Gazmarket59.ru

Газ Маркет 59
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловое действие электрического тока его практическое применение 1

Постоянный и переменный ток: преимущества и недостатки

Какой электрический ток лучше: постоянный или переменный ток? Чтобы дать ответ на данный вопрос нужно оценить их преимущества и недостатки по следующим основным направлениям: выработка, передача, распределение и потребление электроэнергии. Проще говоря, нужно ответить на следующие вопросы. Какой род тока проще и дешевле получить, затем передать его на большое расстояние, после чего распределить электроэнергию между потребителями. Потребители какого рода энергии более эффективны?

Сегодня преимущественное большинство электрической энергии, добываемой или генерируемой в мире, выпадет на переменный ток. И в первую очередь это связано с тем, что переменный ток проще преобразовывать из более низкого напряжения в более высокое и наоборот, то есть он проще в трансформации.

Место производство электрической энергии большой мощности, к сожалению пока что невозможно базировать в тех местах, где хотелось бы, то есть непосредственно рядом с потребителями. Например, мощную гидроэлектростанцию можно соорудить только на полноводной реке и то не в каждом месте. А конечный потребитель может находиться на расстоянии сотни и тысячи километров от электростанции. Поэтому очень важно обеспечить такие условия, чтобы минимизировать потери мощности в проводах линии электропередачи ЛЭП. В этом случае потери электроэнергии снижаются с ростом напряжения. Давайте остановимся на этом более подробно. Предположим, имеется некая электростанция, а точнее ее генератор, выдающий мощность 1000 кВт и нам необходимо передать эту мощность потребителю, который находится на расстоянии, например на 100 км от генератора.

Для сравнения электрическую энергию будем передавать напряжением 10 кВ и 100 кВ. При заданных мощности и напряжениях определим величины токов, протекающих в проводах.

I1 = P/U1 = 1000 кВт/10 кВ = 100 А.

I2 = P/U2 = 1000 кВт/100 кВ = 10 А.

Как мы видим, при увеличении напряжения в 10 раз, ток снижается тоже в 10 раз.

Потери электроэнергии в проводах ЛЭП и не только в них определяются квадратом тока, протекающего в них и сопротивлением самого провода. Для простоты расчет примем сопротивление проводов, равным 10 Ом. Подсчитаем потери мощности для обоих случаев.

Читайте так же:
Тепловой эффект от вихревых токов

Pпот1 = I1 2 ∙R = 100 2 ∙10 = 100000 Вт = 100 кВт.

Pпот2 = I2 2 ∙R = 10 2 ∙10 = 1000 Вт = 1 кВт.

Теперь, как мы видим, с ростом напряжения в 10 раз потери электроэнергии снижаются в 100 раз! При более низком напряжении доля потерь в проводах составляет 10 % от мощности, выдаваемой генератором. А при более высоком напряжении эта доля составляет всего 0,1 %. Поэтому очень важным параметров сравнения родов тока является возможность повышать напряжение, а затем его снижать в конечных пунктах.

Можно было бы и не повышать напряжение, а для снижения потерь применять более толстые провода, но такой подход экономически не оправдан, поскольку медные провода стоят денег.

Также можно было бы и не повышать напряжение генератора, а создать такой генератор, который сразу бы выдавал высокое напряжения. Но здесь возникают сложности при изготовлении таких генераторов. Сложности связаны в основном с изоляцией высоковольтных элементов генератора. Короче говоря, изготовить трансформатор на высокое напряжение гораздо проще и дешевле, нежели генератор.

Плотность электрического тока

Электрическому току присущ ряд физических характеристик, имеющих количественные значения, выражаемые в определенных единицах. Основными физическими характеристиками электротока являются его сила и мощность. Сила тока количественно выражается в амперах, а мощность тока – в ваттах. Не менее важной физической величиной считается векторная характеристика электрического тока, или плотность тока. В частности, понятием плотности тока пользуются при проектировании линий электропередач.

  • J – плотность электрического тока А / ММ 2
  • S – площадь поперечного сечения
  • I – ток

Источник ЭДС и источник тока

При анализе электрических цепей, часто используют понятие идеального элемента, то есть такого элемента, в котором сосредоточен только один параметр, в отличие от реального элемента, в котором кроме одного основного параметра имеют место быть паразитные параметры. Например, резистор можно представить в виде идеального сопротивления, однако в реальном резисторе присутствует как емкость (например, между выводами), так и индуктивность (в проволочном резисторе, где используется намотанная на керамический каркас проволока). То есть идеальные элементы используются для упрощения анализа электрической цепи.

