Измерения
Как показано выше, некоторые исходные данные можно получить в ходе практических измерений. Ниже отмечены особенности типовых специализированных приборов.
Прямые замеры
Ваттметры выпускают в разных модификациях для сетей ~220V и ~380V. Соответствующие коррекции делают в процессе выполнения рабочих операций. Следует подключать щупы с учетом инструкций производителя и соответствующего расположения проводников. Как правило, в конструкциях приборов применяют две катушки с параллельным и последовательным подсоединением к нагрузке. Для повышенной точности пользуются профессиональными приборами «лабораторной» категории.
Косвенные замеры
Эти операции выполняют с применением мультиметров. Измеряют сопротивление, ток и напряжение, после чего вычисляют мощность.
Фазометры
С помощью этих приборов измеряют фазовый сдвиг между несколькими электрическими параметрами. Таким аппаратом можно определить cos ϕ, если паспортное значение отсутствует в сопроводительных документах к оборудованию.
Регулирование cos
Отмеченное выше негативное влияние реактивных составляющих компенсируют специальными дополнениями в общую электрическую схему. Расчеты выполняют с применением представленных формул.
Формула вычисления
Рассматриваемая величина находится в обратной зависимости от размеров сечения (чем больше площадь, тем меньше плотность тока) и временного периода прохождения электрозаряда и в прямой – от величины этого заряда.
Это можно записать так:
j=Δq/ΔtΔS (q тут – элементарно малый заряд, t – бесконечно малый промежуток времени, а S – площадь сечения).
Так как токовая сила выражается как частное заряда и временного промежутка его прохода, формулу можно записать и так:
j= I/ΔS.
Формула плотности тока с опорой на параметры перемещающихся зарядов будет выглядеть так:
j=q*n*V (V тут – скорость, а n – концентрация электронных частиц).
Измерение плотности энергии магнитных полей
Данная величина показывает энергию, содержащуюся в единице объема окружающей среды, подпадающей под влияние поля. Обозначается она греческой буквой ω. Для вычисления применяется формула:
ω=W/V, в данном случае W – это полевая энергия в объеме пространства V.
Единица измерения плотности поля в международной системе СИ тоже выглядит как частное единиц, в которых измеряются эти величины: джоулей и кубических метров (Дж/м3). Показатель для аккумуляторов (ионных, свинцово-кислотных и других) указывают в прилагающейся документации.
Для соленоида, подсоединенного в электрическую цепь, оба составляющих этого частного можно выразить через следующие единицы:
- Значение энергетического ресурса поля будет равным уполовиненному произведению индуктивности соленоида на квадрат токовой силы в его обмотке:
W=L*I2/2.
- В качестве «пространства» рассматривается сама катушка, тогда V=S*l, где S – площадь сечения катушечного элемента в поперечнике, а l – его длина.
Тогда конечная формула принимает следующий облик:
ω=L*I2/2*S*l.
Наличие магнитного поля вокруг проводника или катушки с током
При подключении соленоида (катушки) в электрическую цепь вокруг нее формируется поле. Характеристики поля зависят от ряда параметров: от средовых особенностей окружения, токовой силы (она измеряется в амперах) и материала, из которого изготовлен проводник или обмотка катушки. В полевом пространстве могут образовываться электромагнитные волны. Так как на полевой энергетический потенциал, прежде всего, оказывает влияние сила текущего в системе электротока, можно сделать вывод, что работа тока по генерированию магнитного пространства будет эквивалентной энергии последнего. Если в систему подключена катушка с магнитным сердечником, то на энергетическую плотность будет влиять полевая энергия в вакууме и в материале, из которого сделан сердечниковый элемент.
