Шаговое напряжение

Шаговое напряжение

Шаговое напряжение – это разность потенциалов (напряжения) на участке в токовой цепи. Показатель шагового напряжения зависит от силы тока и удельного сопротивления почвы. Он представляет собой расстояние (разность потенциалов) между двух ног человека. Величина шагового напряжения используется при создании зануления и заземления, измерении опасности в местах аварий. На значение влияет форма кривой напряжения.

Возле упавшего провода находящегося под напряжением, возникает область рассеивания электричества. На расстоянии от 20 метров до места падения провода, напряжение может не ощущаться, плотность тока становится минимальной.

Опасное для жизни шаговое напряжение наблюдается в местах падения электрического провода высокой мощности на голый грунт. К этому объекту запрещается приближаться на расстояния менее 8 метров. Угроза присутствует и на расстоянии одного метра от заземлителя (металлоконструкции труб, забор из арматуры). Человек рискует, стоя в месте растекания шагового напряжения прикоснуться к металлокострукциям (естественному заземлителю). Опасность кроется в поражении нервной системы – возникают судороги и падение человека на землю.

Действие шагового напряжения прекращается, но внутри тела возникает новый путь электричества. Ток протекает от рук к ногам, в результате возникает реальная угроза смерти. При попадании в такую ситуацию человек должен выходить с опасной зоны гусиным шагом. Минимальное расстояние между ногами – это залог безопасности и благополучного выхода.

Угроза исчезает через 20 метров от источника напряжения высокого потенциала. Категорически запрещается выпрыгивать из области действия высоких потенциалов. При падении на конечности уровень шагового напряжения возрастет, после чего человека ждет смерть.

Узлы, функционал, сборка

Сейчас мы пошагово разберем, как работает автоматика для электрокотла и как её собрать в единый узел, отвечающий за безопасность и управление агрегатом. Такая система обойдет вам гораздо дешевле заводской сборки, к тому же, так вы будете знать её досконально и без труда проведете техобслуживание.

Пусковой узел

Любая электрическая схема начинается с устройства для разрыва цепи и в нашем случае, это вводный трехфазный трехполюсный автомат ≈380 V. Только на этом моменте очень часто допускают ошибку — вместо K3 устанавливают три отдельных однополюсных автомата. Это недопустимо, так как по отдельности каждый прибор отвечает за отдельно взятую фазу, а вот K3 при повреждении нагревательного элемента по любой из трех фаз, обесточивает их все одновременно. На практике это означает, что вас даже не успеет ударить током, если произойдет замыкание на корпус.

После установки трехполюсного автомата все фазы нужно разделить и для этого используются электромагнитные контакторы типа пускателей. Именно они будут отвечать за управление электрическими котлами, а если быть точнее, то за автоматическую коммутацию электрической сети. Для чего это нужно: если автомат включается и выключается вручную, флажками на корпусе, то пускатель делает это сам, без вашего вмешательства, при поступлении на него импульса от соответствующего датчика.

Однополюсные контакторы должны быть не в виде тройного блока, а по отдельности, только не покупайте или не ставьте из своей заначки старые пускатели типа КМИ, ПМЛ или ПМА и дело здесь не в громкости щелчков при переключении, но об этом чуть ниже. У вас будет возможность упрощенной регулировки мощности электрокотла — в этом и состоит основное преимущество такого варианта. Далее по схеме подключаются ТЭНы или электроды отопителя – здесь все просто.

Регулировка мощности котла

Напряжение с автоматов подается на пускатели, а с них – на греющие элементы и вот именно в этом узле схемы и должна быть установлена регулировка мощности электрического котла. Будет подаваться напряжение на греющий элемент котла или нет – зависит от катушки контактора (пускателя), поэтому в этом звене установим возможность для смены режима обогрева. Для этого нужно на контакт, обозначенный на корпусе, как A2 подключить ноль, а на клемму, обозначенную, как A1 – микровыключатель для разрыва цепи. Впрочем, A1 и A2 можно менять в цепи местами – это не имеет какого-то значения. Все три пускателя должны быть подключены только от одной фазы – её можно взять с нижней клеммы любого из трех автоматов.

Эти три кнопки позволят котлу работать в семи режимах. Допустим, у вас тэновый котел, с тремя нагревательными элементами разной мощности – назовем их условно №1, №2 и №3 — тогда появляется возможность комбинировать температуру воды на выходе. Вот как будут выглядеть режимы:

1. №1, №2 и №3 – включены (максимальная мощность).
2. №1 – включен, №2 и №3 отключены.
3. №2 – включен, №1 и №3 – отключены.
4. №3 – включен, №1 №2 – отключены.
5. №1 и №2 – включены, №3 – отключен.
6. №1 и №3 – включены, №2 – отключен.
7. №2 и №3 – включены, №1 – отключен.

