Электричество в доме и на даче

Электрические машины и приборы

Чтобы привести в движение любой исполнительный механизм, нужен двигатель, преобразующий какой-либо вид энергии в механическую, а также система механических передач между валом двигателя и исполнительным механизмом. До конца XIX века в промышленности использовали в основном паровые и водяные двигатели. В настоящее время они практически полностью вытеснены электродвигателями.

Применение электродвигателей для привода в движение исполнительных механизмов (бытовой и промышленной аппаратуры) обусловлено рядом их преимуществ перед другими двигателями. Среди этих преимуществ можно отметить возможность изготовления электродвигателей любой мощности, простоту устройства и управления, надежность эксплуатации, возможность автоматизации.

Электрические машины подразделяются на два вида. Те, которые преобразовывают электрическую энергию в механическую, называются двигателями. Машины, трансформирующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами. Действие двигателей и генераторов основано на явлении электромагнитной индукции.

Генераторы переменного тока

Как уже говорилось выше, генераторы преобразовывают механическую энергию в электрическую. Вращающийся ротор генератора расположен в магнитном поле, на его поверхности выполнена обмотка, в которой индуцируется ЭДС. Если к концам обмотки присоединить резистор, то в нем возникнет ток. Это описание принципа действия простейшего генератора переменного тока. Но устройство данного типа электрической машины должно быть намного сложнее, потому что с его клемм берется довольно высокое напряжение. В связи с этим нужно выполнять большое количество витков обмотки и специальным способом соединять их между собой.

Однако при неподвижном индукторе и вращающихся витках эксплуатация генератора становится громоздкой и неудобной. Данное явление происходит потому, что при помощи подвижных контактов весьма проблематично забирать от генератора выработанную энергию, поскольку ток имеет высокое напряжение, из-за которого контакты начинают искрить. В связи с этим в генераторах переменного тока обмотка выполняется неподвижной, а вращается индуктор. Неподвижная часть машины стала называться статор, а подвижная — ротор.

Обычно статор изготавливают из листовой стали. Это делается для того, чтобы погасить вихревые токи. На магнитные полюса ротора устанавливают обмотки, проводящие электрический ток, который подводят к обмоткам через щетки и кольца от внешнего источника тока. Частота тока, вырабатываемого генератором переменного тока, составляет 50 Гц.

Генераторы постоянного тока

Данные машины — это простые индукционные генераторы, имеющие коллектор. Коллектор преобразовывает переменное напряжение на щетках в постоянное.

Асинхронные электродвигатели

Устройство асинхронного электродвигателя основано на вращающемся магнитном поле. Электродвигатель, в котором вращающееся магнитное поле взаимодействует с током в обмотках ротора, выработанным этим же магнитным полем, называется асинхронным (неодновременный). Трехфазные асинхронные двигатели имеют 2 основные части: неподвижную — статор и подвижную — ротор.

Чтобы увеличить вращающий момент двигателя и уменьшить потери энергии, которая тратится на нагрев двигателя, необходимо создать такие условия, при каких токи будут индуцироваться не во всей толще ротора, а только на его поверхности. Для этих целей ротор изготавливают не в виде сплошного цилиндра, а из стальных листов, изолированных друг от друга. Данные листы выполняются с пазами, в которые укладывают медные или алюминиевые прутки. Концы этих прутков впаиваются в кольца. Ротор становится похожим на беличье колесо, вследствие чего этот вид роторной обмотки и назвали именно так — беличье колесо. Из-за такого способа изготовления ротор становится короткозамкнутым. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором — это самый простой электродвигатель, широко применяющийся в промышленности и быту.

