Меню

Как зависит сопротивление проводников от частоты тока

Зависимость тока и частоты: требования, формула, влияние

Зависимость тока и частотыЧастота электрического тока выступает одним из параметров качества электроэнергии и основной характеристикой режима энергосистемы. Количественно частота в энергосети равна количеству периодов в секунду. Изменение частоты в сети влияет на функционирование и, соответственно, производительность работы потребителей. Также свое влияние оказывает отклонение частоты на работу всей энергосистемы.

Нормируемые требования к показателям

В РФ требования к качеству работы энергосистемы стандартизированы.

В соответствии с ГОСТ 13109-97 частота в энергосистеме должна непрерывно поддерживаться на уровне f = 50 ± 0,2 Гц, при этом допускается кратковременное отклонение частоты до значения ∆f = 0,4 Гц.

Анализируя зависимость силы тока от частоты, можно сделать вывод, что если подключаемая нагрузка имеет чисто активный характер (к примеру, резистор), то в широком диапазоне сила тока от частоты иметь зависимость не будет. В случае достаточно высоких частот, когда индуктивность и ёмкость подключаемой нагрузки будут характеризоваться сопротивлением, сравнимым с активным, то сила тока будет иметь определенную зависимость от частоты.

Другими словами, при варьировании частоты тока происходит изменение ёмкостного сопротивления, изменение которого, в свою очередь, приводит к изменению тока, протекающего по цепи.

То есть при повышении частоты, снижается ёмкостное сопротивление, и повышается ток, протекающий по цепи.

Математическое выражение зависимости будет иметь следующий вид: I = UCω;

Зависимость при учете активного сопротивления будет определяться следующим выражением: I (ω) = UCω √(R2 • C2 • ω2 + 1).

Влияние частоты тока на электроприборы

Далее рассмотрим влияние частоты электрического тока. Увеличение частоты до сравнительно невысоких величин (1 — 10 тыс. Гц), обычно является следствием исключительно повышения номинальной мощности электроаппаратуры, поскольку таким образом возрастает проводимость газовых промежутков. Для измерения частоты в системе используют частотомеры.

Паровая турбина разрабатываются и создаются таким образом, чтобы при номинальной скорости вращения (частоте) обеспечивалась максимальная выходная мощность на валу. При этом уменьшение номинальной частоты является следствием возникновения потерь на удар пара о лопатки с единовременным повышением момента вращения, а повышение частоты — к снижению момента вращения.

Таким образом, наиболее экономичный режим работы достигается при оптимальной частоте.

Помимо этого, работа на пониженных частотах приводит к ускоренному износу рабочих лопаток и прочих частей и механизмов. Снижение частоты оказывает влияние на расход на собственные нужды станций.

Источник

Сопротивление проводников на высоких частотах

На высоких частотах наблюдается неравномерное распределение электрического тока по сечению проводников: плотность тока максимальна на поверхности и убывает по мере проникновения в глубь проводника. Это явление получило названия поверхностного эффекта (Скин-эффект). Приняв для проводящего полупространства направление тока за ось х, нормаль к поверхности за ось z и считая, что распределение остается неизменным вдоль оси х, получим следующее уравнение распределения тока по сечению проводника:

, (2.16)

где j – плотность тока на поверхности; D – глубина проникновения поля в проводник, мм.

Глубина проникновения поля численно равна расстоянию, на котором амплитуда напряженности поля, а, следовательно, и плотности тока уменьшается в е раз по отношению к своему значению на поверхности проводника. Значения глубины проникновения поля D связаны с физическими характеристиками материала выражением

где f – частота поля, Гц; – магнитная постоянная; m – относительная магнитная проницаемость проводника; g – удельная проводимость проводника. В справочной литературе иногда приводятся упрощенные формулы для расчета D, например, для Аl:

В случае сильно выраженного поверхностного эффекта значение тока рассчитывается по формуле

, (2.18)

где П – периметр сечения проводника. Для провода круглого сечения П=pd.

На основании этого вводится понятие эквивалентной площади сечения проводника, занятой током при воздействии высокочастотного поля:

, (2.19)

Поскольку центральная часть сечения проводника почти не используется, активное сопротивление проводника R при прохождении по нему переменного тока больше, чем его активное сопротивление R при постоянном токе. Коэффициент увеличения сопротивления kR определяется по выражению

, (2.20

Для проводников круглого сечения . Для плоских проводников используют специальную характеристику – сопротивление квадрата поверхности Rs, определяемое в омах из выражения , которое показывает, что активное сопротивление Rs плоского проводника бесконечной толщины в случае поверхностного эффекта равно сопротивлению плоского проводника толщиной D для постоянного тока [5].

2.2.4 Свойства материалов в виде тонких плёнок.

