3 Huvudsakliga effekter på vilka elektroteknik beror

Denna artikel lyfter fram de tre huvudsakliga effekterna på vilka elektroteknik beror. Effekterna är: 1. Magnetisk effekt 2. Uppvärmningseffekt av elektrisk ström 3. Kemisk effekt.

Elektroteknik: Effekt # 1. Magnetisk effekt:

Vi vet från vår erfarenhet att när en elektrisk ström flyter, blir utrymmet omedelbart ett magnetfält. Fig. 3.1 visar här en tvärsektion av en cirkulär ledning ner vilken en elektrisk ström följer.

Den prickade linjen representerar ett cylindriskt magnetfält som innesluter ledaren genom dess längd. Intensiteten hos detta magnetfält och dess utsträckning varierar med strömmen av strömmen som strömmar i tråden.

I själva verket desto starkare är nuvarande, desto bredare och mer intensiv är fältet. Därför är en viktig egenskap hos en elektrisk ström att den kan producera ett magnetfält, och denna egenskap av elektricitet används i praktiken i motorer, transformatorer, reläer, telefoner etc. I själva verket på grund av detta magnetfält och genom elektromagnetisk induktion, är potentiell skillnad i en ledare utvecklad på grund av omvandlingshastigheten för magnetfältet.

e = Blv .................. (jämförelse 3.1)

där e-em i volt.

B - Webers per kvadratmeter.

I - Ledarens längd i meter.

v - Hastighet (rörelse) i meter per sekund.

Elektromagnetisk induktion kan bara ske tills förändringen fortsätter. Det är när denna förändring stannar upphör induktionen också omedelbart.

Faktum är att det finns två tydliga metoder där förutsättningarna för induktion kan uppfyllas:

(1) Genom relativ rörelse mellan ledaren och fältet rör sig antingen ledaren i fältet eller fältet sveper över ledaren; och / eller

(2) Genom att ändra intensiteten i magnetfältet. När en ledare, exempelvis en bit tråd, placeras i ett föränderligt magnetfält, induceras en elektromotorisk kraft, emf i den, och dessa utvecklar en potentiell skillnad mellan dess ändar, såsom förklaras i formel 3.1.

Om en kabel är ansluten till en krets, driver den inducerade emken en ström runt kretsen så länge magnetfältet fortsätter att förändras. Ledaren i vilken emf induceras är nu energikällan för kretsen i vilken den är ansluten så att strömmen flyter från negativ till positiv längs ledaren medan den strömmar från positiv till negativ runt resten av kretsen.

Styrkan hos emf som induceras i tråden beror på hur snabbt det rör sig genom magnetfältet och magnetfältets intensitet. Detta förklaras också av grundformeln 3.1.

Och det betyder att endast en liten emf skulle vara inducerad av en långsam rörelse i ett svagt fält, och på samma sätt skulle en starkare emf framkallas av en snabb rörelse i ett svagt fält eller en långsam rörelse på ett mer intensivt fält. Och också en fortsatt starkare emf skulle induceras av en snabb rörelse i ett intensivt fält. I själva verket är denna mycket grundläggande princip den grundläggande principen för elektroteknik.

Låt oss nu se på ett mycket enkelt sätt på de två viktiga principerna:

(a) Generatorprincip och

(b) Motorprincip.

(a) Generatorprincip:

En generator består av kopparledare som lindas på en armatur som roteras inom ett magnetfält, antingen med en ång- eller vattendriven turbin eller av en förbränningsmotor eller av en elektrisk motor.

När ankaret roterar kontinuerligt, slingras trådarna till det rör sig kontinuerligt genom magnetfältet och en emk induceras ständigt. Därför inducerar varje ledare som rör sig genom fältet en emf som induceras proportionell mot rotationshastigheten och intensiteten hos fältet.

Ledarna i armaturen är anslutna i serie. Om många ledare används, är den potentiella skillnaden som utvecklas i ankaret många gånger den potentiella skillnaden mellan ändarna hos en enda ledare. Därför är hastighet, fältintensitet och antalet ledare i serie i ankaret huvudfaktorer som bestämmer spänningen som levereras av en generator.

Nu, som ankaret roterar, passerar varje lindning växelvis över en nordpol och en sydpol. Genom att tillämpa Fleming's Right Hand Rule som visat i figur 3.2 kan man se att strömriktningen som induceras i en lindning vänds varje gång den passerar över en pol av motsatt polaritet.

Om lindningarna var anslutna direkt till en krets skulle en växelström strömma i den kretsen, som visas i figur 3.3. En växelströmsgenerator kallas en generator.

I denna figur kan vi se att en generator genererar en alternerande emf och skapar en växelvis positiv och negativ terminal. Frekvensen beror på rotationshastigheten; med det enkla, tvåpoliga fältet som visas, är frekvens lika med det antal varv som avslutats av ledarslingan per sekund.

Frekvensen för den genererade spänningen beror på hastigheten vid vilken ledare passerar poler med motsatt polaritet. I figur 3.3 visas ett tvåpoligt fält, men generatorns fält kan ha fler poler.

Ett generatorfält kan ha ett jämnt antal poler; i allmänhet är fyra och sex och åtta poler vanliga. För varje rotationshastighet passerar armaturledarna poler med motsatt polaritet oftare i proportion till antalet poler.

I en tvåpolig maskin passerar varje ledare en nord och en sydpol per revolution, medan i en fyrpolmaskin passerar varje ledare två nord och två sydpoler per revolution.

