Вследствие чего возникает напряжение на концах проводника

Внутри проводника с током?

Читатель: Я так понимаю, что поле внутри проводника возникает за счет того, что на одном конце проводника с помощью источника тока создается избыток положительных зарядов, а на другом конце – отрицательных (рис. 10.12). Но если провод очень длинный, то каким образом эти заряды могут создать в нем однородное электрическое поле совершенно непонятно. Ведь сила кулоновского взаимодействия убывает по закону F

Автор: Вы правы. Электрическое поле внутри проводника появляется в результате того, что при замыкании цепи почти сразу же на всей поверхности проводника возникает поверхностный за­ряд. Плотность поверхностного заряда постепенно уменьшает­ся по мере удаления от источника тока. Именно этот заряд со­здает электрическое поле, существующее внутри и вне про­водника, на всем его протяжении.

Рис. 10.13

Как же образуется поверхностный заряд на проводнике с током? В первый момент после замыкания цепи электрическое поле появляется только на концах проводника. Оно вызывает смещение электронов в проводнике по всем направлениям. На рис. 10.13 схематично изображена отрицательная клемма К источника тока и сечение присоединенного к ней конца металлического провода. Штрихом показаны некоторые линии напряженности поля клеммы в первый момент после присоединения к ней провода, а стрелками — силы, действующие со стороны этого поля на свободные электроны провода, находящиеся в точках 1, 2, 3, … В результате электрон, находящийся в точке 1, начинает двигаться вдоль оси провод­ника. Электроны 2, 3, 4, 5 смещаются также вдоль проводни­ка, но одновременно перемещаются к его поверхности и скап­ливаются на ней.

Перемещение электронов вдоль провода представляет собой зарождение тока. Перемещение же элект­ронов в направлении к поверхности провода продолжается до тех пор, пока они не достигнут ее и не образуют на проводе по­верхностный заряд (рис. 10.14). Этот поверхностный заряд со­здает достаточно сильное поле в следующем участке проводни­ка. Там процесс повторится: произойдет смещение зарядов вдоль проводника, образование поверхностных зарядов и, зна­чит, создание электрического поля на следующем участке про­водника. Этот процесс будет распространяться со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с), пока вдоль всей по­верхности проводника не появится поверхностный заряд.

Рис. 10.14

Теперь понятно, почему, несмотря на очень малые скорос­ти упорядоченного движения электронов, электри­ческий ток устанавливается почти сразу же после замыкания цепи длиной в сотни километров. Это происходит потому, что через очень малый промежуток времени во всем проводнике и вокруг него возникает электрическое поле.

Закон Ома

Пусть на концах проводника потенциалы равны соответственно j₁ и j₂. Тогда внутри проводника существует электрическое поле, и по проводнику течет ток.

Возникает вопрос: как связаны между собой разность потенциалов (j₁ – j₂) и сила тока I? Впервые эту зависимость установил немецкий ученый Георг Ом в 1826 г. Он проводил свои опыты с проволоками разной длины и толщины, изготовленными из разных металлов. Свои опыты он проводил также при разных температурах.

Читатель: Интересно, а как Ом изменял величину разности потенциалов и как измерял силу тока?

Автор: Источником тока Ому служила термопара, так как хороших батареек в ту пору еще не было. Если спаять концы двух проводников из разных металлов, например из висмута и меди, и нагреть один из спаев, оставляя другойхолодным, то в такой цепи возникает электрический ток.

Этот ток называется термоэлектрическим, а два соединенных разнородных проводника, дающих такой ток, называются термоэлементом или термопарой. Один из сплавов помещался в пламя, это создавало необходимую разность потенциалов. Соединяя последовательно несколько термопар, можно было увеличивать разность потенциалов.

Силу тока Ом измерял с помощью амперметра магнитоэлектрической системы. В основе ее конструкции – рамка с током, которая поворачивается в магнитном поле постоянного магнита тем сильнее, чем больше величина тока, протекающего по рамке. Ом экспериментально установил прямую пропорциональную зависимость между силой тока I и напряжением U = j₁ – j₂:

Эта зависимость справедлива как для металлов, так и для растворов (расплавов) электролитов. Зависимость (1.3) можно записать в виде

Это равенство называется законом Ома для простого участка цепи, т.е. участка цепи, не содержащего источников тока. В формуле (10.4) G – коэффициент пропорциональности, значение которого не зависит от напряжения на концах проводника и силы тока в нем.

Коэффициент пропорциональности зависит от самого проводника и поэтому является его характеристикой, которая называется проводимостью проводника. Чем больше проводимость, тем больше сила тока в проводнике при данном напряжении.

Однако исторически сложилось так, что на практике обычно используют не проводимость, а обратную ей величину

, (10.5)

которую называют электрическим сопротивлением (или просто сопротивлением). Если вместо G подставить в формулу (10.4) R = = 1/G, получим

. (10.6)

Ясно, что чем больше R, тем меньше сила тока при данном напряжении, т.е. тем хуже данный проводник проводит ток. Иными словами, проводник с большим сопротивлением сильно сопротивляется току.

