.. 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 ..
ГЛАВА 6
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
6.1.
ПРОВОДНИКИ И ИЗОЛЯТОРЫ
Атом любого элемента состоит из ядра и вращающихся вокруг него по определенным орбитам отрицательно заряженных электронов. Ядро атома состоит из нейтронов и положительно заряженных протонов. Суммарный заряд электронов равен заряду ядра с противоположным знаком. При определенных воздействиях происходят отъем одного или нескольких электронов с внешней орбиты одного атома и присоединение их к другому атому. Это явление называется ионизацией. Атом, присоединивший или отдавший один или несколько электронов, теряет свою нейтральность и становится носителем заряда (отрицательным или положительным ионом).
Вещества, в которых имеется значительное количество свободных электронов и ионов, называются проводниками. Хорошими проводниками электрического тока являются все металлы, их сплавы, растворы кислот, щелочей и их солей, влажная почва и пр. Из металлов лучший проводник — серебро, за ним следуют медь, золото, алюминий, цинк, железо и другие металлы.
Вещества, в которых отсутствуют свободные носители зарядов (электроны или ионы), называются изоляторами или диэлектриками. К изоляторам относятся воздух, резина, фарфор, пластмассы, слюда, парафин, масла, ткани, смолы, стекло, дистиллированная вода и большое количество других естественных и искусственных материалов.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЗАКОНЫ
Электрический ток. Беспорядочное движение электрических носителей зарядов можно упорядочить, если подключить проводник к источнику электрической энергии, которая будет поддер-живать в нем электрическое поле. Упорядоченное движение носителей электрических зарядов в проводящей среде под действием электрического поля называется электрическим током. Условно принято считать, что электрический ток течет по проводнику от положительного полюса источника энергии к отрицательному.
Для количественной характеристики электрического тока служит сила тока I, которая определяется величиной электрического заряда, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени:
I= Q/t,
где Q — количество электричества в кулонах (Кл); t — время, с.
Единицей измерения силы тока является ампер (А).
Электродвижущая сила и напряжение. Источниками электрической энергии являются гальванические батареи, аккумуляторы, различные виды генераторов и т.п.
Источники электрической энергии характеризуются величиной электродвижущей силы (ЭДС), вызывающей и поддерживающей в замкнутой цепи электрический ток. ЭДС измеряют при отключении от источника электрической энергии всех без исключения электрических приемников (потребителей Л), т.е. при отсутствии во внешней цепи электрического тока (точки а и 6 на рис. 6.1).
При замыкании цепи в тех же точках можно измерить напряжение.
ЭДС обозначается буквой Е, напряжение — U; измеряются эти величины в вольтах (В) при помощи вольтметра V. Сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А) при помощи амперметра А.
Сопротивление. Направленному движению носителей зарядов в любом проводнике препятствуют его молекулы и атомы. Противодействие проводника прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением проводника, а устройство, обладающее сопротивлением, — резистором. Резистор обозначается буквой R или г, а его сопротивление измеряется в омах (Ом). Сопротивление проводника электрическому току зависит от материала, а также от длины и площади поперечного сечения. Сопротивление проводника определяют по формуле
Рис. 6.1. Простая электрическая цепь:
Е — ЭДС; 1 — сила тока; V — вольтметр; А — амперметр; Л — электрическая лампа
R = Pl/S,
где p (греческая буква «ро») — удельное сопротивление материала, Ом м; l — длина, м; S — поперечное сечение, мм2.
Сопротивление проводника, изготовленного из серебра, почти в два раза меньше сопротивления такого же проводника, изготовленного из чистого алюминия, и в пять раз меньше сопротивления проводника, изготовленного из стали.
Наилучшими изоляционными свойствами обладают гетинакс, лакоткань, фарфор и трансформаторное масло.
Последовательное и параллельное соединение резисторов. При последовательном соединении резисторов (рис. 6.2, а) общее сопротивление цепи увеличивается и равно сумме всех сопротивлений резисторов:
R = R1 + R2 + R3
При параллельном соединении резисторов (рис. 6.2, б) общее сопротивление цепи меньше наименьшего сопротивления из включенных резисторов. Для двух и более параллельно соединенных резисторов общее сопротивление определяется по формуле
1/R =1/ R1 + 1/R2 + 1/R3
Закон Ома. Любая замкнутая электрическая цепь состоит из внутреннего и внешнего участков. Внутренний участок представляет собой сам источник энергии. Внешний участок цепи состоит из одного или нескольких потребителей электрической энергии, соединительных проводов и различных устройств управления, включенных в эту цепь. Замкнутая электрическая цепь характеризуется тремя величинами: силой тока, ЭДС и сопротивлением всей цепи. Эти параметры связаны между собой законом Ома. Закон Ома для полной цепи гласит: сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника электрической энергии и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи
Часто также применяют закон Ома для участка цепи: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка’.