В зависимости от температуры за окном вы можете выбрать любой из этих режимов, добавляя или убавляя мощность котла для подогрева теплоносителя.

Предельный и управляющий термостаты

Такое устройство, как на фотографии вверху, сейчас устанавливают не только на электрических, на и на газовых, а порой и на твердотопливных котлах. Оно необходимо для экстренных ситуаций, когда что-то не сработает в электронике и нагрев теплоносителя не остановится при заданной температуре. Такое может произойти, когда, к примеру, засорится циркуляционный насос и образуется застой жидкости в котле или по каким-то другим причинам. То есть, вода по умолчанию будет греться до предела на термостате, а это обычно 95°C, после чего срабатывает предохранительный механизм и разрывается цепь, но вы можете задать предел температуры самостоятельно.

Так как в этом приборе в экстремальной ситуации не предусмотрен предохранительный клапан то здесь просто разъединяется цепь управляющей фазы. Поэтому прибор нужно подключить именно так, как показано на нижнем изображении, чтобы он мог разорвать цепь управляющей фазы.

Для того чтобы отключать и запускать нагревательные элементы без вашего участия, в схему нужно добавить ещё один прибор – это термостат управления (только не путайте его с предельным). На изображении видно, что он подключен к основной фазе перед предельным устройством. Это означает, что он будет отдавать команды. То есть, рабочий термостат будет срабатывать при определенной температуре, которую вы ему зададите – процесс происходит автоматически, без вашего участия.

В том случае, когда вы видите, что цепь разомкнута (котел не греет), а температура меньше заданной вами, это означает, что сработал не рабочий, а предельный термостат. Это говорит о том, что где-то возникли неполадки и вам нужно найти неисправность, устранить её и лишь после этого запускать котел заново.

Помимо рабочего в цепь управляющей фазы также можно подключить комнатный термостат, показанный на схеме под №3. Он будет реагировать на температуру в помещении, и от него будет зависеть работа прибора №2, так как рабочий термостат не сможет разорвать цепь без «согласия» комнатного датчика.

Регулировка силы электрического тока

Характеристикой тока в цепи служит величина, называемая силой тока ( I ). Сила тока – физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда q, прошедшeгo через пoперeчное сечение проводника за промежуток времени t, к этому промежутку времени: I = q/t . Единица измерения силы тока – 1 ампер (1 А).

Определение единицы силы тока основано на магнитном действии тока, в частности на взаимодействии параллельных проводников, по которым идёт электрический ток. Такие проводники притягиваются, если ток по ним идёт в одном направлении, и отталкиваются, если направление тока в них противоположное.

За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1 м, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2*10 -7 Н. Эта единица и называется ампером (1 А).

Зная формулу силы тока, можно получить единицу электрического заряда: 1 Кл = 1А * 1с.

Амперметр

Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называется амперметром. Его работа основана на магнитном действии тока. Основные части амперметра магнит и катушка. При прохождении по катушке электрического тока она в результате взаимодействия с магнитом, поворачивается и поворачивает соединённую с ней стрелку. Чем больше сила тока, проходящего через катушку, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки. Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить, и потому он имеет малое внутреннее сопротивление, которое практически не влияет на сопротивление цепи и на силу тока в цепи.

У клемм амперметра стоят знаки «+» и «—», при включении амперметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному пoлюсу источника тока, а клемма со знаком «—» к отрицательному пoлюсу истoчникa тока.

Напряжение

Источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение электрические заряды. Характеристикой источника тока служит величина, называемая напряжением. Чем оно больше, тем сильнее созданное им поле. Напряжение характеризует работу, которую совершает электрическое поле по перемещению электрического заряда.

Напряжение ( U ) — это физическая величина, равную отношению работы (А) электрического поля по перемещению электрического заряда к заряду (q): U = A/q .

Возможно другое определение понятия напряжения. Если числитель и знаменатель в формуле напряжения умножить на время движения заряда (t), то получим: U = At/qt. В числителе этой дроби стоит мощность тока (Р), а в знаменателе — сила тока (I). Получается формула: U = Р/I , т.е. напряжение — это физическая величина, равная отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи.

Единица напряжения: [U] = 1 Дж/1 Кл = 1 В (один вольт).