Подключение индуктивной катушки к источнику тока
Для изучения динамики явления можно рассмотреть электроцепь, включающую в себя дроссель, лампу, замыкающий ключ и источник постоянного электротока. Когда ключик замыкается, токовый путь будет идти от «положительного» зажима источника через лампу и индуктивную катушку. Поначалу лампа накаливания загорится ярче, что связано со значительной величиной сопротивления дроссели. По мере того, как сопротивление будет падать, а проходящий через обмотку ток увеличиваться, интенсивность горения лампочки будет понижаться. Связано это с тем, что первое время подаваемый на дроссель ток имеет значение, пропорциональное току высокой частоты.
Чтобы практически построить цепь, подходящую для расчета, нужно, чтобы энергетический ресурс источника питания затрачивался на генерирование магнитного поля. Поэтому параметрами внутреннего сопротивления дроссели и питательного источника допустимо пренебрегать.
Важно! Согласно второму закону Кирхгофа, сумма подсоединенных к электрической цепи напряжений равняется сумме снижений напряжения для всех компонентов цепочки. Второй закон Кирхгофа
Второй закон Кирхгофа
Виды электротока, условия протекания
Частицы, несущие заряд, могут перемещаться в толще проводника беспорядочно или целенаправленно двигаться в определенном направлении. Во втором случае говорят о наличии электрического тока. Основная его характеристика – наличие вектора перемещения. Вектор токового движения идентичен направлению заряженных частиц.
Хаотичное и направленное перемещение заряженных частиц
Важно! Токовый ход может быть постоянным и переменным. В первом случае поток частиц перемещается четко в одном направлении по прямой, без колебаний и возмущений
Во втором – имеют место синусоидальные колебания с определенной частотой. Для трансформации (выпрямления) переменного электротока применяют специальные устройства. Вообще для существования константного тока требуется, чтобы с одного конца проводникового элемента все время имел место избыток отрицательно заряженных частиц, а со второго – дефицит. Также требуется сила, которая будет эти заряды перемещать.
Переменный ток, в противоположность постоянному, не требует соблюдения полярности. В отличие от постоянного, он имеет частоту – так называется количество смен направления перемещения частиц за единицу времени. В стандартной бытовой сети число таких смен равно 50 в секунду. Различные приборы, питающиеся от аккумуляторных элементов и батарей, а также бытовая техника, ноутбуки, стационарные компьютеры потребляют постоянный электроток. Сама батарея является генератором постоянного токового хода, но его можно инвертировать в переменный с помощью специальных устройств.
Ток, вызываемый электрополем, принято называть током проводимости. Элементарные частицы, переносящие заряд, отличаются у разных типов проводниковых материалов. В случае металлических элементов это свободные электроны, у части полупроводниковых материалов – целенаправленно движущиеся ионы. В электролитах (в том числе применяемых в аккумуляторных батареях) ионы с плюсовым и минусовым зарядами движутся в разные стороны. Последнее характерно для всех проводников, представляющих собой жидкости.
В конвекционном электротоке электроны перемещаются под действием инерции. Еще одна разновидность тока – протекающий в вакуумных условиях (такое явление применяется в электронных лампочках). Основными характеристиками электротока являются сила и плотность тока.
Направленное перемещение электронов в проводнике
1.3.27
Увеличение количества линий или цепей сверх
необходимого по условиям надежности электроснабжения в целях удовлетворения
экономической плотности тока производится на основе технико-экономического
расчета. При этом во избежание увеличения количество линий или цепей
допускается двукратное превышение нормированных значений, приведенных в табл.
1.3.36.
Таблица 1.3.36. Экономическая плотность тока
В технико-экономических расчетах следует учитывать все вложения в дополнительную линию, включая оборудование и камеры распределительных устройств на обоих концах линий. Следует также проверять целесообразность повышения напряжения линии.
Данными указаниями следует руководствоваться также при
замене существующих проводов проводами большего сечения или при прокладке
дополнительных линий для обеспечения экономической плотности тока при росте
нагрузки. В этих случаях должна учитываться также полная стоимость всех работ
по демонтажу и монтажу оборудования линии, включая стоимость аппаратов и
материалов.