Электродвигатель постоянного тока

Простой электрический двигатель служит для превращения электрической энергии в механическую. Его действие основано на движении проводника с током в постоянном магнитном поле. Магнитное поле, в котором вращается якорь такого двигателя, создается при помощи сильного электромагнита, который получает ток от того же источника, что и обмотки якоря. Пока есть электрический ток, якорь будет вращаться. Если на ось якоря посадить шкив или соединить ось якоря с осью какой-нибудь машины, можно вращение якоря использовать для привода этой машины в движение. То есть за счет электрической энергии будет выполняться механическая работа.

Трансформаторы

Трансформатор — это аппарат, при помощи которого переменный ток одного напряжения трансформируется в переменный ток другого напряжения. Устройство трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Трансформатор представляет собой замкнутый стальной сердечник, изготовленный из пластин. На сердечнике укреплены две катушки с обмотками из проволоки, имеющими разное число витков. Обмотки обладают слабым сопротивлением и большой индуктивностью.

Трансформаторы бывают повышающими и понижающими. В первом случае вторичная обмотка имеет большее число витков, во втором — меньшее. Трансформатор является самым оптимальным аппаратом по преобразованию энергии. КПД современных мощных трансформаторов порой достигает 94—99%.

Электрические лампы накаливания

Лампы накаливания предназначены для освещения помещений в темное время суток. Принцип действия ламп основан на свечении нагретых током проводников. Лампа состоит из стеклянной колбы, из которой откачан воздух, и металлического цоколя. Внутри колбы на специальных крючках закреплена нить накаливания, выполненная из тугоплавкого металла (вольфрам, осмий, тантал и пр.) или сплавов тугоплавких металлов. Концы нити накаливания припаяны к двум тонким проволокам. Один наружный конец этих проволок припаян к металлическому цоколю, а другой — к винтовой нарезке. Как правило, нить накаливания разогревается до температуры в 2000° С. Это явление позволяет лампе ярко светиться.

Бывают лампы, имеющие в колбе газ, не поддерживающий горения. Для этих целей обычно применяют азот или аргон. Газ в колбе нужен для того, чтобы нить накаливания как можно дольше не распылялась при разогреве. Это дает возможность поднимать температуру накаливания нити до 2900° С. На каждой лампе имеется соответствующая маркировка, в которую входят цифры, указывающие напряжение лампы и потребляемую ею мощность.

Люминесцентные лампы

В производстве люминесцентных ламп вместо колб используют стеклянные трубки, покрытые изнутри люминофором. С двух концов в трубке имеются вольфрамовые спирали, впаянные в трубку. На спирали нанесена специальная оксидная паста, дающая возможность электронам покидать спирали. Внутри стеклянная трубка заполнена парами ртути и аргоном. Длина и диаметр трубки зависят от напряжения и мощности лампы. Кроме этого, в лампе имеется стартер, представляющий собой ионное реле, выполненное в виде двух электродов, запаянных в наполненную неоном колбу. Один из электродов стартера — биметаллическая пластина.

После того как лампа включена в сеть, между электродами стартера возникает разряд, нагревающий биметаллическую пластину. Нагреваясь, она изгибается и замыкает второй контакт. Ток, проходящий по цепи, нагревает электроды лампы до температуры в 800—1000° С. Биметаллическая пластина в этот момент остывает, выпрямляется, и цепь размыкается. Для того чтобы в момент размыкания цепи между электродами возникла большая ЭДС самоиндукции, создающая электрический разряд в парах аргона и ртути, используется дроссель. Но при всей своей пользе дроссель понижает КПД лампы. Для того чтобы избежать этого, используют конденсатор емкостью от 4 до 8 мкФ. При этом КПД возрастает до 95%.

Для погашения помех в радиоаппаратуре, возникающих в связи с работой люминесцентной лампы, в электрическую цепь включают (параллельно стартеру) конденсатор емкостью 0,06 мкФ. Люминесцентные лампы рассчитаны на напряжение 220 В мощностью 30, 40, 80 и 125 Вт.

