В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током . За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q , переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t , к этому интервалу времени:
Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным . Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.
Находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):
Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I 1 до значения I 2 , то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:
Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:
При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:
где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.
Сопротивление проводника зависит и от его температуры:
где: R 0 – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.
Диод в цепи постоянного тока
Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:
Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.
Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников
Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I , текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R , пропорциональна напряжению U на концах проводника:
Величину R принято называть электрическим сопротивлением . Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором . Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи : сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными . Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно . У каждого способа есть свои закономерности.
1. Закономерности последовательного соединения:
Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R , то общее сопротивление R 0 находится по формуле:
2. Закономерности параллельного соединения:
Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R , то общее сопротивление R 0 находится по формуле:
Электроизмерительные приборы
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры .
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R B . Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R A . В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.
ЭДС. Закон Ома для полной цепи
Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока . Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы A ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС) :
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:
Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).
Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника ):
Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.
Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания :
Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r . У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
Несколько источников ЭДС в цепи
Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно , то:
1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:
Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.
2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:
В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.
При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:
В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.
Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца
Работа A электрического тока I , протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R , преобразуется в теплоту Q , выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):
Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца . Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt , за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:
Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).
Энергобаланс замкнутой цепи
Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R . В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:
Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:
Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R 1 и R 2 на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:
Мощность потерь или мощность внутри источника тока:
Полная мощность, развиваемая источником тока:
КПД источника тока:
Электролиз
Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.
Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза .
Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду ), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду ). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией .
Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q , прошедшему через электролит:
Величину k называют электрохимическим эквивалентом . Он может быть рассчитан по формуле:
где: n – валентность вещества, N A – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:
Электрический ток в газах и в вакууме
Электрический ток в газах
В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов - электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов .
Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием - ионизатором . Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α -частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов - электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).
Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.
Электрический ток в вакууме
Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.
Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.
- Назад
- Вперёд
Как успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике?
Для того чтобы успешно подготовиться к ЦТ по физике и математике, среди прочего, необходимо выполнить три важнейших условия:
- Изучить все темы и выполнить все тесты и задания приведенные в учебных материалах на этом сайте. Для этого нужно всего ничего, а именно: посвящать подготовке к ЦТ по физике и математике, изучению теории и решению задач по три-четыре часа каждый день. Дело в том, что ЦТ это экзамен где мало просто знать физику или математику, нужно еще уметь быстро и без сбоев решать большое количество задач по разным темам и различной сложности. Последнему научиться можно только решив тысячи задач.
- Выучить все формулы и законы в физике, и формулы и методы в математике . На самом деле, выполнить это тоже очень просто, необходимых формул по физике всего около 200 штук, а по математике даже чуть меньше. В каждом из этих предметов есть около десятка стандартных методов решения задач базового уровня сложности, которые тоже вполне можно выучить, и таким образом, совершенно на автомате и без затруднений решить в нужный момент большую часть ЦТ. После этого Вам останется подумать только над самыми сложными задачами.
- Посетить все три этапа репетиционного тестирования по физике и математике. Каждый РТ можно посещать по два раза, чтобы прорешать оба варианта. Опять же на ЦТ, кроме умения быстро и качественно решать задачи, и знания формул и методов необходимо также уметь правильно спланировать время, распределить силы, а главное правильно заполнить бланк ответов, не перепутав ни номера ответов и задач, ни собственную фамилию. Также в ходе РТ важно привыкнуть к стилю постановки вопросов в задачах, который на ЦТ может показаться неподготовленному человеку очень непривычным.
Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того на что Вы способны.
Нашли ошибку?
Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на почту. Написать об ошибке можно также в социальной сети (). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.
Работу сил электрического поля, создающего упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике, т.е. электрический ток, называют работой тока.
Работа, совершаемая электрическим полем по перемещению заряда q на участке цепи, равна:
A=q U=I U t=I 2 *R t= U 2 /R*t
где I - сила тока на данном участке, U - напряжение на участке цепи, t - время прохождения тока по участку цепи, q == It - электрический заряд (количество электричества), протекающий через поперечное сечение проводника за промежуток времени t. Единицей измерения работы служит джоуль: 1 Дж = 1 А* 1 В* 1 с. 1 Дж есть работа постоянного тока силой в 1 А в течение 1 с на участке напряжением в 1 В.
По закону сохранения энергии эта работа равна изменению энергии проводника.