För en given hastighet har växelströmmen alstrad av en fyrpolig maskin därför dubbelt så stor frekvens som den som genereras av en tvåpolig maskin; en åttonde polmaskin har dubbelt frekvensen av en fyrpolig maskin, och så vidare. Frekvensen bestäms därför av den hastighet som generatorn drivs på och antalet poler i fältet. Detta måste alltid komma ihåg.

Direkt strömgenerator:

När generatorn är skyldig att mata en likström måste en enhet användas för att vrida kopplingen mellan lindningen och resten av kretsen varje gång emellertid riktningen för emk som induceras i lindningen ändras. En sådan anordning kallas en kommutator.

En kommutator är en trumma monterad på axeln av armaturlindningarna. Trummans yta är uppdelad i metallsegment, var och en isolerad från de andra. Fasta kontakter som kallas borstar, anslutna direkt till den externa kretsen, bära på kommutatorns cylindriska yta, så att varje kontakt tar kontakt med metallsegmenten, när trumman roterar.

Armaturlindningen är ansluten till kommutatorns segment så att, oavsett polariteten för den potentiella skillnaden som induceras i armaturlindningen, strömmar strömmen i samma riktning kring den yttre kretsen. I figur 3.4 ser vi en mycket enkel kommutator.

I figur 3.4 (a) rör sig ledaren A över nordpolen och ledaren B rör sig över sydpolen; därför strömmar strömmen från segment B till segment A av kommutatorn, det vill säga från den negativa borsten till den positiva borsten inom armaturen. När ankaret har vridit 180 ° som i fig 3.4 (b) rör sig ledaren A förbi sydpolen och ledaren B rör sig förbi nordpolen.

Generatorfält:

En generator kan arbeta med ett konstant magnetfält, så att antingen permanenta magneter eller fältlindningar (där en konstant energigivande producerar ett konstant magnetfält) kan användas.

De flesta generatorer använder fältlindningar, men permanenta magnetfält används för några små generatorer som endast ger en låg effekt, t.ex. de som används i telefonkretsar. Generatorer som använder ett permanentmagnetfält kallas vanligtvis magnetos.

Roterande fältgenerator:

I vissa alternatorer och AC-magneter vänds de roterande och stationära delarnas roller, den magnetiserade magneten är i ankaret (eller rotorn, som den roterande delen av en AC-maskin kallas). När rotorn körs runt, sveper magnetfältet alla ledare i stationär del av maskinens stator.

Effekten är exakt densamma som om trådens spolar roterades i magnetfältet som illustreras i figur 3.5.

b) Motorprincip:

Ur vår erfarenhet och teoretiska kunskap visste vi att den nära kopplingen mellan elektrisk ström, magnetfält och rörelse inte är begränsad till elströmmen. Denna nära anslutning ger också upphov till motorprincipen, principen för vilken alla elektriska motorer arbetar, dvs som gör det möjligt att omvandla elektrisk energi kontinuerligt till rörelse.

Faktum är att motorprincipen är motsatt av generatorns princip. Om en ledare placeras i ett magnetfält, såsom visas i fig. 3.6 och strömmen strömmar genom den, kommer ledaren att tendera att röra sig över magnetfältet.

Om tråden är monterad på en armatur som är fri att rotera tenderar kraften som verkar på ledaren att rotera rotorn. Och eftersom denna magnetiska åtgärd fortsätter upprepade gånger fortsätter rotorn att flytta, och detta kallas motoråtgärd.

En motor är emellertid byggd på ett sätt som nästan liknar en generator, med ledare som lindas på en armatur och placeras inom ett magnetfält. Strömmen flyter genom armaturlindningen och armaturen roterar. När varje ledare passerar genom magnetfältet håller strömmen som strömmar in sig kraften som vrider ankaret så att ett kontinuerligt vridmoment (som kallas en vridkraft) bibehålls.

Rörelsesriktningen för en strömtransportledning i ett magnetfält kan visas av Flemings vänstra handregel som illustreras i figur 3.7. Precis som generatorer kan leverera antingen växelströms eller likström, så kan motorerna utformas för att fungera antingen från växelström eller likström.

(c) Induktion genom förändring av Field Intensity:

När en ledare hålls stationär inom ett magnetfält som antingen blir starkare eller svagare, induceras en emf i den ledaren. Om ledaren är ansluten till en elektrisk krets strömmar strömmen.

Intensiteten hos en permanentmagnets fält är oföränderlig, så att ingen emf kan induceras i en ledare som är stationär i ett sådant fält. Men intensiteten hos magnetfältet som alstras av en spole kan emellertid ökas eller minskas genom att strömstyrkan i strömmen ändras.

En emf kan därför induceras i en ledare som placeras i ett elektromagnetiskt fält genom att ändra strömstyrkan i strömmen i spolen som alstrar fältet. Emf induceras därför endast när strömstyrkan faktiskt ändras.

Ömsesidig induktion:

Om ledaren i vilken emf induceras är ansluten till en krets som är elektriskt oberoende av den krökta kretsen, strömmar en ström. Strömmen strömmar från negativ till positiv i resten av kretsen. Processen varigenom strömmen kan göras för att strömma i en krets genom att ändra strömstyrkan i en annan krets kallas gemensam induktion.

