Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 29
Текст из файла (страница 29)
3- Сопротивление заземления получается сравнительно малым (в хороших заземлениях— десятки омов и омы), хотя среда между его электродами Рнс 88 Заземление в линиях связи плохо проводит электричествО (сухие почвы, граниты и т.п.) Чтобы понять свойства заземления, рассмотрим электроды простой формы в виде двух одинаковых шаров радиуса а и будем предполагать, что они погружены в безграничную однородную среду с удельной электрической проводимостью Л (рис. 89).
Среду между шарами мы можем разбить на трубки тока и рассматривать их как параллельно соединенные проводники (одна из трубок тока на рис. 89 заштрихована). Увеличивая расстояние между ша- 8'+ ------- — Д рами, мы будем удлинять каждую трубку тока, отчего ее сопротивление будет увеличиваться. Однако при этом линии тока в среде будут все больше и больше удаляться от обоих шаров (в предельном слу- Рнс.
89 К об Яспенню де- К объяспенню дей- ствия заземления чае бесконечно большого расстояния между шарами линии тока направлены вдоль радиусов шаров и уходят в бесконечность). Поэтому и сечения трубок тока, на которые мы разбили среду, будут увеличиваться, что приведет к уменьшению сопротивления каждой трубки. Физическая причина независимости сопротивления от расстояния и заключается в том, что увеличение сечения как рзз компенсирует увеличение длины. Вычислим сопротивление между шарами, пользуясь методом, изложенным в 8 61.
Окружим один из |паров замкнутой поверхностью о', вплотную прилегающей к поверхности шара, и вычислим силу тока через нее. Будем считать, что расстояние между шарами г » а. В этом случае можно пренебречь индукционным влиянием шаров друг на друга и считать, что заряды распределяются на шарах равномерно. Если заряды на шарах равны +о и — д, то их потенциалы (относительно бесконечности) злзкмлкник в линиях связи 135 выражаются соотношениями У„. = — '-, .2 4лооо а' 4лооо а Разность потенциалов, или напряжение между шарами, есть П = П1оо с'2оо = Я 2леоо а Поэтому напряженность поля у поверхности каждого шара., выраженная через напряжение, равна д 4лооо ао 2а Отсюда находим силу тока через поверхность шара: о= ~ уНЯ=Л~ ЕНЯ=Л вЂ” 4ла а 2лаЛГ 2а Я 5 Следовательно, сопротивление Л среды между шарами равно У 1 В= — = —.
2лаЛ Мы видим, что сопротивление вовсе не зависит от расстояния между электродами и определяется только радиусами шаров и удельной электрической проводимостью среды. Полученный результат легко продемонстрировать на опыте. Для этого опустим в какой-либо электролит, налитый в большую ванну, два малых металлических шарика и включим их в цепь тока, содержащую батарею и амперметр. Чтобы с электролитом соприкасалась только поверхность шариков, подводящие провода нужно изолировать стеклянными трубками. Отметим показания амперметра и будем изменять расстояние между шариками. Мы увидим, что пока расстояние между ними превышает несколько радиусов, показания амперметра практически не зависят от расстояния между шариками, а значит, и сопротивление остается постоянным. И только при сближении шариков на расстояние порядка их радиуса амперметр показывает увеличение тока.
Обращаясь вновь к рис. 89, мы видим, что густота линий напряженности велика только в непосредственной близости к шарам. Это значит, что напряженность поля значительна только вблизи шаров и, следовательно, основная часть напряжения приходится на участки среды, непосредственно прилегающие к электродам. Поэтому и сопротивление заземления практически зависит только от удельной электрической проводимости этих участков. Чтобы уменьшить сопротивление заземления, электроды закапывают на глубине подпочвенных вод, где проводимость велика вследствие растворения солей, содержащихся в земле. электгодвижуп1ья силА ГЛАВА Ч11 ЭЛЕКТРОДВИЖ эгЩАЯ СИЛА з 64. Источники тока гл чп Легко видеть, что нельзя получить в проводнике постоянный ток, если для создания напряжения на концах проводника пользоваться заряженными конденсаторами.
