Измерители мощности и энергии тока

Для измерения мощности в цепях постоянного тока можно пользоваться косвенным методом двух приборов: амперметра, включенного последовательно нагрузке, и вольтметра, включенного параллельно ей. Для определения мощности необходимо перемножить показания амперметра и вольтметра.

Значительно чаще мощность в сетях переменного тока измеряют непосредственно с помощью ваттметра. Этот прибор имеет две катушки, одна из которых (токовая) включается последовательно нагрузке, другая (катушка напряжения) — параллельно.

Рис.1. Схемы включения ваттметров для измерения мощности трехфазного тока: а - при равномерной нагрузке; б - при соединении приемников энергии треугольником и равномерной нагрузке фаз; в - при неравномерной нагрузке фаз.

Для измерения мощности в сетях однофазного переменного тока применяют одноэлементные приборы ферродинамической системы типа Д307 и переносные типа Д568. Прибор имеет две катушки. Катушка напряжения, имеющая большое число витков, расположена внутри неподвижной катушки тока и укреплена на оси. На оси закреплена и указательная стрелка прибора. Взаимодействие токов последовательной и параллельной катушек создает вращающий момент, поворачивающий ось со стрелкой. Отклонения стрелки пропорциональны активной мощности приемника. Изменение направления тока (т. е. фазы) на 180° в одной из обмоток ваттметра вызывает отклонение стрелки в противоположную сторону. Поэтому зажимы катушек (токовой и напряжения), которые соединены вместе и присоединены к источнику, называют генераторами и обозначают звездочкой.

Трехфазный ток. Соединение звездой и треугольником

До сих пор мы изучали переменный ток, который создавался одной э. д. с. Такой ток называется однофазным переменным током. Система из трех однофазных токов, создаваемых тремя э. д. с. одной частоты, но сдвинутых один относительно другого на одну треть периода (120°), называется трехфазным током.

Трехфазный ток вырабатывают трехфазные генераторы. На рис. 1 схематически показан трехфазный генератор, на неподвижной части которого, называемой статором, расположены три отдельные обмотки.

Подвижная часть генератора, называемая ротором, представляет собой электромагнит. При вращении ротора в катушках обмотки статора индуктируется э. д. с.

Параллельное соединение активного сопротивления, индуктивности и емкости. Что такое резонанс токов?

Мы знаем, что напряжение на конденсаторе отстает на 90° от тока, а напряжение на катушке индуктивности на 90° опережает ток. При параллельном соединении емкости и индуктивности (рис. 1), когда на конденсаторе и на катушке индуктивности напряжение одно и то же, токи в катушке и в конденсаторе в любой момент времени имеют противоположное направление, следовательно, угол между ними равен 180°.

Если емкость конденсатора подобрана так, что 1 / wC = wL, то произойдет следующее явление: энергия, запасаемая за одну четверть периода в конденсаторе, в следующую четверть периода будет превращаться в энергию магнитного поля катушки. Затем энергия магнитного поля вновь будет превращаться в энергию заряда конденсатора и т. д. При этом энергия источника будет расходоваться только в активном сопротивлении. Напряжение источника тока будет совпадать по фазе с током; cos ф = 1. Это явление называется резонансом токов.

Рис. 1

При резонансе токов величина тока в каждой ветви может достигать больших значений, в то время как ток в общей части цепи (до разветвления), поступающий от источника тока, будет незначителен. Ток в общей части цепи зависит только от энергии, расходуемой в активном сопротивлении. Токи в каждой ветви зависят от величины запасаемой энергии в электрическом поле конденсатора и в магнитном поле катушки. При малом активном сопротивлении они почти равны друг другу, поэтому токи в ветвях могут достигать величины, значительно превосходящей значения тока в общей (неразветвленной) части цепи.

Химическое действие тока. Что такое электролиз?

Растворы солей, кислот и щелочей являются проводниками. Электрический ток в них — движение ионов, имеющихся в этих растворах в больших количествах.