Законы Кирхгофа. Эти законы применяются при расчетах сложных электрических цепей, при этом используются понятия: ветвь, узел, контур.
Ветвь электрической цепи — это участок цепи, через который проходит один и тот же ток и который состоит из последовательно соединенных элементов электрической цепи.
Узел электрической цепи — это место соединения трех и более ветвей.
Контур цепи — это любой замкнутый путь, который можно обойти, перемещаясь по нескольким ее ветвям.
Первый закон Кирхгофа гласит, что в любом узле сумма токов, направленных к узлу, всегда равна сумме токов, уходящих от узла.
Иными словами, алгебраическая сумма токов в любом узле цепи всегда равна нулю:
Второй закон Кирхгофа гласит, что в любом замкнутом электрическом контуре алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме произведений токов на сопротивление соответствующих участков контура:
Для расчета неизвестных токов в сложных электрических цепях вначале произвольно назначают направление токов в ветвях. Затем по первому закону составляют п — 1 уравнений, где п — количество узлов цепи. По второму закону составляют еще т -(п — 1) уравнений, где т — число неизвестных токов.
Для схемы, изображенной на рис. 6.3, по первому закону составляют и — 1 = 2—1 = 1 уравнение, по второму — т — (п — 1) = 3 — (2 — 1) = 2 уравнения:
Подставляя в эти уравнения известные величины, математическими методами определяют неизвестные токи. Если при решении уравнений величина какого-либо тока оказывается отрицательной, это указывает на то, что действительное направление тока противоположно выбранному направлению в начале расчета.
Рис. 6.3. Цепь с двумя источниками электроэнергии и тремя ветвями
Магнитное поле электрического тока. Вокруг проводника, по которому протекает ток, образуется магнитное поле. Направление
магнитных силовых линий вокруг проводника с током определяют по правилу «буравчика», которое формулируется следующим образом: если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то вращательное движение его рукоятки указывает направление магнитных силовых линий поля, образующегося вокруг проводника.
Магнитные поля, создаваемые одним и тем же контуром с током в вакууме и в пространстве, заполненном веществом, имеют разную интенсивность. Магнитное поле в вакууме характеризуется величиной, называемой напряженностью магнитного поля HQ
(А/м). Магнитное поле с такой напряженностью появляется на расстоянии 16 см от проводника, по которому протекает ток в 1 А.
Другой величиной, характеризующей магнитное поле в любой его точке, является магнитная индукция В, измеряемая в теслах (Тл).
Магнитная индукция поля составляет 1 Тл, если это поле воздействует силой в 1 Н (ньютон) на помещенный в него проводник, по которому протекает ток в 1 А.
Отношение магнитной индукции к напряженности магнитного поля называется абсолютной магнитной проницаемостью
Магнитный поток Ф определяют по формуле
ЭДС индукции возникает только при изменении магнитного поля вокруг проводника. Подобное явление наблюдается при изменении тока по величине или по направлению в проводнике.
ЭДС индукции подразделяют на следующие составляющие:
ЭДС индукции, возникающую в проводнике, движущемся в магнитном поле;
ЭДС взаимоиндукции, возникающую при изменении величины или направления тока в одном из рядом расположенных проводников;
ЭДС самоиндукции, возникающую в самом проводнике при изменении в нем тока. В момент размыкания цепи тока самоиндукция поддерживает ток; в момент замыкания — препятствует нарастанию тока.
Проводники, полупроводники и изоляторы — это вещества с различным количеством свободных зарядов.
Проводники отлично проводят электрический ток благодаря большому количеству свободных зарядов в меж атомном пространстве (Рис 16.1) К ним относятся все металлы, так же проводниками могут быть некоторые жидкости и газы.
Полупроводники имеют уже более меньшее количество свободных зарядов чем проводник (рис.16.2) и за счет этого обладают меньшей проводимостью электричества.
В диэлектриках свободные заряды почти отсутствуют (Рис.16.3) и поэтому они не проводят электричество.
Проводимость зависит от свободных зарядов в веществе
Так в чем же «фишка» этих свободных зарядов как они влияют на проводимость?