Свойства тонких плёнок отличаются от свойств массивных материалов, что связано со следующими факторами:

1) С методом получения тонких плёнок – наращивание из газовой фазы или молекулярного пучка послойно. Процесс наращивания идёт относительно медленно. Материалы металла при этом взаимодействуют с остаточными газами в вакууме. Происходит окисление. Окислы выделяются на границах зёрен и влияют на свойства материала.

2) С адгезионной способностью металлов.У разных металлов наблюдается разная адгезия к диэлектрическим подложкам. Такие металлы как Al, Cu, Ag, Аu – обладают плохой адгезией к диэлектрическим основаниям (адгезия – свойство сцепления). А такие металлы, как Титан, ванадий, Сr, Ni – обладают хорошей адгезией к диэлектрическим основаниям: керамика, стекло, ситалл. Плохая адгезия означает, что материалы высокой проводимости будут отслаиваться от диэлектрического основания, что вызывает нарушение надёжности работы интегральных схем. Поэтому напыление проводников и контактных площадок производится следующим порядком: на диэлектрическое основание напыляют тонкий подслой (

10нм) из материала с хорошей адгезией, а затем на подслой напыляют проводящий слой, затем защитное покрытие. Напыление обычно проводят на подогретую подложку, что улучшает адгезию.

3) Из-за разности температурных коэффициентов линейного расширения диэлектрического основания и напыляемого слоя, неизбежно возникают внутренние напряжения, которые особенно заметны в толстых плёнках (

300¸500мкм). Эти напряжения могут вызвать прогиб основания и плёнки становятся ненадёжными в эксплуатации.

4) В плёночных структурах металл-металл, металлическая подложка могут происходить разные физико-химические процессы, протекающие с большой скоростью при невысокой температуре Т=373К. Эти процессы могут приводить к образованию новых соединений.

Пример: Если Al покрывать золотом, то образуется пурпурная чума AuAl2. Это соединение вызывает разрушение с контактом.

При охлаждении эти сплавы кристаллизуются в виде игл и шипов и это нарушает планарность структуры. Если Al наносится на Si, то даже при низких температурах возможна диффузия Al в Si. Это вызывает изменение проводимости проводникового материала.

5) В тонких плёнках наблюдается отличие удельного сопротивления от удельного сопротивления массивного образца и правило Матиссена для тонких плёнок можно записать в таком виде:

Читайте также:  Как подключить обмотки трансформатора чтобы увеличить ток

Появляется дополнительный механизм рассеяния, связанный с размерным эффектом rl. Он появляется:

а) за счёт рассеяния электронов от границ плёнки, если толщина плёнки сравнима с длиной свободного пробега электронов;

б) за счёт строения плёнки и наблюдается в очень тонких плёнках. Если рассматривать рост тонких плёнок: плёнки имеют островковую структуру. Механизм прохождения тока по таким плёнкам – это туннельный эффект или термоэлектрическая эмиссия. Сопротивление складывается как сопротивление островков и промежутков между ними. Последнее сопротивление промежутков, определяется сопротивлением диэлектрических оснований. В результате результирующее сопротивление плёнки ®rДИЭЛ. Температурный коэффициент r 2017-02-25 ; просмотров: 1112 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Источник

Особенности сопротивления проводников на высоких частотах

date image2014-02-09
views image3918

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

На высоких частотах имеет место неравномерное распределение электрического тока по сечению проводника: плотность тока максимальна на поверхности и уменьшается в глубине проводника. Такое явление называют поверхностным эффектом (скин-эффектом). Неравномерное распределение тока связано с влиянием магнитного поля того же самого проводника. Сцепленный с проводником магнитный поток пропорционален току:

Ф = L . I (4.22)

где L — индуктивность проводника; І — ток

Изменение магнитного потока вызывает появление э.д.с. самоиндукции.

Если ток изменяется по синусоидальному закону, то индуцированная э.д.с. пропорциональна частоте:

Ее направление противоположно электрическому току и тормозит его изменение согласно закону Ленца.

При прохождении электрического тока переменное магнитное поле возникает, как внутри проводника так и снаружи. Потокосцепление будет максимальным для центральной части проводника и минимальным на поверхности. Поэтому э.д.с. самоиндукции максимальна в центре проводника и минимальна на поверхности. Это уменьшает плотность тока в центре проводника. С ростом частоты происходит “вытягивание” тока к поверхности.

Если в проводнике принять направление тока за ось Х, а нормаль к поверхности за ось Z, тогда распределение тока по сечению проводника:

где І — плотность тока на поверхности;

D — глубина проникновение тока в проводник (толщина скин-слоя).