В отличие от металлических проводников (прохождение тока в которых не производит химического действия) растворы солей, кислот и щелочей разлагаются при прохождении в них электрического тока.

Процесс разложения называется электролизом, а растворы, разлагающиеся под действием электрического тока, — электролитами.

Если опустить два угольных стержня в сосуд, наполненный слегка подкисленной водой (в воду добавить немного кислоты), и присоединить эти стержни к полюсам источника э. д. с., то мы увидим, что около обоих стержней электродов начинают появляться пузырьки газа, которые поднимаются на поверхность воды. Собрав эти газы, можно установить, что на электроде, присоединенном к отрицательному полюсу источника э. д. с. (катоде), выделяются пузырьки водорода, а на электроде, присоединенном к положительному полюсу (аноде), — пузырьки кислорода.

Электробезопасность на судне. Какой ток смертельно опасен для человека?

Электрический ток, протекая через человеческое тело, может нанести внешние и внутренние поражения. Внешними поражениями называются электротравмы, а внутренними — электроудары. Последние чрезвычайно опасны, так как они поражают организм человека в целом, воздействуя на сердце, легкие и нервную систему.

Анализ действия электрического тока на человеческий организм подтвердил, что степень поражения обусловливается главным образом величиной тока, проходящего через тело.

Величина электрического тока зависит от сопротивления тела (пути прохождения тока), от приложенного напряжения, рода тока и частоты, а также от продолжительности воздействия и индивидуальных свойств организма.

Для человеческого организма наиболее опасен переменный ток частотой 50 гц. При увеличении частоты переменного тока опасность поражения электрическим током снижается, а опасность ожога током повышается.

Человек, попавший под действие переменного тока частотой 50 гц и величиной 1 мА, испытывает неприятные ощущения; ток же равный 10 мА смертельно опасен.

Сопротивление человеческого тела действию электрического тока зависит от величины сопротивления поверхностного слоя кожи, а также от сопротивления внутренних тканей тела, обусловленного физическим и моральным состоянием человека. Особенно резко снижается сопротивление человеческого тела с увеличением подведенного напряжения. При напряжении 230— 300 В удельное сопротивление снижается до 800—1000 Ом/см². Нормальное удельное сопротивление человеческого тела с чистым и сухим верхним слоем кожи колеблется в пределах 40 000 - 100 000 Ом/см².

Расчет судовых электрических сетей. Определение расчетного тока

В процессе проектирования судовых сетей уделяется внимание рациональному выбору сечения кабеля с учетом его фактической нагрузки.

Максимальная температура нагрева соответствующего сечения кабеля будет определяться значением тока его фактической загрузки. В расчетах кабельной сети можно определять допустимый ток нагрузки кабеля с учетом заданной температуры нагревания или допустимую температуру нагрева жил кабеля при фактическом токе нагрузки.

Обычно для расчетов судовых сетей используют таблицы с величинами токов нагрузки для разных сечений одножильных, двухжильных и трехжильных кабелей и проводов при их одиночной прокладке с расчетом на то, что нагрев кабелей не превышает допустимой температуры нагрева токопроводящей жилы + 65° С при температуре окружающего воздуха 40° С.

Обслуживание судовых электрических сетей

Нарушение правил технической эксплуатации, техники безопасности при обслуживании электрооборудования судовых сетей может привести к поражению обслуживающего персонала электрическим током и пожару на судне.

В процессе эксплуатации судовых электрических сетей необходимо периодически проверять состояние кабельной сети, особенно в местах, где они подвергаются воздействиям влаги, температуры и механическим усилиям. Основным показателем состояния кабельной сети является сопротивление изоляции. Обслуживающему персоналу необходимо систематически контролировать состояние изоляции судовой сети по установленным на главном распределительном щите омметрам и периодически проверять переносными мегомметрами сопротивление изоляции отдельных участков судовой сети, все результаты замеров вносить в вахтенный журнал.