Объемная плотность магнитной энергии
Формула нахождения объемной плотности энергии имеет такой вид:
ω=W/V.
Под ω здесь подразумевается собственно искомая плотность, под W – энергия имеющегося поля, под V – объем пространства, в котором поле проявляет активность. Если выразить значение W через магнитную проницаемость µ и индукцию В и подставить в формулу, она приобретет следующий вид:
ω=В2/2* µ0* µ (здесь µ0 – это магнитная постоянная).
Преобразование с использованием вектора индукции применяется, чтобы исключить привязку активного магнитного поля к особенностям дросселя. Формула для вычисления индукционной характеристики выглядит так:
B= µ0* µ*I*n.
I здесь – токовая сила в катушечной цепочке, через n выражается такая величина, как плотность обмотки. Она равна частному количества витков в соленоидной обмотке и длины фрагмента, на котором размещены витки. Тогда формула для W
W= В2*V/2* µ0* µ.
Подставив выражение в основную формулу плотности, можно привести его к ранее обозначенному виду.
Плотность тока насыщения
В физической электронике используют понятие плотности тока насыщения. Эта величина характеризует эмиссионную способность металла, из которого сделан катод, и зависит от его вида и температуры.
Плотность тока насыщения выражается формулой, которая была выведена на основе квантовой статистики Ричардсоном и Дешманом:
j – плотность тока насыщения[А/м2]
R — среднее значение коэффициента отражения электронов от потенциального барьера
A — термоэлектрическая постоянная со значением 120,4 А/(K2·см2)
T— температура
qφ — значение работы выхода из катода электронов , q – электронный заряд
k — постоянная Больцмана, которая равна 1,38·10-23 Дж/К
Скорее всего, Вам будет интересно:
- Закон Кулона: формулировка, определение, формула
- Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ), формулы МКТ
- Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона с выводом
- Свойства вписанной в треугольник окружности
- Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ) с выводом
- WN6 рейтинг – что это
- Свойства прямоугольной трапеции
- Как найти область определения функции онлайн
- Средняя линия трапеции: чему равна, свойства, доказательство теоремы
- Состав служебного программного обеспечения
1.3.28
Проверке по экономической плотности тока не
подлежат:
сети промышленных предприятий и сооружений напряжением до 1
кВ при числе часов использования максимума нагрузки предприятий до 4000-5000;
ответвления к отдельным электроприемникам напряжением до 1
кВ, а также осветительные сети промышленных предприятий, жилых и общественных
зданий;
сборные шины электроустановок и ошиновка в пределах
открытых и закрытых распределительных устройств всех напряжений;
проводники, идущие к резисторам, пусковым реостатам и т.
п.;
сети временных сооружений, а также устройства со сроком
службы 3-5 лет.
Использование плотности тока на практике
Очень часто возникает вопрос о возможности использования конкретного провода для тех или иных целей. То есть, способен ли он выдержать определенную нагрузку
В этих случаях, очень важно определить плотность электротока с допустимой величиной
Данный показатель очень важен, поскольку в каждом проводнике возникает сопротивление току, протекающему через него. Происходят потери тока, из-за чего проводник начинает нагреваться. При слишком больших потерях, наступает критическое нагревание, вызывающее расплавление проводника. Чтобы исключить подобные ситуации, каждому прибору или потребителю устанавливается наиболее оптимальная плотность тока, формула которой позволит рассчитать .
Когда возникает необходимость выбрать нужное сечение провода или кабеля, необходимо учитывать допустимое значение плотности электротока. Для практических расчетов во время проектирования используются специальные таблицы и формулы, позволяющие получить желаемый результат.
Для разных существуют различные значения плотности. В настоящее время используются только медные провода, в которых плотность электротока не должна превышать 6-10 А/мм2. Это особенно актуально для долговременной эксплуатации, когда проводке обеспечивается облегченный режим. Допускается эксплуатация и при повышенных нагрузках, только на очень короткое время.