Мощность электрического тока при прохождении его по проводнику с сопротивлением R равна работе, совершаемой током за единицу времени:
P=A/t=I*U=U 2 *R
Единицей измерения мощности электрического тока в СИ служит ватт: 1 Вт = 1 Дж/с. Работу тока можно также определить следующим образом:
Единицей измерения работы также является киловатт-час (кВт ч) или ватт-час (Вт ч):
1Вт*ч=3.6*10 2 Дж
В этих единицах работу обычно выражают в электротехнике. Полную мощность, развиваемую источником тока с ЭДС и внутренним сопротивлением г, когда во внешней цепи включена нагрузка с сопротивлением R, определяют по формуле:
P=I(R+r) =IR+Ir=I*I*(R+r) =I
Полная мощность идет на выделение тепла во внешнем и внутреннем сопротивлении.
Полезная мощность (мощность, выделяемая во внешнем сопротивлении) равна:
P полез =I 2 R= 2 R/(R+r) 2
Она используется в электронагревательных и осветительных приборах.
Теряемая мощность (мощность, выделяемая во внутреннем сопротивлении) равна:
P тер =I 2 r= 2 r/(R+r) 2
Она не используется.
Мощность тока во всей внешней цепи при любом соединении равна сумме мощностей на отдельных участках цепи.
Работа электрического поля приводит к нагреванию проводника, если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения веществ. Поэтому энергия (количество теплоты), выделяемая на данном участке цепи за время t, равна работе электрического тока:
Количество теплоты, выделяющееся проводником при нагревании его током, определяют по закону Джоуля-Ленца:
Q = I 2 Rt или
Этот закон был установлен экспериментально английским ученым Джеймсом Джоулем (1818-1889) и русским ученым Эмилием Христиановичем Ленцем (1804-1865) и сформулирован следующим образом.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
При последовательном соединении проводников с сопротивлением R1 и R2 количество теплоты, выделенное током в каждом проводнике, прямо пропорционально сопротивлению этих проводников:
Q 1 /Q 2 =R 1 /R 2 , т.к. I 1 = I 2 при последовательном соединении
Количество теплоты, выделенное током в параллельно соединенных двух участках цепи без ЭДС с сопротивлениями 2^ и И^, обратно пропорционально сопротивлению этих участков:
Q 1 /Q 2 =R 1 /R 2 , т.к. U 1 = U 2 при параллельном соединении
Электробезопасность
По определению ГОСТ 12.1.009-76: "Электробезопасность − система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества".
Из всей совокупности ОВПФ наиболее травмирующим фактором является электрический ток.
В Российской Федерации ежегодно от электрического тока погибает ~ 2500 человек, откуда риск индивидуальной смерти от тока получается равным: 2500/145∙10 6 ≈ 16∙10 -6 , что втрое больше, чем в среднем на Земле (5∙10 -6). Доля электротравм среди всей совокупности несчастных случаев на производстве составляла в России в 80-ые годы прошлого века 11.8% (каждая десятая травма на производстве связана с электрическим током).
С момента промышленного использования электрической энергии пристальное внимание было направлено на специфику проявления электрического тока, не обнаруживаемого без непосредственного контакта с токоведущей частью, находящейся под напряжением, и тяжесть его воздействия на человека. Многочисленные исследования и инженерно-технические разработки привели в настоящее время к созданию надежной системы защитных мер от поражения током.
Действие тока на человека.
Ток оказывает термическое, электролитическое и биологическое действие.
По видам поражения воздействие подразделяется на:
- электротравмы - местное поражение тканей (ожоги, электрические знаки, металлизация кожи);
-электроудары - воздействие тока на весь организм.
По степени воздействия различают:
I степень - судорожные сокращения мышц без потери сознания;
II степень - судорожные сокращения мышц, потеря сознания;
III степень - потеря сознания, нарушение сердечной и/или дыхательной деятельности;
IV степень - клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.
Факторы , определяющие исход поражения электрическим током:
1.Значение тока I (основной поражающий фактор). Смертельным для человека значением тока промышленной частоты 50 Гц считается ток
При этом токе вероятность смертельного исхода наступает для 5% людей.
Выделяют три характерных значения тока промышленной частоты при его протекании через человека:
Пороговый ощутимый 0,6-1,5 мА, при котором появляются первые ощущения;
Пороговый неотпускающий 10-15 мА, при котором человек не может оторваться от токоведущей части под напряжением (из-за судорог мышц);
Пороговый фибрилляционный 100 мА, при котором возникают хаотические сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл), в результате чего наступает смерть.