Styrkan hos emk som induceras beror på hur mycket strömmen som producerar fältet förändras. Ju större förändringshastigheten desto större är den inducerade emf. Den största förändringshastigheten som är möjlig i en likströmskrets uppträder när tillförseln till en spole slås på eller av, eftersom vid dessa ögonblick ändras strömflödet nästan omedelbart från inget till sitt maximala, eller från max till ingenting.

Vid alla dessa tillfällen induceras en mätbar emf i en ledare placerad nära spolen. Om en spole är placerad i ett föränderligt magnetfält och emf induceras separat i varje tur är den totala emf som induceras i spolen större än den som induceras i en enda vändning, eftersom alla varv i spolen är i serie. Efter denna princip kan en spole med ett stort antal varv användas för induktion av en högspänning.

Induktionsspole:

Ömsesidig induktion är principen för induktionsspolen, vilken är en anordning för framställning av impulser vid mycket hög spänning från en lågspänningsförsörjning, såsom visas i figur 3.8. Induktionsspolen består av en primärspole, lindad på en mjuk järnkärna och ansluten till en lågspänningsförsörjning genom en omkopplare.

När matningen är ansluten till primärlindningen genom att stänga omkopplaren, aktiveras lindningen och en mycket hög spänning induceras tillfälligt i sekundärlindningen. På samma sätt när kretsen till primärlindningen är trasig, induceras också en mycket hög spänning i sekundäret, men denna gång verkar den i motsatt riktning.

Den sekundära lindningen av induktionsspolen kan därför göras för att utveckla en impulsföljd med mycket hög potential. Faktum är att med denna mycket enkla princip produceras tändsparks i motorbilmotorer med en induktionsspole som arbetar från bilbatteriet. Den primära kretsen är tillverkad och bruten, i tid med motorns revolution.

Ömsesidig induktion genom växelström:

Den faktiska styrkan hos en växelström förändras kontinuerligt från ögonblick till ögonblick på grund av dess karakteristik. Det magnetfält som produceras av en växelström är därför en ständigt växlande en. Om en ledare placeras inom fältet, kommer en emf kontinuerligt att induceras i den.

Om ledaren är ansluten till en elektrisk krets strömmar strömmen kontinuerligt i den kretsen. Den inducerade strömmen är relaterad till den applicerade strömmen på ett mycket exakt sätt.

Under cykelns första kvartal ökar styrkan hos den applicerade strömmen från noll till maximalt. Fältets intensitet ökar därför från noll till maximalt, och spolens slut "A" har nordpolaritet. En emf induceras därför i ledaren som tenderar att driva ström från vänster till höger.

Frekvensförändringen för fältintensiteten (representerad av kurvens lutning) är störst i början av en cykel och utgår till noll vid den punkt där maximal strömstyrka uppnås. Den inducerade emf som beror på förändringshastigheten är därför högst i början av cykeln och faller till noll vid slutet av cykelns första kvartal.

Under det andra kvartalet av en cykel minskar styrkan hos den applicerade strömmen från max till noll. Liksom i första kvartalet är polariteten av spolens slut A norr. En emf induceras därför igen i ledaren, men den här tiden tenderar att driva ström från höger till vänster.

Under denna kvart av en cykel börjar fältintensiteten förändras vid noll när fältet är mest intensivt och ökar gradvis när intensiteten minskar. Emf i ledaren stiger därför från noll i början av andra kvartscykeln, till ett maximum vid slutet av det andra kvartalet.

Den andra halvan av cykeln följer ett liknande mönster till första halvlek men med alla riktningar reverserade. Under det tredje kvartalet stiger fältet till ett maximum, och änden A av spolen har sydpolaritet. Den inducerade emfen faller från dess maximala till noll och tenderar att driva strömmen från höger till vänster.

Under fjärde kvartalet faller fältintensiteten från maximalt med slutet 'A' hos spolen med sydpolaritet till noll och den inducerade emf stiger från noll till ett maximum, med strömmen strömmande från vänster till höger.

Den emf som induceras i ledaren är därför en alternerande emf av samma frekvens som den applicerade strömmen. Om den applicerade strömmen har sinusvågform, har den inducerade emken exakt samma vågform.

Topparna av det inducerade emfet förekommer exakt en fjärdedel av en cykel efter topparna på den applicerade strömmen, dvs sänker 90 ° bakom den applicerade strömmen. Förmågan hos en växelström att inducera en alternerande emf i en elektriskt oberoende krets genom ett magnetfält ger upphov till transformatorns princip.

Det är viktigt att notera att sinusvågen är den enda vågform som reproduceras exakt genom ömsesidig induktion. Om en växelström med en annan vågform applicerades på spolen, skulle ömsesidig induktion ske som en kontinuerlig process, men vågformen för den inducerade emf skulle inte likna den för den applicerade strömmen.

Självinduktion:

Varje spole, i vilken en ström producerar ett elektromagnetiskt fält själv ligger inom detta fält. Därför induceras en emf i själva spolen närhelst styrkan av strömmen som strömmar i spolen ändras och medför en ändring i fältintensitet. En emf induceras endast i spolen när strömstyrkan ändras.

Faktum är att den inducerade emf faktiskt motsätter sig och fördröjer förändringen av strömstyrkan som inducerar den. Om och när nuvarande ökar tenderar den inducerade emken att förhindra ökningen, motsätter sig emken som appliceras på spolen, och är därför en bakre emf. Om strömmen minskar tenderar den inducerade emfen; att upprätthålla strömmen av ström, utövas i samma riktning som den applicerade emf

När kretsen är trasig inducerar den plötsliga minskningen av ström till noll en stor emf som tenderar att hålla strömmen flyter efter att pausen har uppstått. Faktum är att det är orsaken till gnistan vi ser när strömmen flyter över alla luckor.

