10-8 Ом*м железа=9,9*10-8 S=5*10-8 м2 __________________ R1=? Решение L=RS/ ; RS=L ; R=L/S Rмеди=5*1,7*10-8/0,5*10-8 =1,7 Ом Rжелеза=5*9,9*10-8/0,5*10-8=9,9 Ом Т.к. соединение параллельное U1=U2 и Q=(U2/R)*t и поэтому кол-во теплоты обратнопропорционально сопротивлению проводника. Дано: L=5 м меди=1.7*10-8 Ом*м железа=9,9*10-8 S=5*10-8 м2 __________________ R1=? Решение L=RS/ ; RS=L ; R=L/S Rмеди=5*1,7*10-8/0,5*10-8 =1,7 Ом Rжелеза=5*9,9*10-8/0,5*10-8=9,9 Ом Т.к. соединение последовательное I1=I2 и Q=I2Rt и поэтому кол-во теплоты прямопропорционально сопротивлению проводника.

II.История и развитие электрического тока. История электрического освещения началась в 1870 году с изобретения лампы накаливания, в которой свет вырабатывался в результате поступления электрического тока. Самые первые осветительные приборы, работающие на электрическом токе, появились в начале 19 века, когда было открыто электричество. Эти лампы были достаточно неудобны, но, тем не менее, их использовали при освещении улиц. И, наконец, 12 декабря 1876 года русский инженер Павел Яблочков открыл так называемую «Электрическую свечу», в которой 2 угольные пластинки, разделенные фарфоровой вставкой, служили проводником электричества, накалявшего дугу, и служившую источником света. Лампа Яблочкова нашла широчайшее применение при освещении улиц крупных городов.

III.«Потребители электрической энергии» а) устройство лампы накаливания; 1) Спираль 2) Стеклянный баллон 3) Цоколь лампы 4) Основание цоколя 5) Пружинящий контакт патрона

Нагревательный элемент – это основная часть всякого нагревательного электрического прибора. Энергосберегающая лампа Газоразрядная лампочка светиться под действием коротковолнового излучения.

б) Различные потребители электрической энергии

VI.Формулы расчета стоимости электрической энергии А=Pt Стоимость = А(кВт*ч) х Тариф А работа тока Р мощность тока t время работы потребителя

V. КЛЛ- компактная люминесцентная лампа Я рассчитал экономию израсходованной электроэнергии и стоимость её при использование КЛЛ в своей комнате W= 150*12*30 =54 кВт ч – за месяц Ст.= 54*2,81= 151,74 (руб.) оплата в месяц за лампу накаливания W= 20*12*30 = 7,2 кВт ч если энергосберегающая лампа Ст.=7,2*2,81=20,23 (руб.) оплата в месяц за энергосберегающую лампу Ст.= 151,74-20,23=131,51 (руб.) Ст.=131,51*2=263,02 (руб.) экономия так как в моей комнате 2 КЛЛ Таким образом, получается, что энергосберегающая компактная люминесцентная лампа, несмотря на высокую стоимость, экономичнее, чем дешевая лампа накаливания.

VI. Практическое исследование P1=100Вт=0,1кВт- лампа накаливания P2= 20Вт = 0,02 кВт- энергосберегающая лампа За месяц (30 дней ) Ст1. = 0,1кВт*180 час*2,81 руб= 50,58 руб. Ст2. = 0,02кВт*180час*2,81руб.=10,16 руб. Экономия электроэнергии 18 кВт- 3,6кВт =14,4 кВт За год Ст1.= 0,1 кВт*2190 час*2,81 руб.= 615,39руб. Ст2.= 0,02 кВт*2190 час*2,81 руб. = 123,08 руб. Экономия электроэнергии: 219 кВт – 43,8 кВт= 175 кВт Затраты с учётом стоимости лампочек :с энергосберегающей лампочкой экономия составила 492,3 руб.