Действительно, наличие тока будет всегда сопровождаться переходом зарядов с одной обкладки на другую и притом в таком направлении, что заряды обкладок будут уменьшаться. В результате будет непрерывно уменьшаться напряжение между обкладками и, согласно закону Ома Я 57), сила тока в проводнике будет падать. Это обстоятельство является общим для любого электростатического поля: такое поле всегда перемещает заряды так, чтобы разности потенциалов уменьшались. Для получения постоянного тока на заряды в электрической цепи должны действовать какие-либо силы, отличные от сил электростатического поля. Такие силы получили общее название спюронния сил, Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, мы называем источником тока. Источниками тока являются, например, гальванические элементы. Если воспользоваться гидростатической аналогией, то силы электростатического поля можно уподобить силе тяжести, стремящейся выравнять уровни жидкости в сообщающихся сосудах; источник же тока можно сравнить с насосом, работающим против силы тяжести и восстанавливающим разность уровней в сосудах, несмотря на наличие тока жидкости.
Ближайшей нашей задачей будет установление количественных характеристик источников тока и выяснение связи между ними и силой тока в цепи. Мы будем считать, что источник тока есть гальванический элемент, а затем обобщим полученные результаты на случай любого источника. При разборе этих вопросов мы будем исходить из первого начала термодинамики (общего закона сохранения энергии) и рассмотрим, какие превращения энергии происходят в замкнутой цепи тока. й 65. Работа и мощность постоянного тока.
Закон Джоуля — Ленца Электрический ток совершает в любом участке цепи определенную работу. Пусть имеется произвольный участок цепи (рис. 90), между концами которого существует напряжение У. По определению электрического напряжения (з 17) работа, совершаемая при перемещении единицы заряда между точками а 1 65 гавота и мощность постоянного тока 1ЗУ и б, равна У. Если сила тока в у*!ветке цепи равна 1, то за время 1 пройдет заряд з1, и поэтому работа электрического тока в этом участке будет А = УИ. (65.1) Это выражение справедливо для постоянного тока в любом случае, для какого угодно участка цепи, который может содержать проводники 1-го и 2-го рода, электромоторы и т.д.
Мощность тока, т.е. работа в единицу времени, равна Р = Ад = Уг. (65.2) Формулу (65.2) используют в системе СИ для определения единицы напряжения. Единица напряжения вольт (В) есть 1 В = 1 Вт/1 А = 1 Вт/А. Вольт — электрическое напряжение, вызывающее в электрической цепи постоянный ток силой 1 А при мощности 1 Вт.
Будем теперь считать, что участок цепи представляет собой неподвижный проводник 1-го рода. Тогда вся работа тока превращается в тепло, которое выделяется в проводнике. Если проводник одно оден и подчиняется закон Р У О ! вв тролиты), то У = гг, где г сопротивле! ние проводника. В таком случае а б .2~ (65.3) Рис. 90.
К вычислеЭтот закон был впервые установлен на нию работы электриопыте Э.Х. Лепцем и, независимо от него, ческого Джоулем. Отметим, что нагревание проводников током находит многочисленные технические применения. Наиболее важное из них— осветительные лампы накаливания. Современные лампы накаливания являются результатом настойчивых и длительных работ ряда ученых. Большое значение в развитии ламп накаливания имели работы А.Н.
Лодыгина, который уже в 1873 г. публично демонстрировал в Петербурге различные типы своих ламп. Первые лампы Лодыгина имели форму стеклянного шара, в котором на двух медных стержнях был укреплен стерженек специального угля. В поисках способов увеличения срока службы ламп им совместно с сотрудниками была введена откачка ламп и найдены более долговечные тела накала в виде различных обугливаемых органических волокон. В 1890 г. Лодыгин ввел лампы накаливания с металлической нитью из тугоплавких металлов: вольфрама, молибдена и др.
Работы Эдисона, поставленные в очень широком промышленном масштабе, привели к внедрению ламп накаливания в практику. В последующее время были сделаны только два существенных усовершенствования: тело накала стали изготовлять в виде тонкой спирали, что уменьшило теплоотдачу, и баллона! ламп начали наполнять инертным газом, чтобы иметь возможность повысить температуру нити накала без заметного ее распыления (Лэнгмюр). Гл чп ЭЛВКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА 9 66. Энергия, освобождаемая в гальваническом элементе Когда какой-либо гальванический элемент создает в цепи ток, то внутри элемента происходят химические реакции. В большинстве элементов основная реакция состоит в соединении цинкового электрода, являющегося катодом элеме1гга, с электролитом, и поэтому во время работы элемента ра1ходуется металлический цинк, а в растворе появляются новые вещества — продукты реакций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
