Меню

Трамвайная линия питается постоянным током причем воздушный

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

Kvant. Электрохимия

А так ли хорошо знакома вам электрохимия? // Квант. — 2002. — № 5. — С. 32-33.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

Так как внутреннее строение тел выведывает главным образом химия,
то без нее труден, даже невозможен доступ к их глубинам и
тем самым к раскрытию истинной причины электричества.
Михаил Ломоносов
. мои старые и новые открытия так называемого гальванизма.
проливают новый свет на теорию электричества;
открывают новые пути для химических исследований.
Алессандро Вольта
Химическая сила. прямо пропорциональна абсолютному количеству прошедшего электричества.
Майкл Фародей
Химия испытывает на себе влияние физики, пожалуй, сильней, чем любая другая наука.
Ричард Фейнман

Содержание

  • 1 Вопросы и задачи
  • 2 Микроопыт
  • 3 Любопытно, что…
  • 4 Что читать в «Кванте» об электрохимии
  • 5 Ответы
    • 5.1 Микроопыт

Нет, мы вовсе не изменяем физической направленности нашего «Калейдоскопа». Напротив, стремимся показать, как далеко простирает и физика «руки свои в дела человеческие», в том числе и в химию. Еще важнее подчеркнуть, насколько плодотворен для развития наук бывает их союз, а порой и тесное переплетение, к скольким полезным свершениям он приводит. И одним из лучших примеров может послужить становление электрохимии — области, где иногда невозможно отделить физику от химии. Вспомните, например, на каких уроках вы изучаете в школе электролиз.

Впечатляет даже конспективное перечисление практических достижений электрохимии за ее более чем двухсотлетнюю историю.

Это создание постоянных батарей, аккумуляторов и различных разновидностей гальванических элементов, используемых теперь во всех отраслях техники и в быту. Если бы удалось одновременно включить все те миллиарды химических источников тока, что изготовлены сегодня на Земле, их мощность оказалась бы сравнимой с мощностью всех электростанций мира.

Это получение и очистка цветных металлов методом электролиза, внедрение гальванопластики и гальваностегии, решение проблемы опреснения воды и применение электродиализа для синтеза новых веществ, мониторинг окружающей среды с помощью химических сенсоров и имплантация электрокардиостимуляторов.

Но как бы ни были важны приложения электрохимии, нельзя забывать о той огромной теоретической роли,которую сыграли ее представления в развитии учения об электричестве и строении вещества. На это и хотим обратить ваше внимание при сегодняшнем кратком экскурсе в электрохимию.

Вопросы и задачи

  1. Присутствуют ли в электролитах свободные электроны?
  2. Всегда ли металл при погружении в электролит заряжается отрицательно?
  3. Почему вокруг электролита, например раствора поваренной соли, нет электрического поля, хотя внутри него имеются заряженные частицы — ионы?
  4. К электродам, погруженным в слабый раствор поваренной соли, подвели постоянное напряжение. Как будет меняться сила тока, проходящего через раствор, если в него постепенно подсыпать соль?
  5. Почему безводная серная кислота может храниться даже в железной посуде, а разведенная — только в стеклянной?
  6. Две одинаковые электролитические ванны соединены последовательно. В первой из них находится раствор CuCl, во второй — CuCl2. В какой из ванн на катоде выделяется больше меди?
  7. До каких пор будет продолжаться процесс электролиза медного купороса, если взяты угольные электроды; медные электроды?
  8. Полный ток в электролите складывается из тока положительных ионов и тока отрицательных ионов, движущихся в противоположных направлениях. Почему количество вещества, выделяющегося на катоде, рассчитывается по полному току, а не по току лишь положительных ионов?
  9. В каком случае опаснее браться за электрические провода — когда руки сухие или когда мокрые?
  10. Для чего в гальванотехнике применяют реверсирование, т.е. изменение направления тока?
  11. Через аккумулятор течет ток. Сравните разность потенциалов на клеммах аккумулятора с его ЭДС.
  12. При измерении ЭДС старой батарейки для карманного фонарика вольтметр показал значение, близкое к номинальному, но лампочка от этой батарейки не загорелась. Почему?
  13. Изобразите графически примерное распределение потенциала вдоль замкнутой цепи, изображенной на рисунке, если ε1 >ε2 и r1

Img Kvant K-2002-05-001.jpg

Img Kvant K-2002-05-002.jpg

Микроопыт

Вы можете самостоятельно изготовить простейший гальванический элемент по известному старинному рецепту. Разрежьте лимон острым ножом поперек, стараясь сохранить перепонки, разделяющие дольки. В каждую дольку воткните попеременно кусочки медной и цинковой проволочек, соедините их попарно по кругу и от двух крайних сделайте два вывода («полюса»). Как проверить работоспособность такого элемента?

Любопытно, что…

. вероятно, первыми гальваническими элементами были найденные при раскопках вблизи нынешнего Багдада керамические сосуды, закрытые асфальтовой пробкой с пропущенными через нее железным и медным стержнями. Удивительно, что эти «приборы» заработали и через пять тысяч лет, стоило лишь залить в сосуды морскую воду либо скисшее вино.