VII. Энергосбережение – одна из приоритетных задач. Это связано с дефицитом основных энергоресурсов, возрастающей стоимостью их добычи, а также с экологическими проблемами. 23 ноября 2009 года президент Российской Федерации Д.А.Медведев подписал федеральный закон № 262-Ф3 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ»

Что проходит в нашем техникуме по энергосбережению? В нашем техникуме используются энергосберегающие люминесцентные лампы На классных часах проводятся краткий инструктаж по энергосбережению Нагревательные приборы используются рационально Возможности энергосбережения в техникуме. Основные возможности энергосбережения зависящие от нас, студентов – это экономия электроэнергии и тепла Пользоваться электрическим светом, только по необходимости В кабинетах не «гонять» компьютер с утра до вечера Сохранять тепло помогает оклейка и утепление окон. Следить, чтобы двери и окна были плотно закрыты Открыть жалюзи в кабинетах иначе лампочки в кабинетах горят целый день В коридорах горит свет во время уроков

Возможности энергосбережения в своём доме. Заменить лампы накаливания на современные энергосберегающие лампы Выключать неиспользуемые приборы из сети (телевизор, видеомагнитофон, музыкальный центр) Стирать в стиральной машине при полной загрузки и правильно выбирать режим стирки Своевременно удалять из электрочайника накипь Не пересушивать бельё это даёт экономию при глажке Чаще менять мешки для сбора пыли в пылесосе Ставить холодильник в самое прохладное место на кухне Использовать светлые шторы, обои Чаще мыть окна, на подоконники ставить небольшое количество цветов Не закрывать плотными шторами батареи отопления

VIII. Закрепление изученного материала. Обсудить решение нескольких задач: Спираль электрической плиты укоротили. Как измениться количество выделяемой в ней теплоты, если плитку включить в тоже напряжение. Какое количество теплоты выделится в течении часа в проводнике сопротивление 10 Ом при силе тока в 2 А? Определите количество теплоты которое дает электроприбор мощностью 2 кВт за 10 мин работы. IX. Домашнее задание § 17.4 учебника, вопросы к параграфу

Слова по горизонтали должны означать: 1,2. Английский и русский ученые, установившие на опыте независимо друг от друга, от чего зависит количество теплоты, выделяемое проводником с током. 3. Часть электрической лампы накаливания, которая ввинчивается в патрон. 4. Русский ученый, открывший явление электрической дуги. 5. Металл, из которого изготовляют спираль лампы накаливания. 6. Изобретатель первой лампы накаливания, пригодной для практического использования. 7. Изобретатель дуговой лампы – электрической свечи. 8. Американский изобретатель, усовершенствовавший лампу накаливания и создавший для нее патрон. 9. Материал, из которого изготовляют баллон лампы накаливания. 10. Газ, применяемый для изготовления ламп накаливания.

1) Два резистора R1 и R2 соединены параллельно и подключены к источнику тока. Сила тока в цепи равна I= 2A. Сопротивления резисторов равны соответственно R1=40 Ом и R2 = 60 Ом. Определите силу тока в каждом резисторе. I 2) Найдите сопротивление проводников.

3) Подсчитайте общее сопротивление резисторов, общую силу тока и силу тока в каждом резисторе

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс профессиональной переподготовки

Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации

Курс повышения квалификации

Современные педтехнологии в деятельности учителя

Онлайн-конференция для учителей, репетиторов и родителей

Формирование математических способностей у детей с разными образовательными потребностями с помощью ментальной арифметики и других современных методик

Международная дистанционная олимпиада Осень 2021

• Все материалы
• Статьи
• Научные работы
• Видеоуроки
• Презентации
• Конспекты
• Тесты
• Рабочие программы
• Другие методич. материалы

• Литвинова Лариса ВасильевнаНаписать 4536 30.12.2016

Номер материала: ДБ-059676

• Физика
• 10 класс
• Презентации

30.12.2016 572

30.12.2016 608

30.12.2016 769

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Кравцов призвал создать федеральную систему учета успеваемости

Время чтения: 1 минута

В Москве планируют внедрить экспресс-тестирование на коронавирус в школах

Время чтения: 1 минута

Демоэкзамены включат в образовательные стандарты всех направлений подготовки СПО

Время чтения: 2 минуты

В Воронеже всех школьников переведут на удаленку из-за COVID-19

Время чтения: 1 минута

В Москве подписан Меморандум о развитии и поддержке классного руководства

Время чтения: 1 минута

Минпросвещения подключит работодателей к разработке образовательных программ в колледжах

Время чтения: 2 минуты

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Что такое ток

Ускорение, которое заряды получают под действием сил электрического поля, изменяет скорости беспорядочного теплового движения заряженных частиц так, что они перемещаются в направлении поля.