Energi i en induktionskrets:

Magnetfältet som skapas av en spole är en energimagasin som matas av den elektriska kretsen; När strömmen strömmar genom spolen ökar också magnetfältets intensitet också.

Några av den energi som levereras av batteriet eller generatorn används för att övervinna den inducerade tillbaka emken, och denna energi passerar in i magnetfältet. Medan strömmen av konstant styrka strömmar i spolen hålls magnetfältet kvar och det håller den medföljande energin.

När strömmen som strömmar i spolen minskas, förlorar magnetfältet intensitet och det ger upp energi. Denna energi returneras till kretsen eftersom den inducerade emf tenderar att fortsätta strömflödet. Effekten av denna returnerade energi kan vara att orsaka en gnista om kretsen är bruten.

Gnista orsakad av utsläpp av energi från en induktiv krets är en potentiell fara under jord i en gruva. Om en sådan gnistning uppträder när explosiv koncentration av branddämpare eller kolstoft är närvarande i atmosfären, är koncentrationen sannolikt att antändas, och en explosion kan mycket lätt uppstå.

Därför måste alla elektriska apparater som används under jorden utformas så att gnistning hindras från att antända eldfukta eller kolstoft. Det här är två metoder för att övervinna faran från gnistning, och dessa beskrivs i kapitel som handlar om Flameproof Equipment och Intrinsically Safe Circuit.

Induktans:

Processen med självinduktion förekommer i varje spole, oavsett om det är en magnetventil eller en mindre eller transformatorlindning, när strömmen av strömmen flyter i den ändras. I varje fall fördröjer den inducerade emken förändringen av strömstyrkan som inducerar den. Effekten av någon spole på kretsen i vilken den är ansluten är snarare som effekten av ett flyghjul på ett mekaniskt system.

Denna egenskap som en spole har att fördröja förändringar inom sin krets kallas dess induktans. Varje krets har viss svag induktans, men för de flesta praktiska ändamål behöver endast induktans av spolar beaktas. En krets som innehåller spolar kallas en induktiv krets.

Induktansen hos en spole beror främst på antalet varv den har. En spole med ett stort antal varv skapar ett starkt magnetfält, så att en relativt stark ryggemf induceras i varje tur. Eftersom alla varv av spolen är i serie, är den totala tillbaka emf som induceras i spolen avsevärd.

En spole med endast några svängningar å andra sidan kan endast producera ett svagt magnetfält och den totala tillbaka emf är bara ett fåtal gånger det med en enkel vridning, så att dess induktans är mycket liten. Induktans påverkas också av andra faktorer, såsom närheten och storleken på varv, och egenskaperna hos någon kärna som spolen kan ha. I allmänhet har emellertid en spole som är utformad för att producera ett starkt magnetfält en hög induktans.

(d) Alternativ strömkrets och självinduktans:

En växelström ändras kontinuerligt, så att i någon spole i vilken en växelström strömmar framkallas emk kontinuerligt. Den självinducerade emf (som en ömsesidigt inducerad emf) är en alternerande emf och den ligger exakt 90 ° bakom inducerande strömkurvorna A & B i figur 3.9 (a).

I början av cykelns första kvartal ökar strömmen snabbast i positiv riktning, så att en maximal emf i den negativa riktningen induceras.

När strömmen stiger till max, minskar dess förändringshastighet och den inducerade emf faller till noll. Under det andra kvartalet av en cykel, medan strömmen i positiv riktning minskar, verkar den bakre emf också i positiv riktning (motverkar strömförändringen, dvs tenderar att hålla strömmen flyter). När förändringshastigheten ökar så ökar den inducerade emf och når ett maximum när det aktuella är faktiskt noll.

Den andra halvan av cykeln är lik den första halvan, men med alla riktningar omvänd. Under tredje kvartalet induceras nuvarande ökningar i negativa riktningar och bakre emf i positiv riktning. När hastigheten av förändring av strömminskningar faller, kommer den inducerade emf att nollas.

I fjärde kvartalet faller strömmen i negativ riktning till noll och emf induceras i negativ riktning. När hastigheten för nuvarande förändring ökar ökar den inducerade emf till ett maximum.

Alternerande Nuvarande beteende:

När en växelspänning appliceras på en induktiv krets och en växelström strömmar, arbetar två alternerande emf-rer samtidigt i samma krets, det vill säga leveransemf och den självinducerade emf

Vid varje ögonblick när de två emf-enheterna arbetar i motsatta riktningar, är den resulterande emf som strävar efter att driva strömmen runt kretsen skillnaden mellan de två emf s på det ögonblicket. Återigen, när som helst när de två emf-enheterna arbetar i samma riktning, är den resulterande emf som strävar efter att driva strömmen runt kretsen summan av de två emf s vid det ögonblicket.

Således när två alternerande emf har sinusvågform opererar tillsammans i en krets, är den resulterande emf alltid en alternerande emf, även av sinusvågform. Emellertid är endast undantag när de två alternerande emf s är lika och exakt i antifas.

