Распределение электрического тока по проводнику.
Статья будет конкретная, с теоретическими выкладками и формулами. Кому не интересно, что откуда и почему, советую перейти сразу к Таблице 2 – Выбор сечения провода в зависимости от тока и падения напряжения.
И ещё – расчет потерь напряжения на длинной мощной трехфазной кабельной линии. Пример расчета реальной линии.
Итак, если взять неизменной мощность, то при понижении напряжения ток должен возрастать, согласно формуле:
При этом падение напряжения на проводе (потери в проводах) за счет сопротивления рассчитывается, исходя из закона Ома:
Из этих двух формул видно, что при понижении питающего напряжения потери на проводе возрастают. Поэтому чем ниже питающее напряжение, тем большее сечение провода нужно использовать, чтобы передать ту же мощность.
Для постоянного тока, где используется низкое напряжение, приходится тщательно подходить к вопросу сечения и длины, поскольку именно от этих двух параметров зависит, сколько вольт пропадёт зря.
Электрическое поле проводника с током. Физика 10-11 класс. Мякишев
- Для круглой сплошной медной проволоки с диаметром 2 мм, что соответствует S = 3,15 мм², полученное сопротивление на частоте 100 кГц, по сравнению с таким же значением для частоты 32 кГц, возрастает в 1,5 раза;
- Для проводника с d = 0, 2 мм удвоение сопротивления происходит только на частоте 10 мГц.
Практическое использование скин-эффекта.
Распределение плотности тока в проводнике в зависимости от частоты тока позволяет по одному проводу передавать электрические сигналы разных частот. Сигналы более высокой частоты проходят по внешнему радиусу (большему) проводника, а сигналы меньшей частоты по меньшему радиусу. Получается нечто вроде слоенного пирога
цилиндрической формы, где начинка распределяется сферически. Каждый вид начинки — это как бы отдельная частота тока.
При передачи высокочастотных сигналов, в целях экономии цветного металла, основной несущий провод изготавливают из дешевого стального сплава, который затем покрывают тонким слоем меди
. Благодаря скин-эффекту ток протекает практически только по медной оболочке, а в стальном основании он отсутствует. Это позволяет значительно удешевить провода и кабели для высокочастотных средств связи.
Характер и последствия воздействия на человека
Характер и последствия опасного и вредного воздействия на человека электрического тока зависит от многих факторов:
- от величины и рода (переменный или постоянный) протекающего тока;
- продолжительности его воздействия (чем больше время действия тока на человека, тем тяжелее последствия);
- пути протекания;
- от физического и психологического состояния человека;
- от состояния внешней среды, например при высокой влажности воздействие электричества на организм будет сильнее.
Величина и тип протекающего тока является главным фактором от которого зависит исход его воздействия на организм человека (или животного).
По степени воздействия на человека от величины ток делится на три пороговых значения:
- Человек начинает ощущать воздействие проходящего сквозь него переменного тока при значении 0,6 мА, прямого начиная с 5-7 мА. Эти значения называются пороговыми ощутимыми токами.
- Следующий порог – порог неотпускающего (удерживающего) тока. Его значение для переменного тока составляет ≥10 мА, для постоянного ≥50 мА.
- Третье пороговое значение – фибрилляционный ток. Это значение переменного тока 100 мА, а постоянного 300 мА, при длительности воздействия такого тока 0,5 сек, может наступить остановка сердца или его фибрилляция.
В таблице 1 приведены различные реакции организма человека на электрический ток в зависимости от его силы и типа.
Начало ощущения — слабый зуд, пощипывание кожи под электродами
Ощущение тока распространяется и на запястье руки, слегка сводит руку
Начало ощущения. Впечатление нагрева кожи под электродом
Болевые ощущения усиливаются во всей кисти руки, сопровождаются судорогами. Руки, как правило, можно оторвать от электродов
Сильные боли и судороги во всей руке, включая предплечье. Руки трудно оторвать от электродов
Едва переносимые боли во всей руке. Руки невозможно оторвать от электродов.