Электрический ток в металлах образуется направленным движением имеющихся в них свободных электронов. Для образования в проводнике электрического тока необходимо создать и поддерживать в цепи действие электрического поля, другими словами, надо создать в цепи разность потенциалов или приложить к ней напряжение.

Разность потенциалов в электрической цепи создается путем разделения зарядов и образования в определенных точках ее избытка или, наоборот, недостатка зарядов того или другого знака. Разделение зарядов происходит в устройстве, которое называется генератором напряжения.

Разделение зарядов производится с помощью внешних сил, действующих против кулоновских сил, связывающих разноименные заряды, имеющиеся в проводниках внутри самого генератора. Работа по разделению зарядов производится за счет внешних источников энергии, которые могут быть различной природы: физической, химической и даже биологической.

На рис. 2, а схематически показана цепь, содержащая генератор напряжения Г. При работе генератора и при разомкнутой внешней цепи между полюсами или выводами генератора образуется электрическое поле и создается разность потенциалов. Если замкнуть полюса проводником R (рис. 2, б), то имеющиеся в цепи свободные электроны под действием поля будут двигаться, как показано стрелками.

Величину, равную разности потенциалов, создаваемой на полюсах генератора при разомкнутой внешней цепи, называют электродвижущей силой (э. д. с.) генератора. При замкнутой внешней цепи разность потенциалов, или напряжение U, на полюсах генератора равняется разности между электродвижущей силой Е и падением напряжения Ir на внутреннем сопротивлении r генератора (закон Ома для полной цепи):

U= Е — Ir.

Электродвижущая сила, разность потенциалов, или напряжение, в системе СИ, как указывалось, измеряется в вольтах. Для примера укажем, что э. д. с. аккумулятора составляет 1—2 в, сухой гальванической батареи — 60—80 в. Напряжение осветительной сети 127 или 220 е. В медицине прихо диться встречаться также с малыми напряжениями, измеряемыми в милли-вольтах (1 мл=10 -3 в) и микровольтах (1мкв =10 -6 в).

Классификация тока

Подразделяются на несколько типов к наиболее применимым считают:

1. Переменный ток — это ток который распространяется в проводнике с переменной частотой.
2. Постоянный ток — это ток который не меняется в направлении и частоте.
3. Периодический ток — это электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
4. Ток высокой частоты — это ток который распространяется с очень высокой частотой, порождая новые физические явления (излучение и скин-эффект), для расчетов таких токов используют спец аппаратуру так как практически все во круг металлическое становиться приемником электрического тока.
5. Наведенные токи в проводнике (вихревые) — это токи которые распространяются независимо от главного источника, пример в сети переменного тока 50 Гц, в результате работы индукционных приборов (печь).
6. Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля, примером служит выпрямленный диодом напряжение который продается к источнику потребления (импульсный блок питания).

Движение электронов в металлах

Движение зарядов под действием сил электрического поля начинается сразу по всей цепи (скорость распространения электрического поля вдоль всей цепи близка к скорости света). Однако скорость движения зарядов в самих проводниках невелика и зависит от их природы. В металлах движение электронов тормозится столкновениями их с положительными ионами, расположенными в узлах пространственной решетки, которые находятся только в тепловом колебательном движении около среднего положения (рис. 3).

При столкновениях электроны теряют скорость, приобретенную под действием сил поля. Средняя скорость поступательного движения их уменьшается, а кинетическая энергия передается ионами и усиливает их тепловое движение (проводник нагревается). Это явление характеризуется как сопротивление проводника электрическому току.