Электрическим током
называется направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц.
Электрический ток в проводниках различного рода представляет собой либо направленное движение электронов в металлах (проводники первого рода), имеющих отрицательный заряд, либо направленное движение более крупных частиц вещества — ионов, имеющих как положительный, так и отрицательный заряд — в электролитах (проводники второго рода), либо направленное движение электронов и ионов обоих знаков в ионизированных газах (проводники третьего рода).
За направление электрического
тока условно принято направление движения положительно заряженных частиц.
Для существования электрического тока
в веществе необходимо:
- наличие заряженных частиц, способных свободно перемещаться по проводнику под действием сил электрического поля;
- наличие источника тока, создающего и поддерживающего в проводнике в течение длительного времени электрическое поле.
Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.
Сила тока
— скалярная физическая величина, определяемая отношением заряда q, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени t, к этому промежутку времени.
Единицей силы тока в СИ является ампер (А).
Если сила тока и его направление со временем не изменяются, то ток называется постоянным
.
Единица силы тока — основная единица в СИ 1 А — есть сила такого неизменяющегося тока, который, проходя по двум бесконечно длинным параллельным прямолинейным проводникам очень маленького сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает силу взаимодействия между ними 2·10 -7 Н на каждый метр длины проводников.
Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.
Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной l (рис. 1). Заряд каждой частицы q 0 . В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится nSl частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд
Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов , то за промежуток времени
все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:
Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.
Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов при максимально допустимых значениях силы тока ~ 10 -4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения ~ 10 6 м/с.
J — это векторная физическая величина, модуль которой определяется отношением силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника, т.е.
В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м 2).
Как следует из формулы (1),
направление вектора плотности тока совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.
4-вектор плотности тока
Данное обозначение из теории относительности призвано обобщать явление плотности на пространственно-временной континуум, оперирующий четырьмя измерениями. Такой четырехвектор включает в себя трехвекторное выражение токовой плотности (скалярной величины) и имеющей объем плотности электрического заряда. Использование четырехвектора дает возможность формулировать электродинамические уравнения ковариантным образом.
Рассматриваемая величина необходима для описания концентрации и равномерности распределения заряженных микрочастиц по проводниковому материалу, в котором существует та или иная форма электротока. При оперировании с выражениями, содержащими величину, нужно не забывать о ее скалярности.
Закон Ома
Для токопроводящей среды, обладающей изотропными характеристиками, данный закон имеет следующий вид:
j=E* σ,
где j – плотность идущего электротока, Е – полевая напряженность в рассматриваемой точке (скалярная величина, как и предыдущая), а σ – удельная проводимость средового окружения.
Что касается работы электрополя для такой среды (w), то она может быть выражена следующими формулами:
w= E2* σ=j2/σ=p*j2 (p здесь – удельное сопротивление).
Выражение для работы в этом случае примет вид:
w=E* σ *E=j*p*j (E и j в данном случае – скалярные величины).
В матрице справа налево умножают столбчатый вектор на строчной и на матрицу. Тензорные величины р и σ генерируют релевантные им квадратичные формы.
1.3.32
Для линий электропередачи напряжением 6-20 кВ
приведенные в табл. 1.3.36 значения плотности тока допускается применять лишь
тогда, когда они не вызывают отклонения напряжения у приемников электроэнергии
сверх допустимых пределов с учетом применяемых средств регулирования напряжения
и компенсации реактивной мощности.
Электрическое поле воздействует на заряды, в результате, они начинают упорядоченно перемещаться. Такое перемещение получило определение электрического тока. Как правило, заряды двигаются в какой-либо среде, называемой , и являются носителями тока.
Одной из основных характеристик движения зарядов является плотность тока, формула которого описывает электрический заряд, переносимый за 1 секунду через сечение проводника, которое перпендикулярно направлению этого тока.