Электроизмерительные приборы

Электроизмерительные приборы предназначены для замеров всевозможных электрических величин. Условно их можно разделить на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. В приборах первой группы шкала размечена в тех единицах, которые непосредственно измеряются путем отклонения стрелки. К этой группе относятся амперметры, вольтметры, омметры и пр. В приборах второй группы применяются физические явления, которые перемещают подвижную систему прибора и тем самым создают вращающий момент. Он может быть создан при взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля катушки, а также магнитного поля катушки с током и ферромагнетика и т. д.

В зависимости от того, какой именно физический процесс применен в приборе, их подразделяют на приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, индукционной, термоэлектрической и других систем.

Каждый прибор при замерах имеет свои погрешности. Допущенные погрешности в зависимости от свойств и качества прибора определяют класс точности данного прибора. Класс точности, как правило, указан на шкале или в паспорте прибора. Всего существует 8 классов точности.

Самое широкое распространение имеют приборы, действие которых основано на электромагнитной системе. Данное техническое устройство представляет собой неподвижную катушку, включаемую в цепь. Внутри катушки имеется сердечник, изготовленный из мягкого железа и насаженный эксцентрично на ось, на которой закреплены также указательная стрелка и спиральная пружина.

Пружина создает противодействующий момент и возвращает стрелку в исходное положение при отсутствии тока. Имеется также поршень, двигающийся в воздушном цилиндре. Поршень играет роль демпфера (воздушного успокоителя).

Приборы электромагнитной системы предназначены для измерения силы постоянного и переменного тока. У приборов с железным сердечником, как правило, класс точности невысок. Их применяют для замеров на щитах и при измерениях, не требующих высокой точности. В условиях лабораторий обычно используют приборы с сердечниками, выполненными из сплава железа с никелем.

Положительными качествами такого рода приборов являются пригодность замеров в цепях как постоянного, так и переменного тока, устойчивость к перегрузкам по току, простота изготовления и хорошая механическая прочность. Минусом данных технических устройств считаются неравномерность шкалы, возникновение остаточного намагничивания сердечника, а также зависимость замеров от внешних магнитных полей.

Полупроводниковые электрические приборы

Полупроводниковыми называются приборы, работа которых основана на электронных процессах, возникающих в полупроводниках. В самих полупроводниках обычно свободных электронов очень мало, в связи с этим собственная проводимость невелика. В случае, когда в полупроводники вводятся какие-либо примеси, возникает дополнительная примесная проводимость, которая обуславливает силу тока.

Полупроводники бывают n-типа и р-типа. В полупроводниках первого типа содержатся такие примеси, атомы которых легко отдают свои электроны, тем самым увеличивая число свободных электронов в полупроводнике. В полупроводниках второго типа примеси способствуют образованию дырок, увеличивая дырочную проводимость. То есть можно сказать, что полупроводники бывают с электронной и дырочной проводимостью.

Если изготовить сплав из полупроводников разных типов, то на границе спая образуется р-n-переход. В случае прямого подключения такого полупроводника к электрической цепи (р-тип к положительному полюсу, а n-тип — к отрицательному), его проводимость будет высокой, а сопротивление — небольшим. При обратном включении (р-тип к отрицательному, а n-тип — к положительному) ток будет минимальным из-за большого сопротивления р-n-перехода.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые приборы, преобразующие электрическую энергию и имеющие один p-n-переход и два вывода, называются диодами. Обычно диоды изготавливаются из германия, кремния и арсенида галлия. По назначению их подразделяют на выпрямительные, детекторные, переключательные, стабилизаторы напряжения, или стабилитроны.

Полупроводниковые выпрямители надежны в работе, имеют длительный срок службы. Их большим минусом является то, что они имеют ограничения по температуре, т. е. работают в интервале от —70 до 125° С.