При постоянном токе ощутимый пороговый ток составляет 5-7 мА. пороговый неотпускающий 50-70 мА, а пороговый фибрилляционный - 300 мА.
2. Напряжение прикосновения U пр, которое, согласно ГОСТ 12.1.009-76, представляет напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.
Напряжение прикосновения, а также электрическое сопротивление тела человека существенно влияют на исход поражения, так как определяют значение тока, проходящего через тело человека, согласно закону Ома:
U пр = I h ∙R h
В аварийном режиме предельно допустимым напряжением является 20В (при длительности воздействия более 1 с.).
3. Сопротивление тела человека R h . Оно определяется в основном сопротивлением кожи. Сопротивление R h , колеблется у разных людей от 3 кОм до 100 кОм. Согласно ГОСТ 12.1.038-82, в нормальном режиме R h принимается равным 6,7 кОм. В аварийном режиме при расчетах принимается обычно равным 1000 Ом.
4. Длительность воздействия t. Предельно допустимый ток, который может воздействовать на человека без особых последствий в интервале времени t = 0,2 − 1с, определяется согласно ГОСТ 12.1.038-82 из выражения: I ≈ 50/t, мА. Вероятность тяжелого исхода возрастает при I менее 0,2с, что связано с особенностями кардиоцикла. Поэтому время срабатывания быстродействующей защиты ориентируется на этот промежуток времени.
5. Путь тока через тело человека (петля тока). Наиболее опасна петля тока по пути рука-рука, так как проходит через жизненно важные органы, наименее - нога-нога.
6. Род тока . Постоянный ток менее опасен, чем переменный, что видно по значениям пороговых токов, но это справедливо для напряжений менее 250-ЗООВ. Выпрямленный ток из-за наличия гармоник опаснее постоянного тока от аккумулятора.
7. Частота тока f. Наиболее опасным является ток с частотой 20-100 Гц. При частотах меньше 20 или больше 100 Гц опасность поражения несколько уменьшается. Ток частотой более 500 кГц является неопасным с точки зрения электрического удара, но может вызвать ожоги. В принципе, можно считать, что опасность электрического тока в зависимости от частоты уменьшается обратно пропорционально .
8. Контакт в точках акупунктуры . На теле имеются особые точки (точки акупунктуры), куда подходят нервные окончания, в результате чего сопротивление в этих местах резко (на два порядка) снижается по сравнению с соседними участками. Поэтому подвод тока к точкам акупунктуры резко увеличивает вероятность неблагоприятного исхода.
9. Фактор внимания . Известно, что кровообращение центральной нервной системы под влиянием напряженного внимания усиливается. Это вызывает повышенное потребление кислорода, что, в свою очередь, приводит к увеличению числа электронов в процессах биохимических реакций обмена веществ. Усиленный поток электронов сложнее нарушить импульсом тока. Значит, биосистему автоматического регулирования при усиленном кровообращении нервной системы расстроить сложнее. Сосредоточенный, внимательный к опасности человек менее подвержен воздействию тока.
10. Индивидуальные свойства человека (состояние здоровья, масса и пол человека и др.).
11. Условия внешней среды . По Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) выделяют 3 класса помещений по опасности поражения электрическим током:
1 − без повышенной опасности (без признаков повышенной и особой опасности);
2 − повышенной опасностью (температура воздуха более 35"С, относительная влажность более 75%, наличие в воздухе токопроводящей пыли, токопроводящий пол, возможность одновременного прикосновения к заземленному объекту и к корпусу электроустановки);
3 − особо опасные (влажность около 100%, химически активная среда в воздухе помещения, наличие двух и более признаков повышенной опасности).
12. Схема включения человека в цепь тока. Наиболее опасно двухфазное прикосновение, при котором человек касается проводов двух разных фаз (в трехфазной сети), и исход поражения (часто смертельный при напряжении 380В) не зависит от режима нейтрали сети.
Наименее опасно однофазное прикосновение к сети с изолированной нейтралью. Даже при токопроводящем основании человек теоретически избежит неблагоприятного исхода.
Причины поражения электрическим током:
− случайное прикосновение;
− появление напряжения на корпусе электрооборудования;
− появление напряжения на отключенных токоведущих частях;
− напряжение шага.