Вольтметр

Напряжение измеряют вольтметром. Он имеет такое же устройство, что и амперметр и такой же принцип действия, но он подключается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором хотят. Внутреннее сопротивление вольтметра достаточно большое, соответственно проходящий через него ток мал по сравнению с током в цепи.

У клемм вольтметра стоят знаки «+» и «—», при включении вольтметра в цепь клeмма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клеммa со знаком «—» к отрицательному полюсу источника тока.

Формулы и определения.

1. Все проводники, используемые в электрических цепях, имеют условные обозначения для изображения на схемах и могут образовывать последовательные, параллельные и смешанные соединения.

2. Мощность тока – физическая величинa, хаpактеpизующая скорость превращения электрической энергии в другие её виды. Единица для измерения – 1 ватт (1 Вт). Измерительный прибор – ваттметр.

3. Сила тока – физическaя вeличина, характеpизующaя скоpость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда, пpoшедшего через попеpeчное сечение проводника, ко времени перемещения. Единица – 1 ампер (1 А). Измерительный прибор – амперметр (подключают последовательно).

4. Электрическое напряжение – физическaя вeличина, характеризующая электрическое поле, создающее ток, и равная отношению мощности тока к его силе. Единица – 1 вольт (1 В). Измерительный прибор – вольтметр (подключают параллельно)

5. Работа тока – физичeская величинa, хаpактеpизующая количество электроэнергии, превратившейся в другие виды энергии. Единица – 1 джоуль (1 Дж). Измерительный прибор – электрический счётчик, использующий единицу 1 киловатт-час (1 кВт·ч).

Измерение напряжения

Для замера напряжение используется прибор вольтметр, хотя сейчас наиболее популярны мультиметры. Мультиметр это такой комбинированный прибор имеющий в себе много чего. О нем я писал в статье и рассказывал как им пользоваться.

Вольтметр это как раз тот прибор который измеряет разность потенциалов между двумя точками. Напряжение (разность потенциалов) в любой точке схемы обычно измеряется относительно НОЛЯ или ЗЕМЛИ или МАССЫ или МИНУСА батарейки. Не важно главное это должна быть точка имеющая наименьший потенциал во всей схеме.

Итак чтобы измерить напряжение постоянного тока между двумя точками, делаем следующее. Черный (минусовой ) щуп вольтметра втыкается в ту точку, где предположительно мы можем наблюдать точку с меньшим потенциалом (НОЛЬ). Красный щуп (плюсовой) втыкаем в точку, потенциал которой нам интересен.

И результатом измерения будет числовое значение разности потенциалов, или другими словами напряжение.

Источник тока

Вода в шланге берется из водопровода, ключа с водой в земле — в общем, не из ниоткуда. Электрический ток тоже имеет свой источник.

В качестве источника может выступить, например, гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. Эти реакции выделяют энергию, которая потом передается электрической цепи.

У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения. По сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «-».

Как возникает сила тока

Сила тока возникает из-за разности значений напряжения (или потенциалов) в начале и на конце проводника. Для поддержания разности потенциалов нужен источник энергии.

В зависимости от устойчивости показателя и направления протекания, ток бывает постоянным или переменным. Постоянный может существовать только в замкнутом контуре, в котором есть непрерывное круговое движение заряженных частиц. Например, в гальванических элементах – батарейках и аккумуляторах. В этих устройствах энергия вырабатывается благодаря химическим процессами.

Для возникновения постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц.

Постоянный ток получают не только от батареек и аккумуляторов, но и путем выпрямления переменного, в частности, производимого генераторами.

Работа электронной аппаратуры от сети переменного источника в квартирах осуществляется посредством дополнительных приборов: блоков питания с выпрямителями сигналов, стабилизаторов напряжения.

Закон Кулона, конденсатор, сила тока, закон Ома, закон Джоуля – Ленца

Закон Кулона — это один из основных законов электростатики. Он определяет величину и направление силы взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами.

Под точечным зарядом понимают заряженное тело, размер которого много меньше расстояния его возможного воздействия на другие тела. В таком случае ни форма, ни размеры заряженных тел не влияют практически на взаимодействие между ними.

Закон Кулона экспериментально впервые был доказан приблизительно в 1773 г. Кавендишем, который использовал для этого сферический конденсатор. Он показал, что внутри заряженной сферы электрическое поле отсутствует. Это означало, что сила электростатического взаимодействия меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, однако результаты Кавендиша не были опубликованы.

В 1785 г. закон был установлен Ш. О. Кулоном с помощью специальных крутильных весов.