Då finns det ingen resulterande emf alls. Om inte de två alternerande emferna exakt är i fas eller i antifas, är den resulterande emf out of phase med både försörjningsemnet och självinducerad emf

I vilken krets som helst enligt Ohms lag strömmar den aktuella strömmen när som helst i proportion till den spänning som faktiskt tenderar att driva ström runt kretsen vid det ögonblicket. Eftersom den spänning som faktiskt tenderar att driva strömmen runt kretsen är då den induktiva strömmen är den resulterande emf, måste en växelström i en induktiv krets vara i fas med en resulterande alternerande emf

Det har visat sig att den självinducerade emf lagrar inducerande ström med exakt 90 °, så att resulterande emf leder följaktligen den inducerade emf med 90 °. Den resulterande emf kan också vara i fas med försörjningsemnet endast om den självinducerade emfen exakt är i fas eller i antifas.

Eftersom den resulterande emf är 90 ° ur fas med självinducerad emf följer det att den resulterande emfen nödvändigtvis inte är i fas med matningsemnet. Växelströmmen som strömmar i kretsen är därför också ur fas med matningsemnet

I fig. 3.9 (b) ovanstående punkter illustreras. Den resulterande emf (krökt) dras i fas med strömmen (kurva A). Den självinducerade emf (kurva B) visas med 90 ° bakom strömmen. Som framgår av diagrammet uppträder topparna av den aktuella cykeln efter toppar i försörjnings-emf-cykeln.

I vilken induktiv krets som helst, växlar växelström bakom växelströmsspänningen i matningen. Relationen mellan ström och matningsspänning i kretsen kan illustreras genom att man ritar kurvorna på båda, med samma axel som i figur 3.10. Mängden med vilken strömmen avhänger beror på mängden induktans och mängden resistans i kretsen.

I en krets ökar ökningen av induktansen eller minskningen av motståndet den aktuella fördröjningen. Omvänt minskar induktansen eller ökningen av motståndet den nuvarande fördröjningen. I det extrema teoretiska fallet av krets som innehåller ren induktans, och inget motstånd alls, skulle strömmen fördröja exakt en fjärdedel av cykeln som är 90 ° bakom matningsspänningen, som visas i figur 30.10 (b).

I någon praktisk krets är det emellertid alltid en viss motstånd (åtminstone ledarnas motstånd) så att strömmen saktar alltid mindre än 90 ° som förklaras i figur 3.10 (c).

reaktans:

När en växelströmsförsörjning är ansluten till en induktiv krets begränsas rms-värdet av den ström som strömmar, oberoende av vilken resistans som helst, genom processen för självinduktion som uppträder. Det är teoretiskt möjligt att anta att en krets, som inte har något motstånd utan endast induktans, kan existera.

Om en DC-potentialskillnad applicerades på en sådan krets skulle det inte finnas någon gräns för styrkan hos likström som skulle strömma. Från den första principen om el vet vi att,

Ström = Spänning / Motstånd,

men eftersom motståndet = 0 ohm,

Ström = Spänning / 0 eller oändlighet.

Om en växelströmsförsörjning var ansluten skulle strömmen begränsas av den självinducerade emfströmmen. Strömmen ligger exakt 90 ° bakom den applicerade spänningen och den inducerade emfen är exakt i antifas med den applicerade spänningen.

Den inducerade emf kan aldrig vara större än den applicerade spänningen, annars kan inducerande ström inte flyta. Storleken på den inducerade emf vid varje ögonblick i cykeln beror på hastigheten av strömförändring vid det ögonblicket. Eftersom den inducerade emf är begränsad är strömförändringshastigheten begränsad, så att maximala och rms-värden för strömmen också är begränsade.

Nu är den faktiska styrkan av strömmen som strömmar i kretsen beroende av,

(a) kretsens induktans och vi vet att, större induktansen, desto större emk inducerade för någon given förändringshastighet av strömmen, och

b) frekvens och vi vet också att ju högre frekvensen desto större är den förändringsgrad som krävs inom cykeln för ett givet rms-värde.

Fig 3.11 illustrerar ovanstående uttalanden. Egenskapen som en spole (eller en induktanskrets som helhet) har att begränsa styrkan hos en växelström som strömmar i den kallas dess reaktans.

Impedans:

Varje praktisk krets som innehåller en spole har motstånd såväl som reaktans, och värdet av en växelström som strömmar i kretsen bestäms av de kombinerade effekterna av de två egenskaperna. Denna kombinerade effekt kallas impedans.

En spole, till exempel, kan konstrueras så att den har en hög induktans men ett mycket lågt motstånd. Om då en DC-potential på säga 100 volt appliceras över den kommer en stor likström att strömma.

Om å andra sidan en växelspänning på 100 volt rms appliceras, kommer spolens reaktans att begränsa växelströmmen till ett mycket lågt värde. Kretsen har därför en hög impedans. En krets som innehåller ett högt motstånd och endast en liten mängd induktans tillåter också att endast en liten växelström strömmar och har lika hög impedans.

Även om impedansen hos en krets som reaktans ensam varierar med frekvensen hos den växlande matningen, är impedansen för en given frekvens relaterad till nuvarande och potentiell skillnad på exakt samma sätt som resistans ensam, dvs.

Eftersom dessa formler exakt är de som anges av Ohms Law, mäts impedansen i ohm. Faktum är att dessa är de grundläggande principerna som alltid kommer att vara nödvändiga för att lösa alla problem med elektroteknik.

Kapacitans:

En kondensator eller kondensator är en elektrisk komponent avsedd för att behålla en specifik elektrisk laddning. Kondensatorer används i elektriska kretsar för många ändamål. I gruvor och industrier används dessa oftast för effektfaktorkorrigering och egen säkerhet.