Основные нормативные документы:
Правила устройства электроустановок (ПУЭ);
Правила эксплуатации (ПЭ) электроустановок потребителей и Правила техники безопасности (ПТБ) при эксплуатации электроустановок потребителей;
ГОСТ 12.1.009-76 ССБТ. Электробезопасность. Термины и определения;
ГОСТ 12.1.019-79 (СТ СЭВ 4830-84) ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.
ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление.
ГОСТ 12.2.007.0-14-75 ССБТ. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности;
ГОСТ 12.3.019-80 ССБТ. Испытания и измерения электрические;
ГОСТ 12.3.032-84 ССБТ. Работы электромонтажные;
ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.
ГОСТ 12.4.124-83 ССБТ. Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования.
Средства защиты.
При разработке средств защиты от опасности поражения электрическим током реализованы следующие принципы обеспечения безопасности:
− снижения опасности (изоляция; применение малых напряжений);
− ликвидации опасности (защитное отключение);
− блокировки (оградительные устройства);
− информации (сигнализация, знаки безопасности, плакаты);
− слабого звена (защитное заземление).
Средства коллективной защиты от электрического тока:
1. Защитное заземление.
2. Зануление.
3. Защитное отключение.
4. Применение малых напряжений.
5. Изоляция.
6. Оградительные устройства.
7. Сигнализация, блокировка, знаки безопасности, плакаты.
Кроме перечисленных СКЗ, применяются СИЗ (инструменты с изолированными рукоятками, коврики, токоизмерительные клещи и т.п.).
Защитное заземление − преднамеренное соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей оборудования, не находящихся под напряжением в обычных условиях, но которые могут оказаться над напряжением в результате повреждения изоляции электроустановки.
Принцип действия защитного заземления − снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных "замыканием на корпус".
Область применения − трехфазные трехпроводные сети напряжением до 1000В с изолированной нейтралью и выше 1000В с любым режимом нейтрали. Принципиальная схема защитного заземления приведена на рис. 1.
а) 
б) 
Рис. 1. Принципиальная схема защитного заземления.
а) защитное заземление в сети с изолированной нейтралью до 1000В;
б) защитное заземление в сети с заземленной нейтралью выше 1000В.
1 - заземленное оборудование; 2 - заземлитель защитного заземления; 3 - заземлитель рабочего заземления;
r з, r о, - сопротивления соответственно защитного и рабочего заземлений.
Заземление или зануление электроустановок является обязательным в помещениях без повышенной опасности поражения током при переменном напряжении 380В и выше, постоянном напряжении − 440В и выше. В помещениях с повышенной опасностью и особо опасных необходимо заземлять или занулять установки, начиная с 42В переменного и 110В постоянного напряжения.
Во взрывоопасных помещениях заземление или зануление установок обязательно независимо от напряжения сети.
Сопротивление заземления электроустановок должно быть не более 8; 4; 2 Ом для трехфазной сети с заземленной нейтралью напряжением 220; 380; 660В соответственно. В стационарных сетях до 1000В с изолированной нейтралью сопротивление заземления должно быть не более 10 Ом (в сочетании с контролем сопротивления изоляции).
Занулением называется присоединение к неоднократно заземленному нулевому проводу питающей сети корпусов и других конструктивных металлических частей электрооборудования, которые нормально не находятся под напряжением, но вследствие повреждения изоляции могут оказаться под напряжением.
Принципиальная схема зануления приведена на рис. 2.
Рис. 2. Принципиальная схема защитного зануления.
1 – корпус; 2 − аппараты для защиты от токов короткого замыкания (предохранители);
Ro − сопротивление заземления нейтрали сети; Rn − сопротивление повторного заземления нулевого провода; I − ток короткого замыкания.
Принцип действия зануления − превращение пробоя на корпус в короткое однофазное замыкание (т.е. замыкание между фазным и нулевым проводами) с целью создания большого тока, способного обеспечить срабатывание защиты и тем самым отключить автоматически поврежденную установку из сети.
Область применения − трехфазные четырехпроводные сети напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью.
Первая помощь при поражении электрическим током должна оказываться немедленно (в течение первой минуты). Необходимо определить, что произошло, освободить (при необходимости) пострадавшего от поражающего действия электрического тока; установить наличие дыхания, пульса, шока; организовать вызов скорой помощи; при необходимости, проводить реанимационные мероприятия: искусственное дыхание, непрямой массаж сердца.