. непосредственными предшественниками таких родоначальников электрохимии, как Гальвани и Вольта, были англичанин Пристли, первым применивший электрическую искру для получения азотной кислоты, итальянец Беккариа, схожим путем выделявший металлы из их окислов, и голландцы Дейман и Труствик, также искрой разлагавшие воду. А знаменитый Кавендиш в течение 53 дней непрерывно ставил опыты по воспламенению электрической искрой смеси кислорода и водорода, доказывая скептикам, что при их соединении получается . просто вода.

. изобретатель химического источника электрического тока Вольта, как ни странно, не заинтересовался его применением в химии. Первенство в открытии такого важного явления, как электролиз, принадлежало двум английским любителям естествознания — литератору Никольсону и врачу Карлейлю — после первых же их опытов с вольтовой батареей в 1800 году.

. чтобы ощутить «вкус электричества». Вольта поставил известный опыт: он прикладывал к середине языка золотую монету или серебряную ложку, а к кончику — оловянную пластинку и, соединяя их, чувствовал кисловатый привкус.

. великий изобретатель Дэви, открывший некоторые новые химические элементы и веселящий газ, первым нашедший техническое приложение электролизу, придумавший безопасную рудничную лампу и предложивший способ защиты металлов от коррозии, самой большой своей заслугой считал открытие миру. Майкла Фарадея.

. предшествуя современному определению ампера, базирующемуся на магнитном взаимодействии токов, долгое время международным стандартом единицы силы тока служил эталон, созданный на основе первого закона Фарадея для электролиза, выполняемого с большой точностью.

. чем выше диэлектрическая проницаемость растворителя, тем больше степень диссоциации растворяемых в нем веществ. Поэтому, например, соляная кислота при растворении в воде дает электролит с высокой электропроводностью, а ее раствор в этиловом эфире, у которого проницаемость почти в 20 раз меньше, чем у воды, проводит электрический ток очень плохо.

. исследования электролитов привели ученых к логическому выводу о дискретности электрического заряда. Так, ирландский физик Стоней, опираясь на законы Фарадея для электролиза, высказал идею о дискретности электричества, рассчитал величину заряда одновалентного иона и предложил для него термин «электрон».

. в конце XIX века аккумуляторные электромобили успешно соперничали с тогда еще несовершенными машинами с двигателями внутреннего сгорания. Но сегодня ситуация обратная — несмотря на огромные усилия, задача создания конкурентоспособного электромобиля еще не решена.

. в последние десятилетия традиционные химические источники тока стали активно вытесняться на рынке элементами с использованием лития, обладающими широким температурным диапазоном работоспособности и превосходной — порядка 10 лет и более — сохранностью заряда.

Что читать в «Кванте» об электрохимии

  1. «Занимательный электролиз» — 1997, № 2, с. 40;
  2. «Участок цепи с источником тока» — 1997, № 3, с. 35;
  3. «Эти блуждающие токи» — 1998, № 3, с. 45;
  4. «Горки, электрические токи и Кулон» — 1999, № 1, с. 31;
  5. «Как покупать и как эксплуатировать батарейки?» — 2000, № 2, с. 18;
  6. «Вольта, Эрстед, Фарадей» — 2000, № 5, с. 16;
  7. «Электрические цепи постоянного тока» — 2001, № 3, с. 53.

Ответы

  1. Нет, только ионы и нераспавшиеся молекулы.
  2. Нет. Например, медный электрод при погружении в раствор медного купороса заряжается положительно.
  3. В каждой единице объема электролита находится столько же положительных зарядов, сколько и отрицательных, так что в среднем электролит не заряжен.
  4. Сила тока сначала будет расти, затем останется постоянной.
  5. Безводная серная кислота не является проводником. В присутствии же проводящей разбавленной кислоты, из-за наличия в железе примесей, в растворе могут возникать местные токи, приводящие к коррозии сосуда.
  6. Так как при электролизе через обе ванны пройдет одинаковый заряд, в первой ванне, где находятся одновалентные ионы меди, потребуется вдвое большее количество ионов для его переноса, чем во второй ванне, где валентность ионов меди равна двум. Следовательно, на катоде первой ванны выделится вдвое больше меди.
  7. При угольных электродах электролиз будет идти, пока из раствора не уйдут все ионы меди; при медных — пока не растворится анод.
  8. На месте выделенных в единицу времени на катоде положительных ионов и удаленных от него стольких же отрицательных ионов образуется такое же количество ионов обоих знаков из распавшихся молекул электролита (вследствие нарушения динамического равновесия). Положительные ионы также выделяются на аноде, в результате чего суммарный заряд, перешедший на катод за единицу времени, будет равен полному току.
  9. Влага на руках всегда содержит соли, поэтому является электролитом с хорошей проводимостью и создает хороший контакт между проводами и телом. Вот почему за электрические провода опаснее браться мокрыми руками.
  10. У выступов на поверхности металла напряженность электрического поля больше, чем у гладкой поверхности. При изменении направления тока, когда металл оказывается анодом, выступы растворяются быстрее и поверхность металла выравнивается.
  11. Если аккумулятор разряжается, то разность потенциалов на его клеммах меньше ЭДС на величину падения напряжения на его внутреннем сопротивлении; если заряжается, то разность потенциалов на такую же величину больше ЭДС.
  12. Внутреннее сопротивление старой батарейки велико. Вольтметр потребляет очень маленький ток, поэтому падение напряжения внутри батарейки при его подключении невелико. Но при подключении лампочки оно становится сравнимым с ЭДС, ток через нагрузку падает, и лампочка не загорается.
  13. См. рис.
Читайте также:  Устройства для зарядка аккумулятора при постоянном токе

Img Kvant K-2002-05-003.jpg

Микроопыт

Действуйте по «методу Вольты» — коснувшись выводов языком, вы ощутите характерное пощипывание, будто от чего-то кислого.

Источник

Как получает питание городской и междугородний электрический транспорт

Городской и междугородний электротранспорт стали для современного человека привычными атрибутами его повседневной жизни. Мы давно уже не задумываемся о том, как этот транспорт получает питание. Все знают, что автомобили заправляют бензином, педали велосипедов крутят ногами велосипедисты. Но как же питаются электрические виды пассажирского транспорта: трамваи, троллейбусы, монорельсовые поезда, метро, электропоезда, электровозы? Откуда и как подается к ним движущая энергия? Давайте поговорим об этом.

Как получает питание городской и междугородний электрический транспорт

В былые времена каждое новое трамвайное хозяйство было вынуждено иметь собственную электростанцию, поскольку электрические сети общего пользования еще не были в достаточной степени развиты. В 21 веке энергия для контактной сети трамваев подается от сетей общего назначения.

Питание осуществляется постоянным током относительно невысокого напряжения (550 В), которое было бы просто не выгодно передавать на значительные расстояния. По этой причине вблизи трамвайных линий размещены тяговые подстанции, на которых переменный ток из сети высокого напряжения преобразуется в постоянный ток (с напряжением 600 В) для контактной сети трамвая. В городах, где ходят и трамваи и троллейбусы, данные виды транспорта обычно имеют общее энергохозяйство.

Трамвай

На территории бывшего Советского Союза представлены две схемы электроснабжения контактных сетей для трамваев и троллейбусов: централизованная и децентрализованная. Централизованная появилась первой. В ней крупные тяговые подстанции, оснащенные несколькими преобразовательными агрегатами, обслуживали все прилегающие к ним линии, или линии, находящиеся на расстоянии до 2 километров от них. Подстанции данного типа располагаются сегодня в районах высокой плотности трамвайных (троллейбусных) маршрутов.

Децентрализованная система начала формироваться после 60-х годов, когда стали появляться вылетные линии трамваев, троллейбусов, метро, как то из центра города вдоль шоссе, в отдаленный район города и т. п.

Здесь на каждые 1-2 километра линии установлены тяговые подстанции малой мощности с одним или двумя преобразовательными агрегатами, способные питать максимум два участка линии, причем каждый участок на конце может подпитываться соседней подстанцией.

Так потери энергии оказываются меньше, ибо фидерные участки выходят короче. К тому же если на одной из подстанций случится авария, участок линии все равно останется под напряжением от соседней подстанции.

Контакт трамвая с линией постоянного тока осуществляется через токоприемник на крыше его вагона. Это может быть пантограф, полупантограф, штанга или дуга. Контактный провод трамвайной линии обычно подвешен проще, чем железнодорожный. Если используется штанга, то воздушные стрелки устроены подобно троллейбусным. Отвод тока обычно осуществляется через рельсы — в землю.

У троллейбуса контактная сеть разделена секционными изоляторами на изолированные друг от друга сегменты, каждый из которых присоединен к тяговой подстанции при помощи фидерных линий (воздушных или подземных). Это легко позволяет производить избирательное отключение отдельных секций для ремонта в случае их повреждения. Если неисправность случится с питающим кабелем, возможна установка перемычек на изоляторы, чтобы запитать пострадавшую секцию от соседней (но это нештатный режим, связанный с риском перегрузки фидера).

Тяговая подстанция понижает переменный ток высокого напряжения от 6 до 10 кВ и преобразует его в постоянный, с напряжением 600 вольт. Падение напряжения на любой точке сети, согласно нормативам, не должно быть более 15%.

Троллейбус

Троллейбусная контактная сеть отличается от трамвайной. Здесь она двухпровдная, земля не используется для отвода тока, поэтому данная сеть устроена сложнее. Провода располагаются друг от друга на небольшом расстоянии, поэтому требуется особо тщательная защита от сближения и замыкания, а также изоляция на местах пересечений троллейбусных сетей между собой и с трамвайными сетями.

Поэтому на местах пересечений устанавливаются специальные средства, а также стрелки на местах ветвлений. Кроме того выдерживается определенное регулируемое натяжение, предохраняющее от захлестов проводов во время ветра. Вот почему для питания троллейбусов используются штанги — другие приспособления просто не позволят соблюсти все эти требования.

Штанги троллейбусов чувствительны к качеству контактной сети, ведь любой ее дефект может послужить причиной соскока штанги. Есть нормы, согласно которым угол излома в месте крепления штанги не должен быть более 4°, а при повороте на угол более 12° устанавливаются кривые держатели. Токосъемный башмак движется вдоль провода и не может поворачивать вместе с троллейбусом, поэтому здесь необходимы стрелки.

Во многих городах земного шара с недавних пор ходят монорельсовые поезда: в Лас-Вегасе, в Москве, в Торонто и т.д. Их можно встретить в парках развлечений, в зоопарках, монорельсы используются для обзора местных достопримечательностей, и, конечно, для городского и пригородного сообщения.

Колеса таких поездов изготовлены вовсе не из чугуна, а из литой резины. Колеса просто направляют монорельсовый поезд вдоль бетонной балки — рельсы, на которой находится колея и линии (контактный рельс) силового электропитания.

Некоторые монорельсовые поезда устроены таким образом, что как-бы насажены на колею сверху, подобно тому, как человек сидит верхом на лошади. Некоторые монорельсы подвешиваются к балке снизу, напоминая гигантский фонарь на столбе. Безусловно, монорельсовые дороги более компактны чем обычные железные дороги, но их строительство обходится дороже.

Монорельс

Некоторые монорельсы имеют не только колеса, но и дополнительную опору на основе магнитного поля. Московский монорельс, например, движется как раз на магнитной подушке, создаваемой электромагнитами. Электромагниты находятся в подвижном составе, а в полотне направляющей балки — стоят постоянные магниты.

В зависимости от направления тока в электромагнитах подвижной части, монорельсовый поезд движется вперед или назад по принципу отталкивания одноименных магнитных полюсов — так работает линейный электродвигатель.

Кроме резиновых колёс у монорельсового поезда есть ещё и контактный рельс, состоящий из трёх токоведущих элементов: плюс, минус и земля. Напряжение питания линейного двигателя монорельса — постоянное, равное 600 вольт.

Электропоезда метрополитена получают электричество от сети постоянного тока — как правило, от третьего (контактного) рельса, напряжение на котором составляет 750—900 Вольт. Постоянный ток получают на подстанциях из переменного тока с помощью выпрямителей.

Контакт поезда с контактным рельсом осуществляется через подвижный токосъемник. Располагается контактный рельс права от путей. Токосъемник (так называемая «токоприемная лапа» ) находится на тележке вагона, и прижимается к контактному рельсу снизу. Плюс находится на контактном рельсе, минус — на рельсах поезда.

Метро

Кроме силового тока, по путевым рельсам течет и слабый «сигнальный» ток, необходимый для работы блокировки и автоматического переключения светофоров. Также по рельсам передается информация в кабину машиниста о сигналах светофоров и разрешенной скорости движения поезда метро на данном участке.

Электровозом называют локомотив, движимый тяговым электродвигателем. Двигатель электровоза получает питание от тяговой подстанции через контактную сеть.

Электрическая часть электровоза в целом содержит не только тяговые двигатели, но и преобразователи напряжения, а также аппараты, подключающие к сети двигатели и прочее. Токоведущее оборудование электровоза находится на его крыше или капотах, и предназначено для соединения электрооборудования с контактной сетью.

Электровоз

Токосъем с контактной сети обеспечивают токоприемники на крыше, далее ток подается через шины и проходные изоляторы — к электрическим аппаратам. На крыше электровоза присутствуют и коммутирующие аппараты: воздушные выключатели, переключатели родов тока и разъединители для отключения от сети в случае неполадки токоприемника. Через шины ток подается на главный ввод, к преобразующим и регулирующим аппаратам, на тяговые двигатели и другие машины, далее — на колесные пары и через них — на рельсы, в землю.

Регулировка тягового усилия и скорости движения электровоза достигается изменением напряжения на якоре двигателя и варьированием коэффициента возбуждения на коллекторных двигателях, или подстройкой частоты и напряжения питающего тока на асинхронных двигателях.

Регулирование напряжения выполняется несколькими способами. Изначально на электровозе постоянного тока все его двигатели соединены последовательно, и напряжение на одном двигателе восьмиосного электровоза составляет 375 В, при напряжении в контактной сети 3 кВ.

Группы тяговых двигателей могут быть переключены с последовательного соединения — на последовательно-параллельное (2 группы по 4 двигателя, соединённых последовательно, тогда напряжение на каждый двигатель — 750 В), либо на параллельное (4 группы по 2 последовательно соединенных двигателя, тогда напряжение на один двигатель — 1500 В). А для получения промежуточных значений напряжений на двигателях, в цепь добавляются группы реостатов, что позволяет регулировать напряжение ступенями по 40—60 В, хотя это и приводит к потере части электроэнергии на реостатах в виде тепла.

Читайте также:  Eax66171501 уменьшить ток подсветки

Преобразователи электроэнергии внутри электровоза необходимы для изменения рода тока и понижения напряжения контактной сети до необходимых величин, соответствующих требованиям тяговых электродвигателей, вспомогательных машин и прочих цепей электровоза. Преобразование осуществляется прямо на борту.

На электровозах переменного тока для понижения входного высокого напряжения предусмотрен тяговый трансформатор, а также выпрямитель и сглаживающие реакторы для получения постоянного тока из переменного. Для питания вспомогательных машин могут устанавливаться статические преобразователи напряжения и тока. На электровозах с асинхронным приводом обоих родов тока применяются тяговые инверторы, которые преобразуют постоянный ток в переменный ток регулируемого напряжения и частоты, подаваемый на тяговые двигатели.

Электропоезд

Электропоезд или электричка в классическом виде берет электричество с помощью токоприемников через контактный провод или контактный рельс. В отличие от электровоза, токоприемники электрички располагаются как на моторных вагонах, так и на прицепных.

Если ток подается на прицепные вагоны, то моторный вагон получает питание через специальные кабели. Токосъем обычно верхний, с контактного провода, осуществляется он токосъемниками в форме пантографов (похожих на трамвайные).

Электропоезд

Обычно токосъем однофазный, но существует и трёхфазный, когда электропоезд использует токоприёмники специальной конструкции для раздельного контакта с несколькими проводами или контактными рельсами (если речь идет о метро).

Электрооборудование электрички зависит от рода тока (бывают электропоезда постоянного тока, переменного тока или двухсистемные), типа тяговых двигателей (коллекторные или асинхронные), наличия или отсутствия электрического торможения.

В основном электрическое оборудование электропоездов схоже с электрооборудованием электровозов. Однако на большинстве моделей электропоездов оно размещено под кузовом и на крышах вагонов для увеличения пассажирского пространства внутри. Принципы управления двигателями электропоездов примерно те же, что и на электровозах.

Источник

Трамвайная линия питается постоянным током причем воздушный

Перед решением задачи по электростатике полезно будет нарисовать схему расположения зарядов и силы, действующие на заряды. Следует так же помнить, что напряженность электрического поля есть его силовая характеристика, т.е. — вектор, а потенциал φ электрического поля — энергетическая характеристика, т.е. φ — скаляр. При решении задач на постоянный ток необходимо обратить особое внимание на составление схемы электрической цепи.

Основные законы и формулы


Закон Кулона F=Q 1 Q 2 /(4πεε 0 r 2 )
Напряженность электрического поля:
бесконечно длинной заряженной нити E= τ/(2πεε 0 r)
точечного заряда E= Q/(4πεε 0 r 2 )
равномерно заряженной плоскости E=σ /(2εε 0 )
между двумя равномерно и разноименно заряженными бесконечными параллельными плоскостями E= σ/(εε 0 )
плоского конденсатора E= U/d
создаваемого металлической заряженной сферой на расстоянии r от ее центра E=Q/(4πεε 0 r 2 )
Работа перемещения заряда в электрическом поле
Потенциал поля, создаваемого точечным зарядом φ=Q/(4πεε 0 r)
Связь потенциала с напряженностью поля
Сила притяжения между двумя разноименно заряженными обкладками конденсатора F = εε 0 E 2 S/2 = Q 2 /(2εε 0 S)
Электроемкость:
уединенного проводника C = Q/φ
плоского конденсатора C = Q/ U C = εε 0 S/ d

Электроемкость батареи конденсаторов, соединенных параллельно C = C 1 +C 2 +…+C n последовательно Энергия поля: заряженного проводника W = Cφ 2 /2 = Q 2 /2C = Qφ/2 заряженного конденсатора W = εε 0 E 2 V/2 Объемная плотность энергии

электрического поля W = εε 0 E 2 /2 = ED/2 = D 2 /(2εε 0 ) Сила тока I = dQ/dt Закон Ома для замкнутой (полной) цепи I = E/(R+r) Закон Ома в дифференциальной форме Закон Джоуля-Ленца Q = I 2 Rt = U 2 t/R Сопротивление однородного проводника R = ρl/s Удельная проводимость γ= 1/ρ Зависимость удельного сопротивления от t° ρ = ρ 0 (1+αt)

Примеры решения задач

Пример 7 . Заряд 1нКл переносится в воздухе из точки, находящейся на расстоянии 1м от бесконечно длинной равномерно заряженной нити, в точку на расстоянии 10см от нее. Определить работу, совершаемую против сил поля, если линейная плотность нити 1мкКл/м .

Дано: R 0 = 0,1м; R 1 =1м; Q=10 -9 Кл; ε =1; τ=10 -6 Кл/м

Решение: Работа A внешней силы по перемещению заряда Q из точки поля с потенциалом φ 1 и точку с потенциалом φ 0 равна

A=Q(φ 0 — φ 1 ) (1)

Бесконечная равномернозаряженная нить с линейной плотностью заряда τ cоздает поле напряженностью E=τ /(2ε ε 0 r) . Напряженность и потенциал поля связаны соотношением E = -dφ /dr , откуда dφ = -E dr.

Разность потенциалов на расстоянии r 1 и r 0 от нити

Подставляя (2) в формулу (1) определим работу

A= Qτ /(2πεε 0 )ln r 1 /r 0 = = 4,1· 10 -5 Дж

Ответ: A=4,1· 10 -5 Дж

Пример 8. В медном проводнике сечением 6мм 2 и длинной 5м течет ток. За 1мин. в проводнике выделяется 18Дж теплоты. Определить напряженность поля, плотность и силу электрического тока в проводнике.

Дано: S =6· 10 -6 м 2 ; l= 5м ; t=60c ; Q= 18 Дж; ρ = 1,7· 10 -8 Ом· м

Решение: Для решения задачи используем закон Ома в дифференциальной форме, закон Джоуля- Ленца и формулы сопротивления проводника

j=γ E=E/ρ; Q= I 2 Rt ; R= ρl/S (1), (2), (3),

где j =I/S — плотность тока, E — напряженность поля, γ=ρ -1 удельная проводимость, I – сила тока, t — время; ρ , l, S – удельное сопротивление, длина и площадь поперечного сечения проводника, соответственно.

Из формулы (1), (2), (3) находим

=4,6A/(6·10 -6 )=7,7·10 5 A/м 2

E=jρ=7,7·10 5 A/м 2 · 1,7·10 -8 Ом·м=1,3·10 -2 В/м

Ответ: E=1,3·10 -2 В/м ; j=7,7·10 5 A/м 2 ; I =4,6A

Задачи для самостоятельного решения

101. В вершинах квадрата со стороной 0,1м помещены заряды по 0,1нКл . Определить напряженность и потенциал поля в центре квадрата, если один из зарядов отличается по знаку от остальных.

102. Пространство межу двумя параллельными плоскостями с поверхностной плотностью зарядов +5·10 -8 Кл/м 2 и –9·10 -8 Кл/м 2 заполнено стеклом. Определить напряженность поля: а) между плоскостями, б) вне плоскостей.

103. На расстоянии 8см друг от друга в воздухе находятся два заряда по 1нКл . Определить напряженность и потенциал поля в точке, находящейся на расстоянии 5см от зарядов.

104. Заряды по 1нКл помещены в вершинах равностороннего треугольника со стороной 0,2м . Равнодействующая сил, действующих на четвертый заряд, помещенный на середине одной из сторон треугольника, равна 0,6мкН . Определить этот заряд, напряженность и потенциал поля в точке его расположения.

105. Два одинаковых заряда находятся в воздухе на расстоянии 0,1м друг от друга. Напряженность поля в точке, удаленной на расстоянии 0,06м от одного и 0,08м от другого заряда, равна 10кВ/м . Определить потенциал поля в этой точке и значение зарядов.

106. В поле бесконечной равномерно заряженной плоскости с поверхностной плотностью заряда 10мкКл/м 2 перемещается заряд из точки, находящийся на расстоянии 0,1м от плоскости в точку на расстоянии 0,5м от неё. Определить заряд, если при этом совершается работа 1мДж .

107. Какую работу надо совершить, чтобы заряды в 1нКл и 2нКл , находящиеся в воздухе на расстоянии 0,5м , сблизить до 0,1м ?

108. Заряд — 1нКл притянулся к бесконечной плоскости, равномерно заряженной с поверхностной плоскостью 0,2мкКл/м 2 . На каком расстоянии от плоскости находился заряд, если работа сил поля по его перемещению равна 1мкДж ?

109. Со скоростью 2·10 7 м/с электрон влетает в пространство между обкладками плоского конденсатора в середине зазора в направлении, параллельном обкладкам. При какой минимальной разности потенциалов на обкладках электрон не вылетит из конденсатора, если длина обкладок конденсатора 10см , а расстояние между его обкладками 1см ?

110. Заряд — 1нКл переместился в поле заряда +1,5нКл из точки с потенциалом 100В в точку с потенциалом 600В. Определить работу сил поля и расстояние между этими точками.

111. Конденсатор с парафиновым диэлектриком заряжен до разности потенциалов 150В . Напряженность поля в нем 6·10 6 В/м . Площадь пластин 6см 2 . Определить емкость конденсатора и поверхностную плотность заряда на обкладках (ε парафина = 2,0).

112. Вычислить емкость батареи, состоящей из трех конденсаторов емкостью 1мкФ каждый, при всех возможных случаях их соединения.

113. Заряд на каждом из двух последовательно соединенных конденсаторов емкостью 18пкФ и 10пкФ равен 0,09нКл . Определить напряжение: а) на батарее конденсаторов, б) на каждом конденсаторе.

114. Конденсатор емкостью 16мкФ последовательно соединен с конденсатором неизвестной емкости и они подключены к источнику постоянного напряжения 12В . Определить емкость второго конденсатора и напряжение на каждом конденсаторе, если заряд батареи 24мкКл.

115. Два конденсатора одинаковой емкости по 3мкФ заряжены один до напряжения 100В , а другой до 200В . Определить напряжение между обкладками конденсатора, если их соединить параллельно: а) одноименно, б) разноименно заряженными обкладками.

116. Плоский воздушный конденсатор заряжен до разности потенциалов 300В . Площадь пластин 10см 2 , напряженность поля в зазоре между ними 300кВ/м . Определить поверхностную плотность заряда на пластинах, емкость и энергию конденсатора.

117. Найти объемную плотность энергии электрического поля, создаваемого заряженной металлической сферой радиусом 5см на расстоянии 5см от ее поверхности, если поверхностная плотность заряда на ней 2мкКл/м 2 .

118. Площадь пластин плоского слюдяного конденсатора 1,1см 2 , зазор между ними 3мм . При разряде конденсатора выделилась энергия 1мкДж . До какой разности потенциалов был заряжен конденсатор? (ε слюда = 6).

119. Энергия плоского воздушного конденсатора 0,4нДж , разность потенциалов на обкладках 600В , площадь пластин Iсм 2 . Определить расстояние между обкладками, напряженность и объемную плотность энергии поля конденсатора.

120. Под действием силы притяжения I мН диэлектрик между обкладками конденсатора находится под давление 1Па . Определить энергию, объемную плотность энергии поля конденсатора, если расстояние между его обкладками 1мм .

121. Плотность тока в никелиновом проводнике длиной 25м равна 1МА/м 2 . Определить разность потенциалов на концах проводника (ρ никелин =40,0·10 -8 Ом·м) .

122. Определить плотность тока в нихромовом проводнике длинной 5м , если на концах его поддерживается разность потенциалов 2В (ρ нихром = 110,0·10 -8 Ом·м) .

123. Напряжение на концах проводника сопротивлением 5Ом за 0,5с равномерно возрастает от 0В до 20В . Какой заряд проходит через проводник за это время?

124. Температура вольфрамовой нити лампы 2000 0 С , диаметр 0,02мм , Сила тока в ней 4А. Определить напряженность поля в нити (ρ вольфрам = 5,5·10 -8 Ом·м, α = 5,2·10 -3 K -1 ).

125. На концах никелинового проводника длинной 5м поддерживается разность потенциалов 12В . Определит плотность тока в проводнике, если его температура 540 0 С (ρ никелин =40,0·10 -8 Ом·м, α =10 -4 К -1 ).

126. Внутреннее сопротивление аккумулятора 1Ом . При силе тока 2А его КПД = 0,8 . Определить ЭДС аккумулятора.

127. Определить ЭДС аккумуляторной батареи, ток короткого замыкания которой 10А , если при подключении к ней резистора сопротивлением 9Ом сила тока в цепи равна 1А .

128. ЭДС аккумулятора автомобиля 12В . При силе тока 3А его КПД=0,8 . Определить внутреннее сопротивление аккумулятора.

129. К источнику тока подключают один раз резистор сопротивлением 1Ом , другой раз – 4Ом . В обоих случаях на подключаемых резисторах за одно и тоже время выделяется равное количество теплоты. Определить внутреннее сопротивление источника тока.

130. Два одинаковых источника тока соединены в одном случае последовательно, в другом — параллельно и замкнуты на внешнее сопротивление 1Ом . При каком внутреннем сопротивлении источника сила тока во внешней цепи будет в обоих случаях одинаковой?

Качественные задачи

131. Посередине между двумя равными по модулю и противо-положными по знаку зарядами находится незаряженный проводящий шарик. Если его сместить в сторону одного из зарядов, то останется он на том месте, куда его сместили, или будет двигаться в каком-то направлении?

132. Между вертикально расположенными обкладками плоского конденсатора висит на длинной нити заряженный металлический шарик, причем к одной обкладке он расположен ближе, чем к другой. Как будет вести себя шарик?

133. Два проводящих шарика несут одинаковые заряды. Расстояние между ними нельзя считать большим по сравнению с их диаметром. В каком случае сила взаимодействия между шариками больше — когда они заряжены одноименно или разноименно?

134. Два равных одноименных заряда находятся на некотором расстоянии друг от друга. По каким законам изменяются напряженность и потенциал электрического поля вдоль оси, проходящей через середину расстояния между зарядами в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей заряды?

135. В какой из точек заряженного конденсатора с непараллельными обкладками поверхностная плотность заряда больше?

136. Когда обкладки плоского конденсатора присоединили к источнику ЭДС, они стали притягиваться с силой F . Увеличится или уменьшится сила притяжения, если между обкладками ввести пластину диэлектрика с проницаемостью ε=7 ?

137. Воздушный конденсатор заряжают до разности потенциалов Δφ и заливают маслом. При этом энергия конденсатора уменьшается в ε раз. Почему энергия электрического поля уменьшается?

138. Чем объяснить, что изоляторы линий высокого напряжения вместо белого цвета окрашены в черный цвет?

139. Как изменится емкость конденсатора, если пространство между его обкладками заполнить диэлектриком?

140. Чем объяснить, что в цепи постоянного тока при упорядоченном перемещении зарядов не происходит выравнивание потенциалов в различных ее точках?

141. Можно ли завести автомобиль, используя вместо аккумулятора батарею сухих элементов с той же ЭДС?

142. Можно ли измерить напряжение в осветительной цепи с помощью вольтметра со шкалами до 100 и 150 В ?

143. Три резистора соединены последовательно. Как, не разъединяя цепи, соединить их параллельно?

144.Две лампы разной мощности включены в цепь последовательно. Какая из ламп будет гореть ярче?

145. Участок цепи состоит из трех параллельно соединенных разных сопротивлений. На каком из них выделится больше тепла при прохождении тока?

146. Может ли работать радиолампа с разбитым корпусом в космосе?

147. Почему электрические лампы перегорают в момент включения тока, и редко — в момент выключения?

148. Почему в зимнее время не наблюдается молний?

149. Почему птицы слетают с провода высокого напряжения, когда включают ток?

150. Трамвайная линия питается постоянным током, причем воздушный провод присоединен к положительному полюсу динамо машины, а рельсы — к отрицательному. Почему не наоборот?

Контрольные вопросы

Что такое электрический заряд?

Перечислите свойства заряда?

Как взаимодействуют заряды?

Что такое электрическое поле?

Чем определяется напряженность электрического поля?

Как проводят линии напряженности электрического поля?

Что такое поток вектора напряженности?

Запишите теорему Гаусса.

Является ли электростатическое поле потенциальным?

Дайте определение циркуляции вектора напряженности?

Что такое потенциал электрического поля?

Что такое эквипотенциальные поверхности?

Назовите условия существования электрического тока.

Запишите условие непрерывности.

Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи.

Дайте определение сторонних сил и ЭДС.

Запишите закон Ома для неоднородного участка цепи.

Запишите формулу закона Ома для полной цепи.

Сформулируйте закон Джоуля — Ленца.

Сформулируйте правила Кирхгофа.

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2015

Источник



Трамвайная линия питается постоянным током причем воздушный

Если Вы живете в городе, то, скорее всего, часто встречаетесь с электротранспортом. В этой статье рассмотрим принцип работы, недостатки и преимущества трамвая и троллейбуса с точки зрения электрической части. Возможно, возникали вопросы: «Почему над троллейбусом два провода, а над трамваем один?», «Зачем трамваю ездить по рельсам?».

Электроснабжение транспортного хозяйства бывает двух типов: централизованное и децентрализованное. В первом случае одна мощная подстанция производит питание прилегающей к ней большой контактной сети (целая ветка), разбитой на участки, которые расположены на разном расстоянии от подстанции. Во втором случае каждый участок сети питается от двух или одной маломощной подстанции. На линии возле подстанции размещается изолятор, который разделяет ее на два участка. Это более надежный способ, потому что при выходе из строя подстанции, всегда можно запитать аварийный участок от соседней.

В странах бывшего СССР контактная сеть находится под напряжением 600В постоянного тока .

Рисунок 1 — Электроснабжение трамвая и троллейбуса

Схема электроснабжения трамвая и троллейбуса изображена на рисунке 1. Для того чтобы питать контактную сеть, электрическая энергия проходит ряд преобразований: на электростанции (1) вырабатывается электроэнергия и передается на подстанцию (2), которая повышает напряжение для уменьшения потерь при транспортировке по высоковольтным линиям электропередач ЛЕП (3) на большое расстояние. В городе, на понижающей подстанции (4) происходит уменьшение напряжение до 6 или 10 кВ. Далее кабельными линиями (5) происходит соединение с тяговыми подстанциями (6), в которых и происходит преобразование переменного тока в постоянный с напряжением 600В. Контактная сеть (8,9) запитывается от тяговых подстанций. Номинальное напряжение для токоприемника передвижных составов считается 550В.

На первых трамваях раньше использовался третий рельс – контактный рельс . От него довольно быстро отказались из-за ряда проблем: во время дождя возникали короткие замыкания, а нормальному контакту мешали грязь и опавшие листья. Сейчас для трамваев используется воздушная контактная сеть (один провод). Токоприемник трамвая (пантограф, штанга) расположен на крыше вагона. С помощью него трамвай питается постоянным электрическим током. Рельсы же являются минусом в нашей электрической цепочке.

С троллейбусной контактной сетью немного иначе. Здесь корпус изолирован от соприкосновения с землей (контакт только через резиновые покрышки). Таким образом, контактная сеть состоит из двух проводов, один из которых плюс, а второй – минус (смотри рисунок 2). Но возникает опасность короткого замыкания при появлении контакта между двумя проводами контактной сети. Такое может получится при сильном ветре или падении троллей.

Рисунок 2 — Питание трамвая и троллейбуса

Токосъемник троллейбуса – это обычно штанга. Есть случаи, когда в городе трамваи используют штанговые токоприемники, тогда трамвай и троллейбус могут осуществлять движение по одной контактной сети.

В местах, где размещены изоляторы на контактной сети, а также в местах пересечений линий, для осуществления перекрестного движения, напряжение сети отсутствует. То есть при остановке на данном участке, продолжение движения от сети будет невозможно .

У трамваев есть вероятность, что обратный тяговый ток уйдет в землю, так могут образовываться блуждающие токи, которые плохо влияют на пролегающие вблизи трубы, кабели.

Корпус трамвая постоянно соединен с землей, а вот троллейбус изолирован от нее. Из-за этого в троллейбусе ведется жесткий контроль по утечке тока на корпус. Есть возможность поражения электрическим током при посадке/высадке, когда вы одновременно касаетесь корпуса и земли.

Источник