Разберем это на примере с металлическим проводником. В металлах почти все атомы являются положительными ионами из за слабой связи крайних электронов с ядром атома, они практически не закреплены на его орбите и за счет этого легко покидают его. Свободные заряды (электроны) мечутся от одного атома к другому напоминая беспорядочно движущийся рой пчёл и за счет такого беспорядочного движения свободных зарядов в металлическом проводнике к нему применяют такое вырождение как «Электронный газ».
Если проводник не подключен к источнику питания то в нем будет равное количество электронов и протонов. Это означает что проводник является сам по себе электрически нейтральным хоть в нем и происходит такое бурное беспорядочное движение зарядов в меж атомном пространстве.
Подключив проводник к источнику питания в нем начинается уже упорядочное движение зарядов, а происходит это движение благодаря тому что заряды(электроны) начинают упорядочено перемещаться (тянуться) к противоположенному источнику питания перепрыгивая от одного атома к другому. И отсюда можно сделать вывод, что чем больше в веществе атомов способных легко терять и принимать электроны (отсюда и много свободных зарядов в веществе) тем выше его проводимость ведь чем больше таких атомов будет трудиться помогая перемещать заряды от минуса к плюсу тем больше будет проводимость такого вещества.
Так как полупроводник имеет меньшее количество свободных зарядов следовательно и меньшее количество атомов способных помочи в перемещении зарядов, то он обладает меньшей проводимостью зарядов (электричества).
А вот в диэлектрике атомы способные помочь в перемещении электронов практически отсутствуют так как электроны этого вещества крепко связаны с ядром атома .
Увеличить проводимость вещества можно с помощью примесей при добавлении которых увеличивается количество свободных зарядов (атомов способных передавать заряды друг другу).
Например если добавить в дистиллированную воду (она является диэлектриком и практически не имеет свободных зарядов) соль, то дистиллированная вода изменит свою внутреннею структуры так, что она станет проводником и она соответственно будет иметь много свободных зарядов.
Вывод: Чем больше в веществе свободных зарядов тем больше в этом веществе атомов (положительных ионов) помогающих перемещению зарядов, ну и чем больше таких атомов тем лучше проводимость вещества.
Эксперимент: Увеличение проводимости с помощью примеси.
Контрольные вопросы:
- От чего зависит проводимость вещества? Ответ
От свободных зарядов в веществе.
- С помощью чего можно увеличить или уменьшить проводимость вещества? Ответ
С помощью примесей.
- Что такое диэлектрик? Ответ
Это вещество в котором отсутствуют свободные заряды.
Свойства проводников и полупроводников
Очень многие вещества способны проводить электрический ток. Они могут находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Основными проводниками, применяемыми в электротехнике, являются различные виды металлов или их сплавов. Они отличаются высокими качествами проводимости и удельным электрическим сопротивлением, характерным для каждого материала.
В электротехнике металлы применяются в качестве проводников, конструкционных и контактных материалов, а также для спаивания между собой любых видов проводников. Основным свойством проводников является наличие в них свободных электронов, обеспечивающих прохождение электрического тока.
К категории полупроводников относятся вещества, занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Эти границы достаточно условны, поскольку под влиянием различных факторов, полупроводники могут иметь свойства и проводников и изоляторов. Например, под влиянием низких температур, они становятся диэлектриками, а при повышении температуры, в них начинают появляться свободные носители зарядов. Это связано с тем, что при росте температуры, возрастают и колебания кристаллической решетки, разрывая определенные валентные связи и образуя свободные электроны, проводящие электрический ток.
Проводники и полупроводники: основные отличия
Для того, чтобы правильно использовать те или иные материалы в электронике и электротехнике, необходимо, прежде всего, знать, чем отличаются проводники от полупроводников. В проводниках всегда имеются свободные электроны, от которых зависит движение тока. В полупроводниках образование свободных электронов происходит только при наличии определенных условий. Это дает возможность технологического управления свободными носителями полупроводника.
Одним из основных отличий является более высокая проводимость проводников в сравнении с полупроводниками. Кроме того, если при повышении температуры проводимость полупроводника резко возрастает, то в проводнике, наоборот, происходит уменьшение этого показателя с одновременным ростом электрического сопротивления. Наличие примесей также оказывает неодинаковое действие: в проводниках они снижают проводимость, а в полупроводниках она повышается. Все эти свойства рационально используются в электронных приборах, позволяя добиваться их максимальной эффективности.