Сайт студентов физиков для студентов физиков!
Главная Учебные материалы по физике Электроснабжение строительных площадок

Электроснабжение строительных площадок

ПРЕДИСЛОВИЕ

Электротехника, электротехнология и электроснабжение — области человеческих знаний и практики, которые быстро разви­ваются. Поэтому специалисту необходимо постоянно пополнять свои знания в области электротехнологий и использовать их в своей практической деятельности.

Данное учебное пособие отличается не столь подробным изло­жением теоретического материала, как специальные учебники, но затрагивает множество электротехнических аспектов, которые не­обходимо изложить в едином стиле, при единой терминологии и в едином физическом освещении явлений и принципов действия электроустановок строительных процессов.

Рассмотрение многих вопросов базируется на первичных зна­ниях курса физики, полученных в процессе изучения законов пре­образования энергии, принципов работы электрических цепей по­стоянного тока и трехфазных цепей переменного тока промыш­ленной частоты.

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

1.1. Постоянный электрический ток

Постоянным электрическим током называют направленное упо­рядоченное движение элементарных (материальных) частиц, несу­щих электрические заряды. При этом в металлах (металлических про­водниках), а также в вакууме движутся отрицательно заряженные частицы — электроны, а в жидкостях (растворах солей и кислот) — как отрицательно, так и положительно заряженные материальные частицы — ионы, перемещающиеся в противоположных направле­ниях (навстречу друг другу). В разреженных газах электрический ток может осуществляться движением как электронов, так и ионов.

Постоянный ток — не изменяется во времени, т. е. постоянен по направлению и величине. За направление постоянного тока прини­мают направление движения положительно заряженных частиц. Отсюда следует, что в металлических проводниках, а также в ва­кууме и в газах направление тока принимается противоположным направлению движения электронов.

Простейшие цепи постоянного тока. Простейшая цепь постоян­ного электрического тока состоит из следующих элементов: источника электроэнергии; электроприемника (потребителя энергии); проводов.

Кроме того, в цепь тока обычно включаются измерительные при­боры и те или иные аппараты для включения и отключения тока.

Изображение электрической цепи с помощью условных гра­фических обозначений называют электрической схемой (рис. 1.1).

Всякий источник электро­энергии обладает электродви­жущей силой (ЭДС), под воз­действием которой в нем воз­никает движение элементарных частиц, несущих электрические заряды, и создается разность потенциалов на его полюсах. Электродвижущая сила обозна­чается латинскими буквами Е или е.

Разность электрических потенциалов между полюсами источни­ка тока, под действием которой во внешней цепи протекает элект­рический ток, называется электрическим напряжением, действую­щим в данной цепи. Напряжение обозначается латинской буквой U. Единица измерения ЭДС и напряжения — вольт (В). Приборы для их измерения называют вольтметрами.

Сила электрического тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А). Прибор для измерения силы тока называют амперметром.

Электрический ток может протекать по цепи только, когда она замкнута, т. е. когда обеспечен непрерывный путь для электрических зарядов от «плюса» источника тока до «минуса» (см. рис. 1.1). Поэтому в данном случае для того, чтобы в цепи появился ток, необходимо зам­кнуть выключатель 5. Наличие тока в цепи обнаружится по загоранию электрической лампы 4 и показанию амперметра 3. Значение напряже­ния в цепи определяется по показанию вольтметра 2. Если разомкнуть выключатель 5 и этим разорвать электрическую цепь, ток в ней пре­кратится, лампа погаснет, стрелка амперметра станет на нуль.

Работа и мощность постоянного тока. Мощность постоянного электрического тока определяется произведением напряжения U, действующего в цепи, на ток I, протекающий по цепи. Единица измерения мощности — ватт (Вт).

Мощность обозначается буквой Р и определяется по формуле

P = UI. (1.1)

При измерении напряжения в вольтах, а тока в амперах вели­чина мощности выразится в ваттах.

Работа электрического тока (А), равная количеству затраченной за данное время электрической энергии, определяется по формуле

А = Pt = Ult, (1.2)

где Р — мощность постоянного электрического тока, Вт; t — вре­мя, в течение которого эта мощность отдавалась, с; U — напряже­ние, действующее в цепи, В; I — сила тока, А.