Faktum är att en enkel kondensor består av två metallplattor som hålls nära varandra men isolerade från varandra som visas i figur 3.12 (a). Isoleringsmaterialen som separerar plattorna är kända som dielektriska.

Om ett batteri skulle anslutas över de två plattorna, så som den visas i figur 3.12 (b) skulle plattan ansluten till batteriets positiva acceptera en positiv laddning, medan plattan ansluten till batteriets negativa skulle acceptera en negativ laddning.

När varje platta laddas upp skapas en potentiell skillnad mellan de två plattorna, som inte kan reduceras på grund av isoleringen mellan dem. Men när den är fulladad är potentialskillnaden mellan de två plattorna lika med potentialskillnaden vid batterinivåerna.

Kapacitansenhet:

Kapacitans kan mätas, och grundenheten är farad. Ett objekt har en kapacitans för en farad om den kräver ett strömflöde av en ampere i en sekund för att ändra dess potential med en volt.

Den grundläggande kapacitansenheten är emellertid alldeles för stor för praktiska mätningar, eftersom ingen någonsin har byggt ett objekt som har en kapacitans på mer än en liten del av en farad. Det har faktiskt beräknats att om en metallboll gjordes med en farads kapacitans skulle den vara många gånger större än jorden själv.

De kapacitansenheter som används för praktiska ändamål är mikrofarad, vilket är lika med en miljondel av en farad; och Pico farad, (eller mikro mikrofarad), som är lika med en miljondel av en mikrofarad. Vi vet emellertid att när en ledare mottar en laddning från en försörjningskälla, indikerar strömmen av ström att energi har överförts för att producera laddningen.

Så länge ledaren behåller den statiska laddningen kan den betraktas som stark elektrisk energi. Energin släpper ut när ledaren släpper ut. Egenskapen att kunna acceptera och behålla en statisk laddning kallas kapacitans.

Kondensatorens kapacitans:

Kapacitansen hos en kondensor är många gånger större än kapacitansen hos plattorna som isolerade föremål. Denna stora kapacitansökning uppstår genom den effekt som de två laddade plattorna har på varandra. Låt oss nu se vad som händer när kondensorn börjar ladda upp, en platta får en negativ laddning, medan den andra köper en positiv laddning.

Den positivt laddade plattan tenderar att locka en ytterligare negativ laddning mot den negativa plattans motstående yta, och på liknande sätt lockar den negativt laddade plattan en ytterligare positiv laddning till den positiva plattan. Effekten är strömmen fortsätter att flöda som laddningar koncentrera eller kondensera (i själva verket kom namnskondensorn på grund av kondensering av laddning) motsatt varandra på plattans ytor.

Koncentrationen av laddningar motstående varandra på detta sätt kallas elektrostatisk induktion. Dess effekt är att motsätta sig skapandet av en potentiell skillnad mellan plattorna, eftersom de avgifter som dragits på plattorna tenderar att neutralisera varandra.

När en kondensor laddas upp dras det mesta av laddningen till plattorna på motsatta ytor där den neutraliseras och endast en mycket liten del är tillgänglig för att skapa potentialskillnaden mellan plattorna.

Således måste en stor mängd laddning tillföras kondensorns plattor för att ge en liten potentiell skillnad mellan plattorna, dvs kondensatorns kapacitans är stor.

En kondensor med en kapacitans av 10 mikrofarad är lätt konstruerad, vars plattor när de är separerade, har en kapacitans som är ovärderligt liten. Faktum är att en kondensators faktiska kapacitans beror på ett antal faktorer.

De viktigaste faktorerna är:

(i) Totalt areal av plattor:

Eftersom de neutraliserade laddningarna i kondensatorkoncentraten på plattornas motsatta ytor är den mängd laddning som kan absorberas och neutraliseras beroende av ytan av ytan som är direkt motsatt varandra.

The greater this area, the greater is the capacitance of the condenser. In practice, large plate areas are accommodated by rolling the plates into a coil, by building up banks of plates, alternately positive and negative.

(ii) Distance between plates:

The force of electrostatic induction exerted between the plates increases as they are brought closer together. The nearer the plates, therefore, the greater is the amount of charge which can be concentrated on their surfaces and neutralized, and the larger is the capacitance of the condenser.

The dielectric between the plates must be thick and electrically strong enough to withstand the voltage applied across it, otherwise the whole thing will fail much, much earlier.

(iii) Property of the Dielectric:

A simple condenser, such as that illustrated in Fig. 3.12(a), may have air as its dielectric. Some solid dielectrics, such as mica, waxed paper, or insulating oil give a condenser of similar dimensions a greater capacitance. The reason for this is that the charge on the plates tends to induce charges on the surface of the dielectric with which they are in contact.

The surface of the dielectric in contact with the positive plate acquires a negative charge and vice-versa. The charges on the surfaces of the dielectric, therefore, act as an additional neutralizing force against charge on the surfaces of the plates, so that the condenser must absorb still more charge to establish a given potential difference between the plates.

(e) Condensers in Direct Current Circuit:

Since there is no electrical connection between the plates of a condenser, a direct current circuit cannot be completed through it. If a condenser is connected across a battery in series with a lamp, no circuit is completed, and the lamp will not operate. However, if the condenser is not charged when the connections are made, a current will flow in the conductors until the condenser is charged.