То есть ширина скин-слоя — это поверхностная толщина проводника, за пределами которой плотность тока уменьшается в е раз

Δ = [ 2/ (ωσμμ )] 1/2 (4.26)

где μ — магнитная постоянная

μ — магнитная проницаемость.

σ — удельная электропроводность.

ω — угловая частота поля.

Величина RS для плоского проводника бесконечной толщины определяется из выражения:

, (4.27)

где g удельная проводимость металла.

Выражение (4.23) показывает, что активное сопротивление плоского проводника бесконечной толщины при скин-эффекте RS равно сопротивлению плоского проводника толщиной D для постоянного тока, или что тоже самое, активное сопротивление проводника с экспоненциально убывающим распределением плотности тока равно сопротивлению проводника толщиной D с равномерным распределением тока.

При достаточно больших частотах ток проводит только поверхностный пласт проводника, поэтому его сопротивление значительно выше, чем для постоянного тока. Так, при частоте 50 Гц для меди D @ 1 см, для 1МГц — 80 мкм, для 10 МГц — 30 мкм, 100 МГц — 7 мкм, 1000 МГц — 3 мкм.

Вот почему поверхность СВЧ проводников играет значительную роль. Поверхность СВЧ проводников покрывают серебром, поскольку серебро имеет минимальное удельное сопротивление из всех металлов, а сам проводник делают пустотелым. Кроме того, покрытие серебром способствует защите от коррозии.

Читайте также:  Ток насыщения протекающий через вакуумный фотоэлемент при его освещении

Источник



Главный закон электричества для «чайников»

Подписка на рассылку

  • ВКонтакте
  • Facebook
  • ok
  • Twitter
  • YouTube
  • Instagram
  • Яндекс.Дзен
  • TikTok

Данная статья поможет вам начать понимать основы электрики. Главное, что вы должны усвоить – это закон, который связывает между собой силу тока, напряжение в сети и сопротивление энергопотребителя, подключенного к ней.

электрикСопротивление

Металл, применяемый при изготовлении токопроводящей жилы кабеля или провода, обладает удельным сопротивлением, зависящим от материала. Кроме того, с увеличением длины проводника растет и сопротивление, поскольку электрическому току необходимо преодолеть более значительное «расстояние». Также сопротивление увеличивается, если проводник более тонкий.
Расчет сопротивления осуществляется между точками подключения.

Напряжение

В России напряжение в силовой розетке составляет 230 В, в USB-розетке – 5 В, в аккумуляторе автомобиля – 12 В. В других странах сетевое напряжение может отличаться. Например, в США оно составляет 100-127 В. Увеличение напряжения обеспечивает возможность передавать большее количество энергии.

Напряжение находится, например, между «+» и «-» в обычных батарейках, а также в силовой розетке между входами для вилки.

НапряжениеСила тока

Когда какое-либо сопротивление подключается к напряжению, возникает новая величина – сила тока. При уменьшении сопротивления сила тока всегда возрастает.

Достигнуть низкого сопротивления не так уж и трудно. С этим поможет справиться проволока небольшой длины. С целью ограничения силы тока используют автоматические выключатели. Они бывают разными, например, на 6, 10, 16 А и т.д.

Мощность

Мощность можно вычислить, умножив силу тока на напряжение. Логично, что при делении мощности на напряжение мы получаем значение силы тока.

На большинстве современных электрический приборов указана потребляемая мощность. О напряжении в бытовых силовых розетках мы уже говорили.

Для примера возьмем обычный электрический чайник. Мощность у выбранной нами модели составляет около 2000 Ватт (2 кВт), а напряжение в розетке – 230 Вольт (0,23 кВ). Делим 2 кВт на 0,23 кВ и получаем силу тока, которая равняется примерно 9 Амперам. Теперь идем в щиток и смотрим, что у нас на розеточные группы установлен автоматический выключатель на 16 Ампер. Это означает, что чайник мы можем включить без проблем. А если вам необходимо включить второй такой чайник (или любой другой прибор с такой же мощностью), то лучше не делать этого одновременно.

закон омаГлавный закон электрики

Значение силы тока в бытовых приборах будет увеличиваться пропорционально увеличению мощности, указанной на корпусе устройства. При одном и том же напряжении ток будет больше в том приборе, сопротивление которого меньше. Это можно определить с помощью соответствующих измерений.

Провод небольшой длины обладает относительно малым сопротивлением. Если подключить его к силовой розетке, то значение тока, которое пройдет по нему, будет слишком велико.

Стоит помнить, что сопротивление нагревательных приборов резко возрастает из-за нагревания нити накала.

Если мы говорим об индуктивных нагрузках, то здесь возникает реактивное сопротивление.

Мы рассказали вам о главном законе электричества – законе Ома для участка цепи. Понимание данного принципа поможет вам осознать многие процессы, возникающие в электрике.

Источник