Средняя скорость перемещения электронов под действием поля прямо пропорциональна напряженности поля и при напряженности, равной 1 в/см, имеет порядок 0,05 см/сек. Для сравнения укажем, что в вакууме, где никаких столкновений не проис ходит, скорость электронов при на пряженности поля 1 в/см имеет порядок 10 5 —10 6 см/сек.

Направление тока (сила тока что это)

Поскольку исторически за направление тока в цепи было принято направление, в котором двигаются положительные заряды, например положительные ионы в растворе электролита, направление движения электронов в металлических проводниках является обратным тому направлению, которое условно принимается за направление тока (стрелка на рис. 2, б).

Сила тока -это физическая величина которая равна отношению количества заряда прошедшая за определенное время, через поперечное сечение проводника.

Сила тока I измеряется количеством электричества, протекающим через поперечное сечение проводника за 1 сек. При заданном сечении проводника и известной величине е единичного заряда сила тока прямо пропорциональна количеству N свободных (подвижных) носителей зарядов, содержащихся в единице объема проводника, или их концентрации и средней скорости υ_ср перемещения зарядов в направлении поля:

В металлических проводниках число свободных электронов в единице объема постоянно и почти не зависит от температуры (N = const). Следовательно, сила тока прямо пропорциональна средней скорости υ_cp перемещения электронов, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна напряженности поля или соответственно напряжению U, приложенному к концам данного участка проводника, и обратно пропорциональна величине R, характеризующей сопротивление движению зарядов (закона Ома для участка цепи):

I = U/R

Мощность

Мощность — это скорость, с которой происходит преобразование энергии.

Скорость, с которой какая-либо энергия преобразуется в электрическую в источнике питания, называется мощностью источника (генератора):

Р_И = (EIt) : t = EI

Скорость, с которой электрическая энергия преобра­зуется в другие виды энергии в приемнике, называется мощностью приемника или потребителя.

Единицей измерения силы тока в системе СИ

Единицей измерения силы тока в системе СИ, как указывалось, является ампер (а). Употребляются также меньшие единицы: миллиампер (1 ма = 10 -3 а) и микроампер (1 мка = 10 -6 а).

Сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника или площади S электродов, называется плотностью тока σ и измеряется в а/см 2 .

Частота тока

Относится к переменному току, периодически изменяющему силу или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период переменного тока — наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Типы проводников

Это материалы или вещества которые проводят электрический ток, примером служит любые металлы.

Металлы — здесь являются носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Полупроводники — вещества или химические элементы которые под воздействием внешних факторов ( нагрев, электрический ток и т.д.) становятся проводниками электрического тока, пример германий используется в диодах или транзисторах.

Электрический ток в природе

Электричество разлома кварца и горных пород — известно из давних времен при геологическом разломе в результате образуется значительное количество тока, которое сопровождается аномальными явлениями (свечение влажного воздуха, молний, иногда шаровых).

Атмосферное электричество — которое образуется в воздухе. Изучается с времен Франклина, в России изучал Ломоносов. В результате исследований были приняты законы при которым следует атмосферное электричество:

1. электричество атмосферы всегда положительное при ясном небе, так же как и при облачном, , если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
2. напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
3. атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
4. место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю. Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10−12 А/м².

Статья на тему Ток

Похожие страницы:

1. Электрический ток

Понравилась статья поделись ей

Методы измерения вакуума — вакуумметры

Методы измерения вакуума — вакуумметры

Как уже было сказано выше, единицей давления является паскаль. Следует заметить, что само понятие «давление газа» для вакуумной техники утратило свой физический смысл, так как почти нет таких технологических процессов в вакууме, которые определялись бы давлением газа, как усилие на единицу поверхности. Так уже при давлении в сосуде 10 -1 Па сила, с которой молекулы воздействуют на 1 см 2 стенки сосуда, пренебрежимо мала.