Опыты Кулона позволили установить закон, поразительно напоминающий закон всемирного тяготения.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В аналитическом виде закон Кулона имеет вид:

где $|q_1|$ и $|q_2|$ — модули зарядов; $r$ — расстояние между ними; $k$ — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. Сила взаимодействия направлена по прямой, соединяющей заряды, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

Сила взаимодействия между зарядами зависит также от среды между заряженными телами.

В воздухе сила взаимодействия почти не отличается от таковой в вакууме. Закон Кулона выражает взаимодействие зарядов в вакууме.

Кулон — единица электрического заряда. Кулон (Кл) — единица СИ количества электричества (электрического заряда). Она является производной единицей и определяется через единицу силы тока 1 ампер (А), которая входит в число основных единиц СИ.

За единицу электрического заряда принимают заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока $1$А за $1$с.

То есть $1$ Кл$= 1А·с$.

Заряд в $1$ Кл очень велик. Сила взаимодействия двух точечных зарядов по $1$ Кл каждый, расположенных на расстоянии $1$ км друг от друга, чуть меньше силы, с которой земной шар притягивает груз массой $1$ т. Сообщить такой заряд небольшому телу невозможно (отталкиваясь друг от друга, заряженные частицы не могут удержаться в теле). А вот в проводнике (который в целом электронейтрален) привести в движение такой заряд просто (ток в $1$ А вполне обычный ток, протекающий по проводам в наших квартирах).

Коэффициент $k$ в законе Кулона при его записи в СИ выражается в $Н · м^2$ / $Кл^2$. Его численное значение, определенное экспериментально по силе взаимодействия двух известных зарядов, находящихся на заданном расстоянии, составляет:

Часто его записывают в виде $k=<1>/<4πε_0>$, где $ε_0=8.85×10^<-12>Кл^2$/$H·м^2$ — электрическая постоянная.

Электрическая емкость конденсатора

Электроемкость

Электроемкостью проводника $С$ называют численную величину заряда, которую нужно сообщить проводнику, чтобы изменить его потенциал на единицу:

Емкость характеризует способность проводника накапливать заряд. Она зависит от формы проводника, его линейных размеров и свойств среды, окружающей проводник.

Единицей емкости в СИ является фарада ($Ф$) — емкость проводника, в котором изменение заряда на $1$ кулон меняет его потенциал на $1$ вольт.

Электрический конденсатор

Электрический конденсатор (от лат. condensare, буквально сгущать, уплотнять) — устройство, предназначенное для получения электрической емкости заданной величины, способное накапливать и отдавать (перераспределять) электрические заряды.

Конденсатор — это система из двух или нескольких равномерно заряженных проводников с равными по величине зарядами, разделенных слоем диэлектрика. Проводники называются обкладками конденсатора. Как правило, расстояние между обкладками, равное толщине диэлектрика, намного меньше размеров самих обкладок, так что поле в конденсаторе практически все сосредоточено между его обкладками. Если обкладки являются плоскими пластинами, поле между ними однородно. Электроемкость плоского конденсатора определяется по формуле:

где $q$ — заряд конденсатора, $U$ — напряжение между его обкладками, $S$ — площадь пластины, $d$ — расстояние между пластинами, $ε_<0>$ — электрическая постоянная, $ε$ — диэлектрическая проницаемость среды.

Под зарядом конденсатора понимают абсолютное значение заряда одной из пластин.

Энергия поля конденсатора

Энергия заряженного конденсатора выражается формулами

которые выводятся с учетом выражений для связи работы и напряжения и для емкости плоского конденсатора.

Энергия электрического поля. Объемная плотность энергии электрического поля (энергия поля в единице объема) напряженностью $Е$ выражается формулой:

где $ε$ — диэлектрическая проницаемость среды, $ε_0$ — электрическая постоянная.

Сила тока

Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Сила электрического тока — это величина ($I$), характеризующая упорядоченное движение электрических зарядов и численно равная количеству заряда $∆q$, протекающего через определенную поверхность $S$ (поперечное сечение проводника) за единицу времени:

Итак, чтобы найти силу тока $I$, надо электрический заряд $∆q$, прошедший через поперечное сечение проводника за время $∆t$, разделить на это время.

Сила тока зависит от заряда, переносимого каждой частицей, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения проводника.

