Если во время описания опыта следить не только за приборами, но и за самим бареттером, то мы увидим, что по мере возрастания напряжения нить начинает все сильнее и сильнее светиться. Когда напряжение поднимается до 18 в, нить светится уже очень ярко.

-Напряжение

Рис. 2-23. Электрическая характеристика бареттера.

По горизонтальной оси отложены значения напряжения /одной клеточке соответствуют 2 о По вертикальной оси отложены соответствующие значения тока (одной клеточке соответствует ток 0,2 а). Кривая, проведенная на диаграмме, проходит \

через точки, нанесенные в соответствии с данными таблицы Пользуясь этой кривой, можно с достаточным приближением оценить значения тока, соответствующие промежуточным значениям напряжения. Так, например, легко найти, что напряжению 7 в должен соответствовать ток 0,9 а.

При дальнейшем повышении напряжения снова наблюдается довольно значительный подъем тока. Однако подъем напряжения до таких величин уже угрожает целости нити.

Из приведенных данных опыта, а также из диаграммы (рис. 2-23), где жирные точки соответствуют данным опыта, видно, что к бареттеру

неприменим закон Ома

и что электрическая характеристика бареттера уже не выражается прямой линией. Бареттер представляет собой

нелинейный элемент электрической цепи.

Техническое назначение бареттера подсказывается видом диаграммы: последовательное включение бареттера

между источником питания (генератором) и потребителем поддерживает ток неизменным, несмотря на возможные колебания напряжения источника. Бареттеры часто включают последовательно с нитью накала электронных ламп в радиоприемниках.

б

---2Q0

рис. 2-24. Электрическая хярак- /50 теристика нелинейного керами- s ческого элемента.

По горизонтальной оси отложен ток. К ]Q0 По вертикальной-напряжение. При росте напряжения материал резко улуч- о пгает свои провотннковьге свойства При недопустимом подъеме напояжения . элемент как бы замыкает провода на- Т коротко. Его действие похоже на от- [ крывание предохранительного клапана в паровой установке: клапан автоматически открывается пви чрезмерном повышении давления. 4

На рис. 2-24 показана электрическая характеристика другого нелинейного элемента, представляющего собой особым образом обожженную глину, смешанную с углем и другими проводящими материалами. Он применяется для отвода тока при чрезмерном повышении напряжения.

2-1!. ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ

Говоря о законе Ома (§ 2-8), мы подчеркивали требование неизменности таких физических условий, как температура и давление. Дело в том, что обычно сопротивление проводников зависит от температуры:

сопротивление металлических проводов увеличивается с нагреванием.

Для медных проводов увеличение температуры на каждые 2,5° С вызывает увеличение сопротивления приблизительно на 1 % (на одну сотую их первоначального сопротивления), или сопротивление увеличивается на 0,4% при подъеме температуры на 1°С. Те значения удельных сопротивлений, которые были приведены выше, соответствуют температуре 20° С.

Пример 1. Покажем, как можно подсчитать удельное сопротивление при изменении температуры.

Пусть, например, требуется определить удельное сопротивление меди при температуре 45° С.

Мы знаем, что при 20° С оно было равно 0,0178 ом на 1 м длины при сечении 1 лл2. Мы знаем, что каждые 2,5° С оно возрастает на 1%, т. е. на

0,0178

- 700- = 0,000178.

Новая температура превосходит 20°С на 25°С.

Значит, искомое удельное сопротивление на Ю'/о больше чем 0,0178:

0,0178

уд. сопрот. при 45°С = 0,0178 + Ю iqq =0,0196 ом на 1 м при 1 мм2.

Зависимостью сопротивления от температуры часто пользуются для определения температуры медных проводов в электрических машинах.

Этой же зависимостью сопротивления от температуры пользуются для устройства электрических термометров, основанных на измерении сопротивления куска проволоки (часто намотанного в форме спирали), расположенного в том помещении, температуру которого хотят определить.

При таком измерении температуры легко сосредоточить в одном месте наблюдение за температурой разных частей помещения (например, в холодильниках) или разных частей промышленных установок.

При этом можно пользоваться единственным стрелочным измерительным прибором, переводя переключатель в разные положения: при каждом новом положении для измерения включаются проволочные спирали, расположенные, например, на разных этажах холодильника.