Наиболее важной характеристикой газовой среды в вакуумной технике является плотность или молекулярная концентрация газа. Эта величина определяет теплоперенос, сорбционно-десорбционные процессы, воздействие газа на элементы электронных приборов и другие явления. Однако традиционно состояние газа оценивается давлением. Между давлением газа p и молекулярной концентрацией п существует связь: p-V = n ■ k — T

Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного называются вакуумметрами. В условиях высокого вакуума показания практически всех приборов, применяемых для измерения давлений ниже 10 -3 Па, пропорциональны не давлению, а концентрации молекул газа.

По принципу действия вакуумметры можно свести в следующие классы:

1) жидкостные вакуумметры, действие которых основано на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости (ртути или вакуумного масла). Диапазон измеряемых давлений 10 5 -10 Па;

2) компрессионные вакуумметры, действие которых основано на законе изотермического сжатия газа и измерении его давления по высоте столба жидкости, уравновешивающего это давление. Диапазон измеряемых давлений — 10 3 -10 -2 Па;

3) деформационные вакуумметры, в которых измеряемое давление определяется по деформации упругого чувствительного элемента. Диапазон измеряемых давлений — 10 5 -10 -2 Па;

4) тепловые вакуумметры, использующие зависимость теплопроводности разреженного газа от давления. Диапазон измеряемых давлений — 10 2 -10 -1 Па;

5) ионизационные вакуумметры, в которых используются ионизация молекул газа. Диапазон измеряемых давлений — 10 -10 -10 Па.

По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные.

Абсолютные вакуумметры измеряют непосредственно давление газа, т.е. силу, действующую на единицу поверхности измерительного элемента. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа. К вакуумметрам прямого действия относятся жидкостные, компрессионные и деформационные. Эти приборы перекрывают диапазон от 10 5 до 10 ’2 Па.

Относительные вакуумметры измеряют не само давление, а используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке. Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе.

К вакуумметрам косвенного действия относят

ся тепловые и ионизационные, которые перекрывают диапазон измеряемых давлений от атмосферного до 10 ’ 10 Па. Большинство вакуумметров состоит из двух элементов: манометрического преобразователя сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока.

В производственных условиях преимущественно используются вакуумметры косвенного действия, которые практически безынерционны, охватывают широкий диапазон давлений и просты в эксплуатации.

Тепловые вакуумметры

Принцип действия термопарных вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от молекулярной концентрации (или давления). Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.

Из курса молекулярной физики известно, что в плотном газе (высокое давление) теплопроводность не зависит от давления.

При понижении давления уменьшается теплопроводность газа, соответственно, возрастает температура подогревателя и увеличивается термо-э.д.с. При низких давлениях, когда средняя длина свободно пробега молекул больше среднего расстояния между нагретым телом и стенками вакуумметра ( А^ d), теплопроводность газа пропорциональна молекулярной концентрации (давлению).

Преобразователь (рис. 23) представляет собой стеклянный или металлический корпус, в котором на двух вводах смонтирован подогрева

тель, на двух других вводах крепится термопара, изготовленная из хро-мель-копеля или хромель-алюмеля. Термопара соединена с подогревателем, который нагревается током, его можно регулировать реостатом и измерять миллиамперметром. Спай термопары, нагреваемый подогревателем, является источником термо-э.д.с., значение которой показывает милливольтметр.

Точность измерения давления термопарным вакуумметром существенно зависит от правильного подбора тока накала подогревателя. Калибровка термопарной лампы (установка тока подогревателя), подбирается таким образом, чтобы стрелка милливольтметра точно совпадала с последним делением шкалы. При этих условиях согласно градуировочной кривой термопарного манометрического преобразователя можно по показаниям милливольтметра определить давление в вакуумной системе.

Измерительное уравнение теплового преобразователя можно записать так:

Из уравнения (1.19) видно, что давление является функцией двух переменных: тока накала нити 1_н и температуры нити Т_Н.

Преимуществом тепловых преобразователей является то, что они измеряют общее давление всех газов и паров, присутствующих в ваку-

умной системе, и обеспечивают непрерывность измерения давления. Диапазон рабочих давлений 5-10 3 -10 -1 Па.