Читайте так же:
Тепловое действие электрического тока это определение

Источники энергии в электрических цепях при анализе схем также упрощают, кроме того их делят на два типа: источники ЭДС и источники тока. Рассмотрим каждый из них в отдельности.

Идеальный источник ЭДС характеризуется тем, что напряжение на его выводах не зависит от протекающего через него тока, то есть внутри такого источника ЭДС отсутствуют пассивные элементы (сопротивление R, индуктивность L, емкость С), и поэтому падение напряжения на пассивных элементах отсутствует.

Таким образом, напряжение на его выводах равно ЭДС, а ток теоретически не имеет ограничения, то есть если замкнуть его выходные зажимы, то электрический ток должен быть бесконечно большим. Поэтому идеальный источник ЭДС можно рассматривать, как источник бесконечной мощности. Однако в реальности ток имеет конечное значение, так как падение напряжения на внутреннем сопротивлении при коротком замыкании выводов уравновешивает ЭДС источника. Таким образом, реальный источник ЭДС можно изобразить в виде идеального источника ЭДС с последовательно подключённым пассивным элементом, который ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю цепь.


Источники ЭДС: идеальный (слева) и реальный (справа).

Идеальный источник тока характеризуется тем, что ток протекающий через него не зависит от напряжения, которое присутствует на его выводах, то есть сопротивление внутри источника тока бесконечно велико и поэтому параметры внешних элементов электрической цепи не влияют на ток протекающий через источник.

Таким образом, при бесконечном увеличении сопротивления также увеличивается напряжение на выводах идеального источника тока, поэтому и мощность растёт до бесконечности, то есть получается источник бесконечной мощности. Так как в реальности мощность всё же конечна, то реальный источник тока изображается, как идеальный источник тока с параллельно подключенным пассивным компонентом, характеризующим внутренние параметры источника тока, и ограничивает мощность, отдаваемую во внешнюю цепь.


Источники тока: идеальный (слева) и реальный (справа).

ПРОВОДНИКИ, ИЗОЛЯТОРЫ, ДИЭЛЕКТРИКИ

Электрический ток проходит через металлы. Ток также проходит через растворы кислот или щелочей и через уголь. Все эти вещества называются проводниками. Их атомы содержат много электронов, которые слабо связаны с ядром. Однако существуют другие тела, в которых электроны настолько сильно связаны с ядром, что они не могут покинуть атом. В этих телах, называемых изоляторами или диэлектриками, не может образоваться электрический ток. Лучшими изоляторами, применяемыми в радио, являются кварц, эбонит, янтарь, бакелит, стекло, различные керамики, парафин. Между изоляторами и проводниками находятся полупроводники, например германий или кремний, из которых изготавливают транзисторы. Но о них мы лучше пока не будет говорить, чтобы не спуталось все в голове.

Читайте так же:
Сопротивление переменного теплоты за силы тока

Почему серебро лучший проводник чем медь? Потому что в одинаковых условиях через серебряный провод будет проходить ток большей силы, чем через провод такого же размера, но из меди. Самым лучшим диэлектриком является воздух. А самым лучшим проводником серебро. Красная медь тоже хорошо проводит ток и так как она стоит дешевле серебра, то используется чаще. А еще есть такое понятие как сверхпроводимость, но об этом подробно поговорим в следующий раз.

Законы Кирхгофа

Электрика любого помещения выполняется в виде замкнутых, рабочих электрических цепей. Два главных закона, которые определяют процессы в электрических сетях, являются законы Кирхгофа. Их два. Оба из них применяются и для постоянных и для переменных токов.

Первый закон Кирхгофа утверждает:

Суммарная величина токов направленная к узлу электрической сети равна суммарной величине токов направленных от узла.

В практике на основе первого закона Кирхгофа основана работа Устройств защитного отключения (УЗО). Работа УЗО заключается в отключении электропитания сети при возникновении токов утечки. При нормальном режиме работы суммарное значение тока, втекающая в электрическую сеть равна значению тока утекающему из нее. Если равенство токов нарушается, значит, в сети есть утечка. УЗО сконструировано и подключено таким образом, что при утечке тока УЗО его обнаруживает и размыкает питание электросети.

Второй закон Кирхгофа гласит:

Любой замкнутый контур переменной электрической сети имеет равные значения комплексных напряжений и ЭДС (электродвижущих сил) на всех пассивных элементах сети.

Примечание: Комплексное напряжение это значение напряжение в сети переменного тока.

Практическое применение можно пояснить на любой квартирной группе электропитания. Для пояснения рассмотрим квартиру.