Пример 2. Сопротивление обмотки электрической машины при£0°С было равно 60 ом. После часовой работы машины сопротивление обмотки возросло до 69,6 ом. Определить, насколько нагрелась обмотка если при повышении температуры на каждые 10° С сопротивление увеличивается на 4%?

Прежде всего ищем, на сколько процентов увеличилось сопротивление:

69,6 ом - 60 ом

-60--00=16%.

Теперь легко находим, что температура возросла на 40° С, т. е. стала равной 20+40 = 60° С.

Мы знаем, что сопротивление зависит от температуры. Поэтому естественно теперь должны возникнуть два вопроса. 60

Первый вопрос-, не меняется ли сопротивление электрических ламп, когда в них накаляется нить?

Ответ. Да, конечно, сопротивление нити холодной лампы меньше, чем сопротивление в рабочем состоянии. К этому и относилось наше примечание, сделанное в § 2-7.

Второй вопрос: не объясняется ли электрическая характеристика бареттера (§ 2-10) тем, что по мере увеличения тока нить разогревается и возрастает ее сопротивление?

Ответ. Да, именно этим. По мере увеличения тока нить нагревается сильнее и сильнее, ее сопротивление растет, а поэтому для небольшого (почти незаметного) увеличения тока может потребоваться значительное увеличение напряжения.

Заметим только, что очень часто нелинейность характеристики объясняется чисто электрическими явлениями. Так обстоит дело в случае керамического материала, характеристика которого приведена на рис. 2-24.

В ряде измерительных приборов и в специальной аппаратуре часто требуется, чтобы их сопротивление не изменялось с температурой. Для таких изделий разработаны сплавы, сопротивление которых практически не зависит от температуры.

Из таких сплавов чаще всего пользуются манганином и константаном.

Многие проводники заметно изменяют свое сопротивление при их растяжении или сжатии. Это свойство проводников тоже нашло важное техническое применение: в настоящее время часто по изменению электрического сопротивления специально изготовленных элементов судят о давлениях и малых перемещениях, возникающих, например, при нагрузках балок, рельсов, частей машины и т. п.

2-12. ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА И ЗАКОН ЛЕНЦА-ДЖОУЛЯ

Если в цепи есть ток, провода, по которым он протекает, нагреваются.

Нагревание проводов, предназначенных, например, для осветительной сети, должно быть невелико, так как иначе может разрушиться их изоляция и даже произойти пожар. Наоборот, проволока, скрученная в спирали для электрических плиток или кипятильников, должна нагреваться до очень высокой температуры.

Трудно заметить нагревание провода 4 мм2, когда по нему проходит ток 5 а. Но попробуйте пропустить через

Эмилил Христианович Ленц (1804-1865 гг.).

такой провод ток 200 а- провод очень скоро сильно нагреется. Если же взять провод сечением 120 мм2, то нагревание, которое в этом случае будеть производить ток 200 а, также будет очень незначительно.

Но нагревание проводов, хотя бы и слабое, все же обязательно со путствует току.

Чем больше ток в проводах, тем сильнее они греются.

Нагревание проводов током служило предметом исследований акад. Э. X. Ленца (в Петербурге в первой половине прошлого столетия). Независимо от него такие же исследования в Англии проводил Джоуль. Открытый ими закон и получил название закона Ленца-Джоуля:

Количество тепловой энергии, ежесекундно выделяющееся в проводнике сопротивления г, когда по нему проходит ток /, выражается формулой

тепловая энергия время прохождения тока = т0К * т0К X сопротивление.

Так как частное от деления энергии на время равно мощности, то

мощность -ток X ток X сопротивление

или, пользуясь буквенными обозначениями1:

Р = /./-г.

Приведенные формулы показывают, что

при удвоении тока мощность увеличивается вчетверо.

1 Вместо того, чтобы одну и ту же величину писать множителе'-2 раза, т. е. / /, часто пишут /а. Цифра 2, стоящая над обозначение 1 величины, показывает, что величина входит множителем дважды. Вь ражение Я обычно читают так: квадрат тока илн / квадрат.

Конечно, это верно при неизменности сопротивления. Если

вдвое увеличить сопротивление, вдвое увеличится и мощность.

Конечно, при условии неизменности тока.