Существенным недостатком тепловых вакуумметров является изменение тока накала нити с течением времени, что требует периодической проверки тока накала. Недостатком также можно считать и их относительную инерционность, т.е. задержку отсчета во времени при быстром изменении давления. Существенное влияние на погрешность измерения тепловыми вакуумметрами оказывает колебание температуры окружающей среды.

Электронные ионизационные вакуумметры.

Принцип действия электронных преобразователей основан на ионизации газа электронами и измерении ионного тока, по величине которого судят о давлении.

Ионизация молекул газа производится электронами, эмитируемыми термокатодом и ускоряемыми электрическим полем электрода, на который подается положительный потенциал относительно катода.

В стеклянном баллоне смонтирована трехэлектродная система, состоящая из коллектора ионов, анодной сетки и прямонакального катода. На анодную сетку подается напряжение +200 В относительно катода, а на цилиндрический коллектор -50 В. Анодная сетка выполнена из вольфрамовой проволоки в виде спирали. При прогреве преобразователя и его обезгаживании по спирали пропускается ток 3А. Вольфрамовый катод преобразователя испускает электроны, которые ускоряются электронным полем и движутся к анодной сетке.

носительно катода, электроны останавливаются и начинают движение обратно к анодной сетке. В результате у сетки колеблются электроны, причем, прежде чем попасть на нее, электроны совершают в среднем 5 колебаний. При столкновении электронов с молекулами газа происходит ионизация молекул. Образовавшиеся положительные ионы, попадая на коллектор, создают в его цепи электрический ток. Как показывает опыт, при достаточно низких давлениях (ниже 10 -3 мм.рт.ст.) ионный ток коллектора прямо пропорционален давлению газа, т.е. p

1 _{коллектора}. Таким образом, для измерения давления достаточно при заданном электронном токе измерить ионный ток и разделить на постоянную преобразователя.

Ионный ток можно охарактеризовать: I _<= K ■ I_e ■ p , где К — чувствительность манометрического преобразователя.

Чувствительность ионизационных вакуумметров зависит от свойств газа, его температуры, электрического режима и геометрии, то есть

Часть электронов пролетает в пространство между анодной сеткой и коллектором. Так как коллектор имеет отрицательный потенциал отУдельная ионизация зависит от рода газа. Поэтому вакуумметр должен градуироваться отдельно для каждого газа.

Основные недостатки термоэлектронных ионизационных вакуумметров связаны с применением в манометрических преобразователях горячего катода, являющего источником электронов. Горячий катод разрушается при резком повышении давления и имеет низкий срок службы при относительно высоких давлениях. Кроме того, наличие горячего катода ограничивает нижний предел измеряемых давлений. Например, ионизационный преобразователь ПМИ-2 измеряет в диапазоне давлений от 1 Па до 5-10 -6 Па.

Магнитные электроразрядные вакуумметры

Одним из путей, позволяющим сдвинуть границу измерения в сторону более низких давлений, может быть увеличение чувствительности манометра. Для этого необходимо, чтобы электроны проходили в пространстве ионизации по возможности большие расстояния до момента их попадания на коллектор электронов. Тогда вероятность ионизации молекул газа этими электронами значительно возрастает, что приведет к увеличению чувствительности манометра. Наиболее простым способом увеличения длины пути электронов в пространстве ионизации является использование магнитного поля, воздействующего на электроны.

Рассмотрим расположение электродов, предложенное Пеннингом. Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов.

Манометр имеет катод, которым является корпус 1, и анод в виде металлического кольца 2. Вдоль оси анода создается постоянным магнитом 3 магнитное поле с индукцией 0,05-0,2 Тл. Через балластный резистор на анод подается высокое положительное напряжение порядка 2,5-3 кВ.