If the charging current were strong enough, the lamp would flash on momentarily. Although no current flows through the dielectric of the condenser, for the brief period while the condenser is charging, current flows as though a circuit were completed through it. The strength of the current is greatest at the moment when the battery is first connected, but it rapidly falls off as the charge on the condenser builds up.

When the full potential difference between the plates is achieved, the flow of current ceases. The flow of current indicates that the battery has supplied electrical energy to the condenser. This energy is now stored in the charge. If the battery is disconnected, the condenser remains charged and retains its store of electrical energy.

If a connection is now made between the two plates, a current flows from the positively charged plate to the negatively charged plate until the condenser is discharged, and the two plates are at the same potential. This flow of current is again greatest when the connection is first made and rapidly falls off as the potential difference decreases.

Condenser and ac Circuit:

The effect of condenser on an alternating current circuit is quite different from its effect on a direct current circuit. Please look into the Fig. 3.13. The polarity of the alternating current supply is continually reversed, so that the condenser cannot retain a static charge, as it does in a direct current circuit.

When the alternating current supply is first connected, the first cycle begins by boiling up a potential difference across the plates of the condenser. As when a direct current source is first connected, a current flows momentarily and rapidly falls off as the voltage between the plates rises. At the end of a quarter of a cycle, the voltage has reached a peak, and the current has stopped flowing.

During the second quarter of the cycle, the voltage of the supply is decreasing. When the voltage of the supply has fallen to a lower value than the potential difference between the plates of the condenser, the condenser begins to discharge.

As the condenser discharges, current begins to flow in the opposite direction to that of initial current. Since the voltage of the supply still opposes the discharging current, the discharge current is at first very small: It reaches a maximum value only when the supply voltage is at zero.

Then, when the second half begins, current continues flowing in the same direction and the condenser begins to charge with a reverse polarity. At the end of the third quarter cycle, voltage again reaches a peak and current ceases to flow. During the fourth quarter of the cycle, the condenser begins to discharge again, the discharge current flowing in the same direction as the first charging current.

When an alternating supply is connected to a condenser, an alternating current actually flows in the conductors connecting the source of supply to the plates of the condenser. Although no current actually flows through the dielectric between the plates, the circuit behaves as though it were complete, and, for practical purposes, a condenser may be regarded as allowing an alternating current to flow through it.

Now again from Fig. 3.13 we can show that an alternating current circuit cycle would occur when the voltage is at zero, and vice versa. The current cycle therefore leads the voltage cycle by 90°.

However as we know that any practical circuit necessarily contains some resistance as well as capacitance, the current never actually leads the voltage by a full 90°. The actual amount by which the current cycle leads the voltage cycle depends upon how much resistance and how much capacitance the circuit contains. The vector diagram in Fig. 3.13 explains the above statements vectorially.

Capacitance Reaction and Impedances:

When an alternating voltage is applied across a condenser, the strength of the alternating current which flows is determined by the capacitances of the condenser. For any given voltage a condenser of a large capacitance absorbs a large amount of charge, so that a heavy current flows.

But a condenser of small capacitance absorbs a small amount of charge, so that only a small current flows. The property which a condenser has of limiting alternating current is called capacitive reactance.

The capacitance and resistance of a circuit together offer an impedance to the passage of alternating current. As with inductive impedance, for any given frequency, capacitive impedance is related to alternating voltage and current in exactly the same way as pure resistance. Impedance is therefore also measured is ohms.

The impedance of a capacitive circuit varies with frequency of the alternating supply. The higher the frequency of the supply, the lower is the impedance of circuit. When the frequency of the supply is increased, the rate at which the condenser must be charged during each half cycle is also increased so that a heavier current must flow.

Unless otherwise stated, the impedance of capacitive circuit is always measured at 50 c/s, USA (and the countries influenced by USA system) has their frequency as 60 cycles per second.

Comparison of Capacitance & Inductance:

The effect of a condenser on an alternating current circuit is in many ways the reverse of the effect of a coil.

The effect of capacitance and inductance are compared as below:

Capacitance of Circuit Conductor:

Every electrical circuit has a certain amount of capacitance irrespective of whether a condenser is connected into it. It is not usually possible to calculate what the capacitance of a circuit will be, and the capacitance of many circuits is too small to be measured, but the capacitance of a power circuit may be large enough to present a danger if its effects are not guarded against.

Therefore it is always advisable to discharge the power circuits to earth ever after they are switched off, before working on the line.

The cable conductors, switchgear connections, and motor windings of, for example, a coalface circuit contains a considerable amount of metal connected together. This mass of metal has, of itself, a certain capacity for retaining a charge of electricity.

It is, however, surrounded by the earth screen of the cable and the metal casings of the motor and switchgear. The casing and the conductors together act as a condenser, so that the capacitance of the metal parts of the circuit is greatly increased.

Now when the supply is switched off from the motor after it has been working, the metal parts of the circuit could retain a charge of electricity for a time even though the current is not flowing. The electrical energy contained in the charge would be very little compared with the energy carried by the system when working, but it could be sufficient to give anyone touching a conductor in the circuit a severe shock.

Further, the accidental discharge of the conductor when exposed could cause a spark which might ignite any fire damp present in the atmosphere. It is, therefore, possible to receive a severe shock or produce an incendive spark from a conductor even though the conductor is isolated from the source of supply.