Фоторезистор

Если полупроводник осветить большим количеством света, то его электрическая проводимость возрастет в разы. Это произойдет за счет разрыва связей и образования свободных электронов и дырок. Такое явление называется фотоэлектрическим эффектом. Приборы, действие которых основано на фотоэлектрическом эффекте, называются фоторезисторами, или фотосопротивлениями. Положительными качествами фоторезисторов являются миниатюрность размеров, высокая чувствительность при замерах и т. д. Эти качества дают возможность использовать данные устройства во многих областях науки и техники для учета и измерения слабых световых потоков. Фоторезисторы применяют для определения качества поверхностей, контроля размеров изделий и пр.

Транзистор

Он представляет собой полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Для пояснения принципа работы рассмотрим один из видов транзисторов, изготовленный из германия или кремния с добавлением донорных и акцепторных примесей. Примеси распределены таким образом, что между двумя слоями полупроводника р-типа возникает очень тонкая прослойка полупроводника n-типа (рис. 13).

Рис. 13. Устройство транзистора

Вышеуказанная тонкая прослойка называется основанием, или базой. В полупроводнике образуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Наличие трех выводов от областей с разными типами проводимости дает возможность использовать транзисторы во многих электрических схемах. В настоящее время транзисторы очень широко распространены в радио- и электротехнике.

Тиристор

Он представляет собой полупроводниковое кремниевое устройство, имеющее свойства управляемого вентиля. Тиристор состоит из 4 следующих друг за другом областей с р-n-переходами. Краевой р1-слой подключается к аноду источника тока и называется анодом тиристора. Краевой n2-слой подключается к катоду источника и называется катодом тиристора. Два средних слоя называются базой. Одна из них является управляющим органом тиристора и называется управляющим электродом.

Химические источники тока

К данному типу источников тока можно отнести гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальванические элементы. В таком виде источников тока электрическая энергия вырабатывается за счет химических реакций. Это электротехническое устройство представляет собой емкость, изготовленную из цинка, в которую помещен угольный стержень, обернутый тканевым мешочком. Мешочек, в свою очередь, наполнен смесью угля с оксидом марганца. Роль жидкости в данном гальваническом элементе играет густой клейстер, замешенный на нашатырном спирте. Цинковая емкость поставлена в картонную коробку, залита сверху слоем смолы. В смоле устроено небольшое отверстие, в которое выходят газы, образующиеся в процессе работы элемента. На угольном стержне имеется зажим, служащий положительным полюсом, отрицательный полюс в данном случае — цинковая емкость. Из нескольких таких элементов можно составить батарею. Тогда угольный стержень первого элемента будет подключен к цинковой емкости второго, а второй угольный стержень — к емкости третьего. От цинковой емкости первого элемента и угольного стержня третьего отведены провода, на которых закреплены две металлические пластинки, являющиеся полюсами батареи. Первая пластинка — отрицательный полюс, вторая — положительный.

Аккумуляторы. Гальванические элементы имеют весьма недолгий срок службы. Со временем у них выходят из строя электроды и заканчивается раствор. Все эти материалы приходится заменять новыми. Аккумуляторы наиболее пригодны для этих целей. Они являются накопителями энергии и основаны на принципе обратимости химических реакций. Самыми распространенными считаются кислотные аккумуляторы. Пластины аккумулятора изготавливаются из свинца в виде решеток и покрываются активной массой. Пластины, являющиеся положительным полюсом аккумулятора, представляют собой ряд скрепленных между собой параллельных, поставленных вертикально ребер, которые образуют ячейки. В эти ячейки укладывается активная масса, состоящая из оксида свинца. Отрицательные пластины выполняются в виде свинцовой решетки с ячейками, заполненными активной массой из чистого свинца. В качестве раствора в аккумуляторах используется серная кислота, растворенная в воде. Каждый аккумулятор имеет свой паспорт, в котором указываются предельные значения силы тока при зарядке и разрядке.

К ОГЛАВЛЕНИЮ

---

Ссылки на другие страницы сайта по теме «строительство, обустройство дома»:

Проект F-132-1P