Разряд поддерживается между анодом и катодами, соединенными электрически и расположенными по обе стороны от анода. Равномерное магнитное поле, параллельное оси системы, препятствует немедленному уходу на анод электронов. Из-за большой длины пути электрона сильно повышается вероятность ионизации даже при низких давлениях газа. Образующиеся в результате ионизации молекул электроны движутся, как и первичные электроны, тоже по спиральным траекториям и в конце концов после совершения актов ионизации попадают на анод. Вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, также участвуют в поддержании разряда. Таким образом, благодаря магнитному полю и специальной конструкции электродов тлеющий разряд поддерживается даже тогда, когда средняя длина свободного пути электронов в газе во много раз превышает расстояние между анодом и катодом, что позволяет измерять низкие и сверхнизкие давления газа.

Данный вид вакуумметров позволяет измерять давления до 10 -10 Па.

Недостатки: данные вакуумметры имеют меньшую точность измерения давления, нуждаются в периодической чистке.

Достоинства — простота конструкции и отсутствие горячего катода. Из-за этого вакуумметры могут быть включены при любом давлении.

Какие приборы существуют?

Ассортимент термометров необходим, поскольку их подбирают с учетом назначения:

• медицинские. Также их называют термометрами, прибор для измерения температуры тела имеет небольшой диапазон. Укажет показатели от +29,5 до +42 градусов. Бывают ушные, в виде кнопки, в виде соски, цифровые и стандартные – из стекла. Ртутные дают точные показатели, но их нужно держать 5-10 минут. Цифровые выводят данные на экран, требуют около 30-60 секунд на измерения. Соски и кнопки используются для детей;
• бытовые. Чем измеряют температуру воздуха? Бытовые градусники измеряют показатели в помещениях и на улице. При стеклянной оболочке используется ртуть или спирт. Домашние отражают данные от +0 до +50, личные от -50 до +50;
• промышленные. Чаще всего это оснащенные устройства механической категории, для указания на шкалу используется стрелка. Нужны для получения показателей в системах, например, водных или газовых магистралях. Отличаются показателями, размерами, исполнением;
• кухонные. Измеряют показатели пищевых продуктов, делятся на жидкостные, механические и электрические.

Влияние на уровень электробезопасности режима нейтрали трехфазных электрических сетей

Место соединения концов фаз источника питания (генератора или трансформатора) называется нейтралью (точка 0).

1. заземленная нейтраль,
2. изолированная нейтраль,
3. компенсированная нейтраль.

Заземленная нейтраль

Ток однофазного короткого замыкания в сети с заземленной нейтралью достаточно велик и сопровождается возникновением дуги, что делает невозможным использование таких сетей в угольных шахтах и помещениях, опасных в отношении взрыва и пожара. Поэтому сети с заземленной нейтралью могут использоваться в помещениях, не опасных в отношении взрыва и пожара. Защита от короткого замыкания осуществляется плавкими вставками или реле максимальной токовой защиты, что удешевляет эксплуатационные расходы. Напряжение поврежденной фазы при однофазном замыкании падает до 0, напряжения неповрежденных фаз меняются незначительно, поэтому нет повышенных требований к изоляции.

На промышленных предприятиях используется наиболее распространенная система 220/380 В с заземленной нейтралью. В случае прикосновения к фазному проводу через тело человека будет протекать ток
что очень опасно.

Прикосновение тела человека к фазному проводу в сети с заземленной нейтралью всегда опасно.

Изолированная нейтраль

При однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью ток короткого замыкания определяется сопротивлением изоляции, которое, в свою очередь, определяется активным и емкостным сопротивлением. При хорошем состоянии изоляции и небольшой длине кабелей (емкость кабеля невелика) сопротивление изоляции достаточно велико, ток однофазного замыкания небольшой — возможно возникновение искрения при отсутствии дугового разряда, что делает возможным применение таких сетей во взрывоопасных и пожароопасных помещениях.

Прикосновение к фазному проводу в сети с изолированной нейтралью может быть безопасным при хорошем состоянии изоляции, так как ток через тело человека определяется сопротивлением изоляции.

Ток с одной из фаз проходит через тело человека, через сопротивление изоляции на другие фазы. В сети 220/380 В при сопротивлении изоляции 60 кОм ток через человека:

что безопасно.