Для того чтобы мощность оказалась выраженной в ваттах, ток следует выражать в амперах, а сопротивление - в омах.

Обратим внимание на то, что закон Ленца - Джоуля можно было бы вывести из ранее данного выражения:

мощность = ток X напряжение,

если в нем второй множитель, т. е. напряжение, представить как произведение тока и сопротивления (закон Ома):

напряжение = ток X сопротивление.

При помощи закона Ома можно придать закону Ленца- Джоуля и такую форму:

нап ряжениеуСнап ряжение

мощность --

сопротивление

ИЛИ

г г

очень удобную в тех случаях, когда сопротивление г присоединяется непосредственно к сети известного напряжения.

Пример 1. К напряжению {/=200 в приключена лампа с сопротивлением г=800 ом. Определить мощность лампы.

По закону Ленца - Джоуля находим, что мощность равна

t/2 200 вх200 г

что соответствует току

Р = -= 800 ом =50em>

Р 50 вт I = jj 200 в =: 0,25 а-

Пример 2. Электрическая печка состоит из нихромовой проволоки, намотанной на фарфоровый каркас. Когда эта обмотка присоединяется сети напряжением 240 8, печь потребляет мощность 960 sr. Найти, акой ток подводится при этом из сети, а также каковы будут мощ-ость и ток, если напряжение уменьшится в 2 раза, а сопротивление станется неизменным.

Решение. Прежде всего, зная мощность Р - 960 вт и напряжение U = 240 в, легко найдем соответствующий ток:

Л 960 в,п 1 ~ U ~ 240 в = 4 а-

Зная ток и напряжение, мы теперь легко можем найти сопротивление нихромовой обмотки печи по закону Ома:

U 240 в

- 60 ом.

- I 4 а

Предполагая, что сопротивление печи останется таким же и при напряжении, в 2 раза меньшем (120 в), найдем ток, которыл будет подводиться при этом из сети

U 120 в

/ = ---вт;- = 2а. г 60 ом

Мощность печи теперь будет равна:

Р = /.£7 = 2-120 = 240 вт.

Таким образом, мы видим, что уменьшение .напряжения в 2 раза сопровождается уменьшением мощности в 4 раза.

Пример 3. Два нагревательных прибора, имеющих сопротивление один 10 ом, другой 20 ом, присоединены параллельно к сети напряжением 100 в. Найти мощность, т. е. количество тепловой энергии, выделяющееся в первом и во втором приборах за 1 сек.

Решение. По закону Ома находим, что ток в первом приборе равен.

100 в

7= га=10 а'

а во втором

ЮОв

h = тгт;- = 5 а, а 20 ом

откуда мощность первого прибора

Pi = = 10 я-10 а-10 ом= 1 000 вт

и второго

Р2 - 1г-1г-гг = 5 а-5 а-20 ом - 500 вт.

Нетрудно убедиться в том, что если бы эти два прибора были включены последовательно (через них проходил бы одинаковый ток) мощность, выделяющаяся во втором приборе, была бы больше.

Пример 4. Через сопротивление г=20 ом проходит ток 1=5 а Чему равна мощность Р, потребляемая в этом сопротивлении, т. е количество тепловой энергии, выделяющееся в этом сопротивлении за 1 сек?

Решение. По закону Ленца - Джоуля находим: Р = / : / : г = 5 а : 5 а ; 20 ож = 500 джоулей в секунду, ил 500 вт.

2-13. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ И ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Мы уже говорили, что при протекании тока провода нагреваются, но что при правильно подобранных сечениях доводов этот нагрев очень мал. Он, однако, может достичь опасной величины при коротком замыкании проводов, т. е. при непосредственном их соприкосновении. При ,этом в замкнутой цепи тока вместо большого сопротивления приемника оказывается включенным лишь малое сопротивление проводов, вследствие чего (закон Ома!) в такой цепи произойдет заметное увеличение тока (ток короткого замыкания).

Пример. От генератора идут медные провода сечением 35 мм2.

На расстоянии 0,5 км от этих проводов сделана отпайка тоже медным проводом, имеющим сечение 4 мм2. Длина этой отпайки 50 м. Напряжение генераторов 130 в (рис. 2-25).