In order to eliminate the danger of shock or sparking from a charged conductor, isolator switches are usually provided with an 'earth' position which enables all the conductors isolated by the switch to be connected directly to earth, so that they can be discharged.

It is therefore must, and important when working on any high or medium voltage electrical equipment, to ensure that any conductor to be exposed have been both isolated and discharged before any cover is removed. Conductors should be connected directly to earth for at least one minute in order to ensure that these are fully discharged.

Electrical Engineering: Effect # 2. Heating Effect of Electric Current:

Whenever an electric current flows it meets with resistances. If the current is flowing in a good conductor, such as copper, the resistance is very slight, but some other materials which conduct electricity offer much more resistance. Whenever an electromotive force drives a current round an electric circuit, energy is expended in overcoming the resistance in the circuit.

The electrical energy expended is given out in the form of heat. The amount of heat produced at any point in an electric circuit depends upon the resistance of the material of which the circuit is made at that point, and upon the strength of the current flowing.

Some heat is produced at every point of every circuit in which current is flowing, but throughout most of the circuit, eg the cables, the amount of heat produced is normally very small and is readily dispersed.

Some parts of a circuit have higher resistance than the rest and, in these parts, more heat is- produced. For that reason, electric motors, generators, transformers and other equipment, have to be cooled while in operation.

Similarly, a bad connection in a circuit eg a poorly made plug, offers a higher resistance, and excessive heat may be produced at that point. The heating could be sufficient to damage the equipment and possibly start a fire.

However, the heating of an electric current is used in electric light bulbs and electric fires. In an electric light bulb current passing through a fine wire produces sufficient heat to raise the temperature wire very high so that it glows brilliantly. This useful aspect of electricity is explained and illustrated in the chapter dealing with Electric Lighting.

Electrical Engineering: Effect # 3. Chemical Effect:

Some liquids also conduct electricity, but when they do so, some chemical reactions occurs. Fig. 3.14 illustrates how such liquids conduct electricity.

A potential difference is applied across the liquid by connecting a source of energy to two solid conductors (called electrodes) immersed in the liquid. The positive electrode is called the anode and the negative electrode is called the cathode. The liquid is called the electrolyte, and the process by which a liquid conducts electricity is called electrolysis.

Most conducting liquids consist of a solution of solid (eg washing soda, or copper sulphate) or liquid (eg sulphuric acid) in water. When the substance dissolves it splits chemically into two electrically charged parts, called ions.

One ion consists of positively charged particles whilst the other consists of negatively charged particles. In its normal state, the solution is electrically neutral, because the negatively and positively charged ions completely neutralize one another.

When a potential difference exists between the electrodes, the positively charged ions (cations) are attracted towards the cathode and the negatively charged ions (anions) are attracted towards the anode. In this way, a two way flow of ions is set up in the liquid. This movement of ions constitutes the passage of current through the liquid.

When the ions reach the electrodes they lose their electric charge and are released, either as a gas, or as a coating on the electrode. Some ions, however, are incapable of existing independently as substances, and they therefore combine chemically with the material of the electrode.

Ett exempel på användningen av den kemiska effekten av en elektrisk ström är kopparelektroplätering. En kopparanod nedsänktes i en lösning av kopparsulfat. Varje metallobjekt nedsänktes i denna lösning när katoden blir pläterad med koppar när en ström flyter genom lösningen. Kopparsulfatet delas kemiskt i en kopparjon (positiv) och en negativ sulfion (sulfatdelen av kopparsulfatet).

Kopparet lockas till och deponeras på katoderna, sulfonerna lockas till anoden där det kombineras med koppar och återskapar kopparsulfat. Den övergripande effekten är att koppar överförs från anoden till katoden, varvid elektrolyten faktiskt förblir oförändrad.

Den elektriska strömens kemiska effekt uppträder ofta i kollier, där elektrolys orsakar korrosion av elektrisk apparat, t.ex.

Surt minvatten från elektrolyten och, i händelse av en liten strömmande ström som läcker till jorden från apparaten, sker kemisk verkan mellan utrustningsvattnet och metallen. Det noteras också att processen med elektrolys kan reverseras.

En kemisk verkan mellan en elektrolyt och två elektroder kan producera en elektrisk ström. Generering av el genom kemisk åtgärd är batteriets princip, vilket också har förklarats och illustrerats i kapitlet om batterier.

Genomförande av gaser:

Gaser och ångor, som vätskor, leder även el genom ett tvåvägsflöde joner. Neon är ett exempel på att leda gas, ångor som leder elektricitet inkluderar kvicksilverånga och natriumånga. Gasen eller ångan innehåller vanligtvis i ett hölje, såsom ett glasrör, från vilken luft först har uttömts.

Två elektroder, en anod och en katod förseglas i höljet. När en tillräcklig potentialskillnad appliceras över elektroderna, är gasen joniserad, och de positiva och negativa jonerna lockas respektive till katoden och anoden, så att gasen börjar åstadkomma.

Tvåvägsflödet av joner medför att vissa gaser och ångor avger en strålande glöd medan de utförs. För varje gas eller ånga finns emellertid en viss minimispänning som måste appliceras över elektroderna innan jonisering börjar.

Under denna spänning produceras inga joner och gasen utför inte alls. Den minsta spänningen vid vilken en gas eller ånga kommer att leda kallas dess slagspänning. Genomförande av gaser och ångor används i vissa typer av belysning och för en form av likriktare. Vissa tillämpningar för att leda gaser i industrin visas i kapitlet om elektrisk belysning.