При обнаружении участка электрической сети с пониженным сопротивлением изоляции необходимо этот участок отключить, установить причину и устранить.
Допустимые величины сопротивления изоляции участков судовой сети приведены ранее.
Периодически проверять плотность контактных соединений элементов электрооборудования в местах подвода кабелей, а также состояние уплотнения кабельных трасс в кабельных коробках и отдельных кабелей в групповых и индивидуальных сальниках.

Нагрев проводников. Что такое плотность тока?

Проводник, нагреваемый проходящим по нему током, отдает часть получаемой теплоты окружающему пространству — нагревает воздух и близлежащие тела. По мере повышения температуры проводника будет увеличиваться доля теплоты, рассеиваемая в окружающем пространстве. Наконец, температура проводника перестанет повышаться, вся теплота, выделяемая в проводнике током, будет рассеиваться в окружающем проводник пространстве.
Эта температура в значительной мере будет определяться так называемой плотностью тока в проводнике.

Плотность тока — это отношение величины тока в проводнике к площади поперечного сечения проводника. Плотность тока обозначается греческой буквой δ (дельта) и определяется формулой

δ = I/s 

в которой I — ток в проводнике;
s — поперечное сечение проводника.

Плотность тока выражается в амперах на квадратный милли-метр (а/мм²).

Чем больше плотность тока, тем выше температура, до которой нагревается проводник (при прочих равных условиях). Допустимая температура нагрева проводника определяется, с одной стороны, свойствами проводника (температурой плавления), с другой, — свойствами изоляции (изоляция не должна размягчаться, обугливаться и загораться). Так, например, допустимая температура нагрева проводов с резиновой изоляцией составляет 55° С.

Соответствующая допустимой температуре плотность тока зависит от материала проводника, его конструкции (голые или изолированные провода), условий охлаждения проводника (находится ли он внутри агрегата, подвешен ли в воздухе, проложен ли под землей).
На практике необходимое сечение провода определяют при помощи таблиц, составленных на основании опытных данных. Выбранное по таблице сечение проводов следует проверить на падение напряжения в них.

Закон Ленца и Джоуля. Формула количества теплоты

Опытами русского ученого Ленца и английского ученого Джоуля было установлено, что количество теплоты, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, выражается формулой:

Q = I²rt,

где Q — количество тепла в дж;
I — ток в а;
r — сопротивление проводника в ом;
t — время в сек.

Соотношение, выраженное этой формулой, называется законом Ленца и Джоуля. По этой формуле количество тепла, выделяемого постоянным током в однородном проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого ток проходит по проводнику.

Тепло, выделяемое в проводниках, называется теплом Ленца.

Согласно закону сохранения энергии, честь открытия которого принадлежит М. В. Ломоносову, энергия не исчезает и не появляется вновь, она лишь переходит из одних форм в другие.

Все виды энергии могут преобразовываться один в другой. Так, в рассмотренном случае электрическая энергия превращается в тепловую.

Тепловое действие тока широко применяется в технике. На нем основана работа плавких предохранителей, электрических ламп накаливания и различных электронагревательных приборов.

Работа и мощность тока. Работа, совершаемая при передвижении заряда в электрическом поле

Работа, совершаемая при передвижении заряда в электрическом поле, определяется по формуле:

A =Q*U,

где Q — заряд;
U — разность потенциалов между точками начала и конца пути заряда.
Величина заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за время t, равна:

Q = I*t,

где I — ток в проводнике. Следовательно, работа тока:

А = U*I*t.

При совершении этой работы электрическая энергия превращается в механическую в электрических двигателях, в тепловую — в электронагревательных устройствах, в световую — в электрических лампах и т. д.

Основной характеристикой многих электрических машин и аппаратов является их мощность Р, которую эти машины или аппараты могут развивать, т. е. работа, которую они могут совершить, в единицу времени,

P=A/t

За единицу мощности принят ватт (обозначение вт). Ватт = 1 вольт X 1 ампер. Иными словами, один ватт — это мощность, потребляемая проводником, по которому проходит ток в 1 а при напряжении между его концами в 1 в.