Найдем, какой ток пойдет по цепи, если на конце нашей отпайки нарушится изоляция между проводами и провода придут в соприкосновение. Иначе говоря, требуется найти,

чему будет равен ток при

коротком замыкании в конце и}зкм

цепи- , Рис. 2-25. Короткое замыкание

Чтобы определить ток, мы в линии

можем воспользоваться законом Ома. Действительно, мы

знаем напряжение генератора (С/ = 130 в) и легко можем подсчитать сопротивление проводов нашей цепи. Общее сопротивление нашей цепи сложится из сопротивления 1 км провода сечением 35 мм2 и из сопротивления 100 м провода сечением 4 мм2 (вычисляя длину проводов, мы учитываем как прямой, так и обратный пути тока). Сопротивление 1 км медного провода сечением 35 мм2 нами уже было подсчитано (§ 2-8), оно равно 0,51 ом.

Сопротивление 100 м медного провода сечением 4 мм2 равно:

0,0178 -= 0,44 ом.

Следовательно, общее сопротивление всей цепи г = 0,51 ом + 0,44 ом = 0,95 ом. По закону Ома находим ток:

U 130 в

0,95 ом

~ 137 а.

Этот ток - ток короткого замыкания - значительно превосходит ту наибольшую величину тока (порядка 25 а), которая может Ротекать по проводам сечением 4 мм\ не вызывая их заметного аагРевания.

Зак. 621 65

Мы убедились в том, что при коротком замыкании то; резко возрастает. Но мы взяли в качестве примера уста новку низкого напряжения и довольно большое сопротив ление проводов (провода небольшого сечения). В мощны; установках высокого напряжения ток короткого замыкания может значительно превосходить 1 ООО а.

Если только цепь тока, в которой произошло короткое замыкание, не будет очень скоро тем или другим способом разорвана, провода сильно нагреются. Иногда провода могут даже расплавиться или же на них может начать гореть изоляция. Кроме опасности таких явлений, при коротком замыкании боль шая мощность будет совершенно бесполезно расходоваться на нагрев проводов.

Поэтому во всех электротехнических установках должно быть

Рис. 2-26. Плавкие вставки.

предусмотрено автоматическое отключение от генератора участка цепи, на котором произошло короткое замыкание.

Плавкие предохранители. Простейшим устройством для такого отключения являются плавкие предохранители. Плавкий предохранитель представляет собой тонкую проволоку (или пластинку с одним или несколькими сужениями- рис. 2-26), включенную в рассечку проводов, как это показано на рис. 2-27.

При протекании ненормально большого тока (ненормально большого для данных проводов) особенно сильно начинают нагреваться именно эти проволоки, так как их сечение всегда берется значительно меньшим, чем сечение предохраняемых проводов. В результате они расплавляются и прерывают цепь тока.

Плавкие вставки для разных сечений защищаемых проводов и для разных потребителей энергии, разумеется, берутся различные. Плавкие предохранители действительна выполняют свою задачу только тогда, когда они правильно 66

0--Г^З

Ллабкив

0-с>т-

Рис. 2-27. Включение плавких предохранителей.

выбраны: плавкая вставка для провода 16 мм2 не будет достаточно защищать провод сечением 4 мм2.

Для прерывания больших токов и при высоких напряжениях плавкие предохранители применяются редко; в этих установках устраивается иного рода автоматическая защита.

2-14. УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВЫХ АМПЕРМЕТРОВ И ВОЛЬТМЕТРОВ

Тепловым действием тока иногда пользуются для устройства электроизмерительных приборов.

Тепловой амперметр (рис. 2-28), основанный на свойстве тока нагревать провода, устроен так: к двум неподвижным зажимам присоединена тонкая проволока. Эта

Рис. 2-28. Тепловой амперметр. Буквой П обозначена пружина.

проволока оттянута книзу шелковой нитью, связанной с пружиной. По пути вта нить петлей охватывает подвижную ось, на которой укреплена стрелка.

Измеряемый ток подводится к неподвижным зажимам и проходит через проволоку (путь тока показан стрелками). Под действием тока проволока немного нагреется. От нагревания она чуть-чуть удлинится, и шелковая нить, прикрепленная к проволоке, оттянется пружинкой. Движение нити повернет ось и сидящую на ней стрелку.

3* 67