Формула (10.6) представляет собой другую формулировку закона Ома для простого участка цепи: сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению участка.

Из формулы (10.6) следует, что R = U/I, отсюда можем получить единицу измерения сопротивления в системе СИ:

Ом.

1 Ом – сопротивление проводника, в котором при напряжении на его концах 1 В сила тока равна 1 А.

Задача 10.2. Отклонение стрелки вольтметра до конца шкалы соответствует напряжению U₀ = 15 В. При этом через вольтметр течет ток I₀ = 7,5 мА. Найти сопротивление вольтметра и ток, текущий через вольтметр, когда он показывает напряжение U = 5 В.

Ответ: 2,0 кОм; 2,5 мА.

СТОП! Решите самостоятельно: А2–А5, В5, В6.

Источник

Что такое наведенное напряжение и чем оно опасно?

Ремонтные бригады довольно часто сталкиваются с проблемой наличия напряжения в разорванной цепи. Такое явление случается на воздушных линиях, нередко в бытовой электросети. Это так называемое наведенное напряжение, появляющееся на отключенных проводах вследствие воздействия электромагнитного поля, от работающих рядом электролиний.

Для лучшего понимания эффективности защитных мер при ремонте воздушных линий электропередач (ВЛ) рассмотрим более подробно физическую сущность наводки. Это поможет лучше понять механизмы защиты от поражения током, образовавшимся на отключенных проводах.

Определение наведенного напряжения

Официальная терминология наведённым напряжением называет потенциал, опасный для жизни, возникающий в результате электромагнитных воздействий параллельной воздушной линии или электричества циркулирующего в контактных сетях. Этот потенциал является паразитным, порождённым влиянием функционирующей параллельной линией электрической сети и прямо не относится к транспортируемому току. Отсюда и название – наведённое напряжение.

В чем опасность явления?

Наличие в проводах потенциала, наведённого переменным током или статическим электричеством часто невозможно предсказать. В этом кроется главная опасность наводки. На наведённое напряжение не реагируют штатные защитные приборы. На электромеханика, попавшего под действие наводки, будет действовать ток, пока он самостоятельно, либо с помощью напарника не высвободит руку или другую часть тела, соприкоснувшуюся с оголенным проводом.

Если в результате короткого замыкания на ВЛ произойдёт срабатывание защиты, отключающее рабочее напряжение, провода могут оказаться под наведённым током. Опасность также возникает при появлении грозовых разрядов, в т. ч. и междуоблачных.

Обратите внимание: штатная защита не реагирует на напряжения срабатывания, возникшие в результате наводки. Поэтому при отключенной ВЛ – следует применять особые схемы заземления, позволяющие создавать точки нулевого потенциала в конкретной зоне, при обслуживании линий.

Опасность обусловлена поведением наведённого тока. Дело в том, что источником тока является наводка от соседних ВЛ, распространяющаяся по всей длине провода не одинаково. Поэтому поведение таких токов отличается от привычного для нас рабочего электричества.

Наличие штатного линейного заземления не гарантируют безопасности, а наоборот, сопутствует появлению электрического тока в отсоединённых проводах. Как видно на рисунке 1, максимальный ток находится в точках заземления, то есть на заземляющих ножах.

Рис. 1. Значение напряжений между заземляющими ножами

В некоторых случаях целесообразно отключить заземления ВЛ, а для защиты использовать переносные заземления, которые устанавливают с каждой стороны от места повреждения, как можно ближе к точке проведения работ.

Причины возникновения

Для начала рассмотрим физическую картину возникновение наводки, а потом выясним причины явления в различных ситуациях:

Если расположить параллельно два длинных проводника и по одному из них пропустить переменный ток, то на втором возникнет напряжение. Причём проявится электромагнитное влияние и действие электростатической составляющей. Величины электрических потенциалов на неподключённом проводнике зависят от длины, расстояния между проводами, а также от тока нагрузки. Подобные явления происходят и в реально действующих линиях энергоснабжения.

На воздушной линии (ВЛ)

Ток, который создаёт электростатическая составляющая, имеет одинаковый потенциал по всему проводнику: U_э = k×U_в, где U_э – наведённое электростатическое напряжение, k является коэффициентом ёмкостной связи, а U_в – рабочее влияющее напряжение. Очевидно, что наведённое напряжение зависит от разницы потенциалов на проводах параллельно расположенной влияющей линии.

Заметим, что электростатическое напряжение является результатом не только действия расположенных поблизости электромагнитных полей фазных проводов. Любое статическое электричество вызывает такой же эффект. Например, в северных широтах статическую наводку может вызвать полярное сияние, а также, упомянутые выше грозовые разряды (показано на рисунке ниже).