Для измерения больших мощностей приняты большие единицы мощности: 1 гектоватт (гвт) = 100 вт, 1 киловатт (кет) — 1000 вт.

Обычно в технической документации мощность выражают в киловаттах. Для измерения работы и энергии пользуются единицами: 1 ватт-секунда (вт-сек) = 1 вольт х 1 ампер х 1 сек = 1 джоуль.

Многоконтурные линейные электрические цепи. Законы Кирхгофа

Расчет многоконтурной линейной электрической цепи, имеющей т ветвей с активными и пассивными элементами и n узлов, сводится к определению токов отдельных ветвей и напряжений на зажимах элементов, входящих в данную цепь. Такую задачу решают обычно методом непосредственного применения законов Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа

ΣI = 0

Рис. 1. Схема многоконтурной электрической цепи.

Первый закон Кирхгофа устанавливает, что алгебраическая сумма токов ветвей, объединенных в один узел, равна нулю.

Этот закон применяют к независимым узлам, т. е. таким, которые отличаются друг от друга хотя бы одной новой ветвью, что позволяет получить (n — 1) уравнений с m неизвестными токами. До записи этих уравнений на схеме наносят произвольные положительные направления токов в отдельных ветвях, а затем в уравнения записывают токи, направленные к узлу, со знаком минус, а токи, направленные от узла,— со знаком плюс.

Условие возникновения электрического тока. Что такое электрическое поле?

Ток в проводнике, т. е. направленное движение зарядов, вызывается действием сил электрического поля. Электрическое поле — это особый физический процесс, происходящий в определенной области пространства и характеризующийся, в частности, возникновением механических сил, действующих на заряды, помещенные в пространстве, охватываемом полем.

Прежде чем рассматривать поле, вызывающее электрический ток, познакомимся с полем, создаваемым неподвижными зарядами.

Мы знаем, что между любыми зарядами существуют силы притяжения и силы отталкивания.
Это объясняется тем, что около любого заряда существует электрическое поле.

Представим себе, что в поле, созданное неподвижными зарядами, внесен пробный заряд q0 (рис. 1), т. е. заряд, который настолько мал, что практически не изменяет ранее существовавшее поле.

Обследуя при помощи таких зарядов поле, мы убедимся, что сила, действующая на пробный заряд в электрическом поле, пропорциональна величине пробного заряда.
Однако при одной и той же величине пробного заряда сила, действующая на него в разных точках одного и того же поля, имеет разную величину. Следовательно, сила поля зависит от интенсивности поля в той точке, где расположен пробный заряд.

Что такое электрический ток?

Все атомы, ионы и свободные электроны постоянно находятся в беспорядочном (тепловом) движении. В отличие от этого движения направленное упорядоченное перемещение электрических зарядов в определенном направлении называется электрическим током.

Под направленным упорядоченным движением следует понимать такое движение, при котором через любое сечение проводника в одном направлении проходят определенное количество электрических зарядов.

Установлено, что:

1. ток в металлических проводниках—движение свободных электронов от отрицательного полюса к положительному;
2. ток в электролитах — движение положительных и отрицательных ионов; 
3. ток в газе — движение свободных электронов и положительных и отрицательных ионов;
4. ток в сильно разреженном пространстве (пустота) — почти исключительно движение свободных электронов.

Величиной тока (или просто током) называется количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Единица тока в практической системе единиц — ампер. Один ампер — это величина такого тока, при котором через поперечное сечение проводника в каждую секунду протекает один кулон электричества.

Ток обозначается буквой I или і. Обозначив количество электричества в кулонах буквой Q, а время в секундах t, получим формулу для определения тока в амперах: I=Q/t. Отсюда получим Q=I*t.

За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.

Следовательно, если ток создается перемещением электронов, то его направление противоположно направлению движения электронов.