Руки парализуются мгновенно, оторваться от электродов невозможно. Сильные боли, дыхание затруднено
Ощущение сильного нагрева, боли и судороги в руках. При отрыве рук от электродов возникают едва переносимые боли в результате судорожного сокращения мышц
Очень сильная боль в руках и груди. Дыхание крайне затруднено. При длительном токе может наступить паралич дыхания или ослабление деятельности сердца с потерей сознания
Ощущение очень сильного поверхностного и внутреннего нагрева, сильные боли во всей руке и в области груди. Затруднение дыхания. Руки невозможно оторвать от электродов из-за сильных болей при нарушении контакта
Дыхание парализуется через несколько секунд, нарушается работа сердца. При длительном протекании тока может наступить фибрилляция сердца
Фибрилляция сердца через 2-3 с; еще через несколько секунд — паралич сердца
Фибрилляция сердца через 2-3 с; еще через несколько секунд — паралич дыхания
Воздействие электрического тока на организм человека
- места приложения электродов;
- площади касания (площадь соприкосновения больше – сопротивление организма меньше);
- время прохождения тока (при увеличении длительности нахождения человека под напряжением — сопротивление организма уменьшается тк в нем нарушаются процессы терморегуляции, происходит местный нагрев внутренних органов и кожи, она выделяет пот, соответственно проводимость кожи возрастает а сопротивление уменьшается, что еще больше увеличивает нагрев…;
- величины приложенного напряжения — с повышением напряжения уменьшается сопротивление тела в десятки раз: во-первых, за счет упомянутого выше нарушения процесса терморегуляции; во-вторых, за счет развития процессов пробоя кожи при величине приложенного напряжения выше 50 В. при этом величина сопротивления кожи уменьшается до 300 – 500 Ом.
Типы поражения электрическим током
В зависимости от того, какой наступает исход от электроудара, выделяют 5 типов:
- судорожные сокращения мышц, человек находится в сознании;
- судорожные сокращения мышц, человек без сознания, дыхание и работа сердца присутствуют;
- отсутствие дыхания с нарушением работы сердца;
- электрический шок, сильное расстройство дыхания, расстройство функционирования кровеносной и нервной системы, наступление глубокой депрессии которая может длиться от нескольких десятков минут до нескольких суток и в конечном итоге наступает либо полное выздоровление, либо биологическая смерть;
- клиническая смерть, отсутствует дыхания, остановка сердца. Ее еще называют мнимой смертью, длится 6-8 минут, является переходным состоянием от жизни к смерти. По прошествии указанного времени, если не проводить реанимационные мероприятия – наступает биологическая смерть.
Также, большое значение имеет и путь, по которому проходит ток через организм т.е. какими частями тела человек касается токопроводящей части. Чаще всего люди «включаются» в электрическую цепь таким образом, что ток проходит по петлям: «рука-ноги», «рука-рука», «нога-нога», «рука-голова», «ноги-голова».
Есть два варианта подключения организма к электрической цепи:
Рисунок 2 — Схема двухфазного включения человека в электрическую сеть
Где, а – сеть с изолированной нейтралью; б – сеть с глухозаземленной нейтралью.
Двухфазное подключение самое опасное, так как в этом варианте ток зависит только от напряжения и сопротивления человека (формула 1) и будет иметь максимальное значение чем при однофазном подключение (см. рис 3).
Рисунок 3 — Схема однофазного включения человека в электрическую сеть (в)
При варианте a на рисунке 3, к сопротивлению человека — Rч, добавляется сопротивление обуви Rоб, Rп – сопротивление пола, сопротивление изоляции фаз – Rиз. Те формула силы тока примет следующий вид (формула – 2).
Формула 2 – Сила тока, проходящего через человека при однофазном подключение с изолированной нейтралью.
При расчетах принимается наименьшее сопротивление (при сильном опьянении, с мокрой или поврежденной кожей);
С учетом что сопротивления пола-обуви-изоляции имеют на порядки большие значения чем сопротивление человека – то и протекающий при таком варианте ток через человека гораздо слабее и менее опасный чем при 2х фазном подключении.