Рис. 2. Статическое напряжение от полярного сияния

Для устранения электростатического потенциала достаточно заземлить провод в любом месте.

Компонент напряжения электромагнитной составляющей, сильно отличается от статического. Потенциал возникает вследствие действия электромагнитных полей, образованных токами проводов фазы. На рисунке 3 показана схема образования наведённого напряжения.

Электромагнитная составляющая наведённого напряжения

Важные особенности электромагнитной составляющей:

Наведённая ЭДС в этом случае вычисляется по формуле:

Здесь M – коэффициент индуктивной связи, L – протяжённость параллельного участка, I – сила тока влияющей линии.

Как видно из формулы, величина напряжения провода фазы не влияет на ЭДС.

В конкретной точке x наведённое напряжение можно вычислить по формуле:

U = – (E*x)/L+ E/2 , где E – ЭДС, L – длина параллельного следования, x – расстояние от точки вычисления напряжения до начала линии.

На схемах, приведённых ниже (рисунок 4), видно как распределяется наведённое напряжение. Обратите внимание, как перемещается точка нулевого потенциала и как она зависит от выбранного способа заземления.

Рис. 4. Схемы распределения наводимого напряжения в зависимости от расположения точек заземления

Из схематических изображений видно, как работа обслуживающего персонала одновременно в нескольких местах отключённой ВЛ может представлять опасность. Ввиду несимметрии токов наведённое напряжение может распределиться таким образом, что нулевые потенциалы сдвинутся за пределы рабочего пространства людей. Вследствие этого ремонтники могут оказаться под опасным воздействием наведённого напряжения.

В электроустановках

Ввиду того, что стационарные электроустановки неразрывно связаны с ВЛ, существует вероятность попадания наведённого напряжения на токоведущие части оборудования. Чаще всего это случается при обрыве нуля.

Особенность электроустановок в том, что там используются изолированные кабели, в которых плотно уложены провода. Хотя длина такой проводки обычно незначительна, однако, наводка в кабеле может иметь существенный потенциал (из-за плотного размещения проводов). Поэтому при работе с электроустановками необходимо обеспечивать защитные меры по снятию опасного наведённого напряжения, использовать средства индивидуальной защиты, отвечающие классу напряжения. Необходимо придерживаться ПУЭ, выставлять ограждения для соблюдения безопасных расстояний к токоведущим частям электроприборов.

В квартире

Наводка в обычной бытовой сети наблюдается при обрыве нулевого провода на входе или на участке воздушной линии. Если поискать индикатором фазу в розетке – он покажет напряжение на каждом из выходов. В действительности же, рабочее напряжение существует на проводе фазы, а на нулевом – наблюдается ток наводки. При устранении неисправности всё становится на свои места.

Поскольку поиск и ликвидация неисправности в квартире проводится при отключенных предохранителях, то тем самым обеспечивается необходимая защита.

В электропроводке

Электропроводка в доме монтируется с использованием двух-, а иногда трёхжильных проводов. Обычно кабели укладываются в короба, откуда выходят разветвления. Если выключатель разъединяет нулевой провод, то при такой укладке в нём неизбежно появится наводка. Возникает напряжение безопасной величины, однако его достаточно для зажигания диодного освещения (выключенные диодные лампы тускло светятся). Проблема решается просто – необходимо на выключателе поменять местами провода фазы и нуля.

Известны случаи, когда для заземления розетки использовался провод трёхжильного кабеля. На этом проводнике всегда присутствует довольно ощутимое наведённое напряжение. Поэтому для заземления используйте отдельный одножильный кабель большого сечения и прокладывайте его как можно далее от проводки с номинальными напряжениями.

Меры защиты

Учитывая то, что наведённые токи могут достигать предельно опасных значений, особенно на участках ВЛ или в электроустановках, при их обслуживании следует применять меры защиты [ 2 ]:

Перед проведением работ на линиях с наводкой устанавливайте переносные заземления с двух сторон повреждённого участка ВЛ на небольшом расстоянии. Заземляйте провода с поверхности земли, используя изоляционные штанги. Выдерживайте расстояния срабатывания защиты заземлений.

На рисунке 5 показано как влияет расстояние от заземления на снижение наведённого напряжения.

Рис. 5. Снижение наведённого напряжения

Измерение напряжения проводите в изолирующих перчатках и ботах, а измерительные приборы располагайте на ковриках или подставках. Используйте только те измерительные устройства, которые предназначены для указанных целей и рассчитаны на измерение в соответствующих пределах. Помните, что штатные защитные приспособления для наведённого тока не предназначены. Нельзя проводить измерения в условиях тумана, осадков, а также при сильном ветре.

Всегда проверяйте наличие фазного тока на всех проводах. Если с помощью прибора УПСФ-10 вы определили линейное рабочее напряжение, то использовать переносное заземление запрещается.

В целях безопасности всегда считайте нулевой кабель таким, что находится под напряжением.

Источник