Рассмотрим проводник с площадью поперечного сечения $S$. Заряд каждой частицы $q_0$. В объеме проводника, ограниченном сечениями $1$ и $2$, содержится $nS∆l$ частиц, где $n$ — концентрация частиц. Их общий заряд $q=q_<0>nS∆l$. Если частицы движутся со средней скоростью $υ$, то за время $∆t=<∆l>/<υ>$ все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через поперечное сечение $2$. Сила тока, следовательно, равна:

В СИ единица силы тока является основной и носит название ампер (А) в честь французского ученого А. М. Ампера (1755-1836).

Силу тока измеряют амперметром. Принцип устройства амперметра основан на магнитном действии тока.

Оценка скорости упорядоченного движения электронов в проводнике, проведенная по формуле для медного проводника с площадью поперечного сечения $1мм^2$, дает весьма незначительную величину — $∼0.1$ мм/с.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на этом участке к его сопротивлению.

Закон Ома выражает связь между тремя величинами, характеризующими протекание электрического тока в цепи: силой тока $I$, напряжением $U$ и сопротивлением $R$.

Закон этот был установлен в 1827 г. немецким ученым Г. Омом и поэтому носит его имя. В приведенной формулировке он называется также законом Ома для участка цепи. Математически закон Ома записывается в виде следующей формулы:

Зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) проводника.

Для любого проводника (твердого, жидкого или газообразного) существует своя ВАХ. Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристика металлических проводников, заданная законом Ома $I=/$, и растворов электролитов. Знание ВАХ играет большую роль при изучении тока.

Закон Ома — это основа всей электротехники. Из закона Ома $I=/$ следует:

1. сила тока на участке цепи с постоянным сопротивлением пропорциональна напряжению на концах участка;
2. сила тока на участке цепи с неизменным напряжением обратно пропорциональна сопротивлению.

Эти зависимости легко проверить экспериментально. Полученные с использованием схемы, графики зависимости силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении и силы тока от сопротивления представлены на рисунке. В первом случае использован источник тока с регулируемым выходным напряжением и постоянное сопротивление $R$, во втором — аккумулятор и переменное сопротивление (магазин сопротивлений).

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление — это физическая величина, характеризующая противодействие проводника или электрической цепи электрическому току.

Электрическое сопротивление определяется как коэффициент пропорциональности $R$ между напряжением $U$ и силой постоянного тока $I$ в законе Ома для участка цепи.

Единица сопротивления называется омом (Ом) в честь немецкого ученого Г. Ома, который ввел это понятие в физику. Один ом ($1$ Ом) — это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении $1$ В сила тока равна $1$ А.

Удельное сопротивление

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от материла проводника, его длины $l$ и поперечного сечения $S$ и может быть определено по формуле:

где $ρ$ — удельное сопротивление вещества, из которого изготовлен проводник.

Удельное сопротивление вещества — это физическая величина, показывающая, каким сопротивлением обладает изготовленный из этого вещества проводник единичной длины и единичной площади поперечного сечения.

Из формулы $R=ρ/$ следует, что

Величина, обратная $ρ$, называется удельной проводимостью $σ$:

Так как в СИ единицей сопротивления является $1$ Ом, единицей площади $1м^2$, а единицей длины $1$ м, то единицей удельного сопротивления в СИ будет $1$ Ом$·м^2$/м, или $1$ Ом$·$м. Единица удельной проводимости в СИ — $Ом^<-1>м^<-1>$.

На практике площадь сечения тонких проводов часто выражают в квадратных миллиметрах (м$м^2$). В этом случае более удобной единицей удельного сопротивления является Ом$·$м$м^2$/м. Так как $1 мм^2 = 0.000001 м^2$, то $1$ Ом$·$м $м^2$/м$ = 10^<-6>$ Ом$·$м. Металлы обладают очень малым удельным сопротивлением — порядка ($1 ·10^<-2>$) Ом$·$м$м^2$/м, диэлектрики — в $10^<15>-10^<20>$ раз большим.

Зависимость сопротивления от температуры

С повышением температуры сопротивление металлов возрастает. Однако существуют сплавы, сопротивление которых почти не меняется при повышении температуры (например, константан, манганин и др.). Сопротивление же электролитов с повышением температуры уменьшается.

Температурным коэффициентом сопротивления проводника называется отношение величины изменения сопротивления проводника при нагревании на $1°$С к величине его сопротивления при °$С:

Зависимость удельного сопротивления проводников от температуры выражается формулой:

В общем случае $α$ зависит от температуры, но если интервал температур невелик, то температурный коэффициент можно считать постоянным. Для чистых металлов $α=(<1>/<273>)K^<-1>$. Для растворов электролитов $α