При большой длине кабельных линий суммарная емкость сети увеличивается, сопротивление изоляции снижается, прикосновение человека к фазному проводу может стать опасным. Кроме того, в случае пробоя изоляции одной из фаз и прикосновения к другой фазе на тело человека воздействует линейное напряжение и в токовой цепи отсутствует сопротивление изоляции, что гораздо опаснее. Поэтому необходим непрерывный контроль изоляции и немедленное отключение участка сети при пробое одной из фаз или опасном снижении сопротивления.

Компенсированная нейтраль

Нейтральная точка соединяется с землей через индуктивное сопротивление XL, примерно равное емкостному сопротивлению изоляции Хс, что приводит к образованию «электрической пробки», при которой емкостная проводимость сравнивается с проводимостью индуктивной.

Поскольку они соединены параллельно, суммарная проводимость становится равной примерно 0, а это соответствует бесконечно большому сопротивлению. Величина тока, протекающего через тело человека при прикосновении его к фазному проводу в сети с компенсированной нейтралью, существенно уменьшается.

Способы устранения

Единственный способ предотвращения появления блуждающих токов — убрать возможность утечки из проводников, в качестве которых выступают те же рельсы, в землю. Для этого и устраивают насыпи из щебня, устанавливают деревянные шпалы, которые нужны не только для получения прочного основания под рельсовый путь, но и повышают сопротивление между ним и грунтом.

Дополнительно практикуется монтаж прокладок из диэлектрических материалов. Но все эти способы больше подходят для ЖД магистралей, трамвайные пути изолировать таким способом сложно, так как это приводит к увеличению уровня рельсов, что в городских условиях нежелательно.

В случае с распределительными пунктами и подстанциями, ЛЭП, ситуацию можно исправить применением более совершённых систем автоматического отключения. Но возможности такого оборудования ограничены, да и постоянное отключение электроснабжения, особенно в промышленных условиях, нежелательно.

Поэтому в большинстве случаев прибегают к защите трубопроводов, бронированных кабелей и металлических конструкций, расположенных в зоне действия блуждающих токов.

Активная и пассивная защита

Существует два основных способа защиты:

Пассивная — предупреждает контакт металла за счёт применения покрытий из диэлектрических материалов. Именно для этой цели применяют обмазку битумными мастиками, обмотку диэлектрическими изолентами, комбинацию этих способов. Но такие трубы стоят дороже, а проблема полностью не решается, потому что при глубоких повреждениях подобных покрытий защита практически не работает.

Пассивная защита
Активная — основана на отводе блуждающих токов от защищаемых магистралей. Может быть выполнена несколькими способами. Считается наиболее эффективным решением.

Активная защита

В различных условиях применяют отличающиеся способы защиты от электрохимической коррозии. Рассмотрим несколько основных примеров.

Защита полотенцесушителей

Главное отличие — находятся на открытом воздухе, поэтому изоляция не поможет, а отвести блуждающие токи некуда. Поэтому единственно допустимый вариант — выравнивание потенциалов.

Для решения этой проблемы применяют простое заземление. То есть восстанавливают те условия, которые были до разрыва цепи при помощи полимерных труб. При этом требуется заземление каждого полотенцесушителя или радиатора отопления.

Защита водопроводных труб

В этом случае больше подходит протекторная защита с применением дополнительного анода. Такой способ применяется и для предотвращения образования накипи в электрических водонагревательных баках.

Анод, чаще всего магниевый, соединяется с металлической поверхностью трубы, образуя гальваническую пару. При этом блуждающие токи выходят не через сталь, а через такой жертвенный анод, постепенно разрушая его. Металлическая труба при этом остаётся целой. Следует понимать, что время от времени требуется замена защитного анода.

Защита газопроводов

Для защиты этих объектов применяют два способа:

• Катодная защита, при которой трубе придают отрицательный потенциал за счёт применения дополнительного источника питания.
• Электродренажная защита предполагает соединение газопровода с источником проблем проводником. При этом предотвращается образование гальванической пары с окружающим магистраль грунтом.

Отметим, что ощутимый ущерб, наносимый металлическим конструкциям, требует применения комплексных мер. Они включают защиту и предотвращение появления опасных факторов.