Определить плотность тока, если известно, что за время t = 10 секунд через поперечное сечение проводника прошло q = 100 Кулон электричества. Площадь поперечного сечения проводника S = 5 мм 2 .
Два одинаковых сопротивления по R 1 =100 Ом, соединенных параллельно, и соединенное последовательно с ними сопротивление R 2 =200 Ом подключены к источнику постоянного тока. К концам параллельно соединенных сопротивлений подключен конденсатор емкостью C=10 мкФ. Определить ЭДС источника, если заряд на конденсаторе q=2,2 . 10 -4 Кл. Внутренним сопротивлением источника и сопротивлением проводов пренебречь.
Какой ток пойдет по подводящим проводам при коротком замыкании, если на двух плитках с сопротивлениями R 1 =200 Ом и R 2 =500 Ом, выделяется при поочередном включении одинаковая мощность P=200 Вт?
Вариант 2
Сопротивление одного метра медной проволоки диаметром D = 0,1 мм равно 2,23 Ом. Каково удельное сопротивление меди?
Гальванический элемент дает на внешнее сопротивление R 1 =4 Ом ток I 1 =0,2 А. Если же внешнее сопротивление R 2 =7 Ом, то элемент дает ток I 2 =0,14 А. Какой ток он даст, если его замкнуть накоротко?
Участок цепи, состоящая из двух параллельно включенных сопротивлений R 1 =6 Ом и R 2 =12 Оми включенного последовательно к ним сопротивления R 3 =15 Ом, подключена к зажимам генератора, ЭДС которого έ=200 В, а внутреннее сопротивление r=1 Ом. Вычислить мощность P 1 , выделяющуюся на сопротивлении R 1 . Сопротивлением подводящих проводов пренебречь.
Вариант 3
Определить сопротивление медной проволоки, масса которой m = 1 кг, а площадь поперечного сечения S = 0,1 мм 2 . Плотность меди 0 = 8900 кг/м 3 , ее удельное сопротивление = 1,75 . 10 -8 Ом. м.
Определить ЭДС батареи, если известно, что при увеличении сопротивления нагрузки, подключенной к батарее, в n раз напряжение на нагрузке увеличивается от U 1 до U 2 .
Железная и медная проволоки одинаковых длин и сечений соединены параллельно и включены в сеть. Найти отношение количеств теплоты, выделившихся в каждой проволоке. Удельные сопротивления железа и меди равны 1 =0,12 мкОм. м и 2 =0,017 мкОм. м.
Вариант 4
Определить падение напряжения на проводнике сопротивлением R = 10 Ом, если известно, что за время t = 5 мин по проводнику прошел заряд q = 120 Кулон.
Определить внутреннее сопротивление аккумулятора, если известно, что при замыкании его на внешнее сопротивление R 1 =1 Ом напряжение на зажимах аккумулятора U 1 =2 В, а при замыкании на сопротивление R 2 =2 Ом напряжение на зажимах U 2 =2,4 В. Сопротивлением проводящих проводов пренебречь.
Найти мощность N электронагревателя кастрюли, если в ней за время =20 мин можно вскипятить объем воды V=2 л (плотность воды 1000 кг/м 3). КПД электронагревателя =70%. Удельная теплоемкость воды c=4,2 кДж/(кг. К), начальная температура воды t 1 =20 0 С.
Вариант 5
В электрическую сеть включены последовательно плитка, реостат и амперметр, сопротивление которых R 1 = 50 Ом, R 2 = 30 Ом и R 3 = 0,1 Ом соответственно. Определить падение напряжения на плитке, реостате и амперметре по отдельности, если ток в цепи I = 4 А.
Машина постоянного тока с ЭДС 130 В должна питать осветительную сеть, состоящую из параллельно включенных десяти ламп сопротивлением 200 Ом, пяти ламп по 100 Ом и десяти ламп по 150 Ом. Найти ток нагрузки и напряжение на зажимах машины, если ее внутреннее сопротивление 0,5 Ом. Сопротивлением проводов пренебречь.
К источнику с внутренним сопротивлением r подключено сопротивление R=r. Затем подключено второе такое же сопротивление: а) последовательно, б) параллельно. Во сколько раз изменится тепловая мощность, выделяющаяся в сопротивлении R, после подключения второго сопротивления в обоих случаях.