Работа электрического тока, определяемая по формуле (1.2), выражается в джоулях (Дж) или киловатт-часах (кВт ч). Легко под­считать, что 1 кВт ч равен 3600000 Дж.

1.2.  Проводники, полупроводники и диэлектрики

Способность какого-либо вещества проводить электрический ток называется электропроводностью. В отношении электропроводнос­ти все вещества — твердые, жидкие и газообразные — могут быть подразделены на три группы:

Проводники — вещества, обладающие высокой электропровод­ностью. К ним относятся все металлы, уголь, графит, водные ра­створы кислот, щелочей и солей.

Диэлектрики — вещества, обладающие весьма малой электро­проводностью. К ним относятся такие материалы, как стекло, фар­фор, слюда, резина, многие пластмассы (полиэтилен, полихлор­винил, полистирол и др.), минеральные и растительные масла, а также дистиллированная вода и сухой воздух.

Полупроводники — вещества, занимающие промежуточное по­ложение между первой и второй группами. К ним относятся неко­торые химические элементы: селен, германий, кремний, окислы отдельных металлов, например закись меди, а также специальные сплавы. Полупроводники широко применяются в различных обла­стях электротехники, особенно в электронике.

1.3.  Закон Ома

Одним из основных законов электротехники является закон Ома, определяющий зависимость силы тока, протекающего в цепи, от действующего в ней напряжения и сопротивления: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна сопротивлению участка.

Согласно определению закон Ома может быть выражен формулой

(1.3)

где I— сила тока, A; U — напряжение, В; R — сопротивление, Ом.

Зная две величины из трех, входящих в формулу (1.3), можно определить третью.

1.4.  Виды соединений проводников (сопротивлений)

Как правило, всякая электрическая цепь состоит из нескольких сопротивлений, включенных в нее тем или иным способом.

Основные типы соединения сопротивлений — последователь­ное и параллельное.

Последовательное соединение. Последовательным называется та­кое соединение, при котором конец первого проводника (сопро­тивления) соединен с началом второго, а конец второго — с на­чалом третьего и т. д. (рис. 1.2, а).

Параллельное соединение. При параллельном соединении все на­чала проводников (сопротивлений) соединены вместе и также со­единены их концы (рис. 1.2, б).

Последовательное соединение сопротивлений увеличивает общее сопротивление электрической цепи, а параллельное — уменьшает его.

Общее суммарное сопротивление последовательно включенных сопротивлений равно их сумме (рис. 1.2, а):

(1.4)

Для определения общего сум­марного сопротивления парал­лельно включенных сопротивле­ний (рис. 1.2, б) необходимо сложить не сопротивления, а их проводимости (т. е. величины, обратные сопротивлениям), най­дя тем самым суммарную про­водимость цепи — равную 1 /Лоьщ. По суммарной проводи­мости легко определяется сум­марное сопротивление Так для схемы рис. 1.2, б можно на­писать:

При параллельном включе­нии нескольких одинаковых по величине сопротивлений их сум­марное значение равно сопро­тивлению одного, деленному на

их количество. Формулы (1.4), (1.5) и (1.6) остаются в силе при любом количестве последовательно или параллельно включаемых сопротивлений, соответственно изменяется лишь число слагаемых в них.

Смешанное соединение. Обычно в электрических цепях одновре­менно содержатся оба рассмотренных типа соединений проводни­ков: и параллельное, и последовательное. Такие цепи называют цепями со смешанным соединением сопротивлений.

1.5.  Нагревание проводов током и потери электроэнергии

Тепловое действие электрического тока играет в электротехни­ке двоякую роль. С одной стороны, способность электроэнергии легко преобразовываться в тепловую энергию широко используют в различных областях народного хозяйства для устройства элект­рических печей и нагревательных приборов. В частности, на строи­тельстве при работах в зимнее время применяют электропрогрев бетона и замерзшего грунта, элекгроотогрев замерзших трубопро­водов (с использованием переменного тока), сушку штукатурки электролампами и электровоздуходувками. С другой стороны, на­грев током проводов при передаче электрической энергии и на­грев обмоток электрических машин при их работе представляет собой отрицательное явление, так как создает бесполезные затра­ты — потери электрической энергии, а при чрезмерной загрузке проводов током грозит преждевременным выходом из строя элек­троизоляции проводов и пожаром.