Сколько бы групп электропитания в квартире не было, на любой розетке или светильнике напряжение в сети (при рабочем режиме) будет 220 вольт.

Читайте так же:
Напишите формулу количества теплоты выделяемой в проводнике с током

Еще один основной закон электрики нужно вспомнить.

Преобразование электрической энергии в тепловую

При прохождении электрического тока происходит неизбежное столкновение движущих заряженных частиц с ионами и молекулами вещества. При этом часть кинетической энергии передаётся последним, вследствие чего происходит нагрев проводника. Простыми словами, происходит преобразование электрической энергии в тепловую.

Закон Джоуля — Ленца

Мощность характеризует скорость преобразования электрической энергии в тепловую: P = U*I, учитывая, что U = r*I, получим формулу:

Формула количества электрической энергии W, преобразованной в тепловую за единицу времени t:

W — Pt = rI 2 t

В системе СИ единицей количества тепла, так же, как и единицей энергии, является джоуль. Следовательно, выделенное током I в сопротивлении r тепло определяется формулой.

Q = rI 2 t

Данная зависимость называется законом Джоуля-Ленца: количество тепла, выделяемое постоянным током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Количество тепловой энергии часто измеряют внесистемной единицей — калорией, 1 кал = 4,187 Дж или 1 Дж = 0,24 кал. Следовательно, количество тепла, выраженное в калориях, выражается по формуле:

Преобразование электрической энергии в тепловую применяется в нагревательных приборах.

Допустимая нагрузка проводов.

Приращение температуры провода при нагреве зависит от: массы, материала провода и количества выделившегося в нём тепла.

Скорость отдачи тепла пропорциональна разности температур провода и окружающей среды. С начала нагрева током, всё тепло идёт на провод, так как температура среды равна температуре провода, следовательно тепло в окружающую среду почти не отдаётся.

Температура провода быстро растёт, увеличивая тем самым разность температур между проводом и средой. Следовательно, увеличивается отдача тепла проводом в окружающую среду, и рост температуры провода замедляется. Наконец при некоторой температуре устанавливается тепловое равновесие. Температура провода достигает установившегося значения.

Время нагревания проводаэто временной промежуток, на протяжении которого провод нагреется до определенной температуры, отличающейся от установившейся температуры не более чем на 1%.

В среднем, нагрев провода может допускаться до температуры в пределах 65-80 °С. У изолированных проводов допустимый нагрев обуславливается характеристиками изоляции. Ток, при котором провод достигает предельно допустимой температуры tдоп, называется наибольшим допустимым или номинальным током провода I = Iн.

В том случае, если ток превышает границы номинального значения, то подобная перегрузка может быть допустима только на короткий промежуток времени. Чем больше ток в проводе по сравнению с номинальным, тем кратковременной может быть перегрузка.

Читайте так же:
Чем больше сила тока тем больше выделяется теплоты

Защита от перегрузки.

Короткое замыканиеэто соединение проводов, участков электрической цепи или выводов с разными потенциалами. Ток короткого замыкания может достигнуть значений гораздо больших, чем допустимый ток, что приводит к тепловому или механическому разрушению определенных участков установки.

Рис. 1 — Предохранители

Плавкие предохранители, реле или автоматы способны предотвратить перегрузку в электрической цепи. В качестве основы плавкого предохранителя выступает специальная вставка из проволоки, выполненной из легкоплавкого материала, которая при токе перегрузки перегорает, разрывая тем самым электрическую цепь. Сечение проволоки выбирается с таким расчетом, чтобы она выдерживала номинальный ток установки и плавилась при появлении токов перегрузки.

Рис.2 Перегоревший предохранитель

В современных силовых цепях плавкие предохранители часто заменены автоматическими устройствами (автоматами), пригодные к многоразовому использованию.

Появление электроэнергии в России

Будет интересно выяснить, в каком году появилось электричество в России. Освещение впервые появилось в 1879 году в Санкт-Петербурге. Тогда фонари установили на Литейном мосту. Затем в 1883 году начала работу первая электростанция у Полицейского (Народного) моста.

В Москве освещение впервые появилось 1881 году. Первая городская электростанция заработала в Москве в 1888 году.

Днем основания энергетических систем России считается 4 июля 1886 года, когда Александр III подписал устав «Общества электрического освещения 1886 года». Оно было основано Карлом Фридрихом Сименсом, который являлся братом организатора всемирно известного концерна Siemens.

Невозможно точно сказать, когда появилось электричество в мире. Слишком много разбросанных во времени событий, которые являются одинаково важными. Поэтому вариантов ответа может быть много, и все они будут правильными.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector