книги / Физические основы электромагнитных процессов в технических средствах автоматизации

ПРЕДИСЛОВИЕ

Автоматические системы регулирования технологических процессов представляют собой комплексы, состоящие из объектов регулирования и средств регулирования, взаимодействующих между собой. Специалистам по созданию и эксплуатации таких систем необходимо иметь знания по средствам измерения, преобразования информации, функциональным и регулирующим устройствам.

Одним из основных элементов автоматической системы регулирования являются измерительные преобразователи, которые преобразуют измеряемую неэлектрическую физическую величину в эквивалентный по значению электрический сигнал. С другой стороны преобразователь может быть использован на выходе системы, чтобы например, управлять движением регулируемой величины в координатах ее состояния.

Несмотря на то, что в автоматических системах регулирования используется множество типов преобразователей, линий связи, отображающих и регулирующих приборов, число физических принципов, на которых основана их работа, относительно невелико. Рассмотрению этих принципов и посвящена настоящая книга, состоящая из пяти глав.

В главе 1 вводятся понятия электрического заряда и создаваемого им электрического поля, посредством которого заряды взаимодействуют друг с другом. Дается определение важнейших характеристик электростатического поля - вектора напряженности, потенциала, разности потенциалов. Устанавливается связь напряженности с потенциалом.

Рассматривается поведение проводников во внешнем электростатическом поле и поясняется принцип электростатической защиты электроизмерительных приборов.

Рассказывается р двух типах диэлектриков с резными видами поляризации, свойстве которых, например,

диэлектрическая проницаемость, неодинаково зависят от температуры окружающей среды.

Рассмотрен пьезоэлектрический эффект, с использованием которого разработаны преобразователи, позволяющие измерять нёэлектрические величины с помощью электроизмерительных приборов.

Описаны конденсаторы,, которые могут быть использованы в качестве измерительных преобразователей, а такжё:схемы их'соединений.

главе 2 дается определение силы постоянного тока, плотности тока, напряжения и электродвижущей силы. Выводится формула для расчета значений электрического сопротивления резисторов - тензодатчиков, используемых в качестве измерительных преобразователей.

Рассмотрены законы Ома для участка цепи и для замкнутой цепи.' На основании закона Ома и закона сохранения заряда формулируется первое и второе правила Кирхгофа, используемые для расчета сложных цепей.

Выводятся формулы для определения работы и мощности постоянного, тока. Формулируется закон ДжоуляЛенца.

Рассмотрены процессы разрядки и зарядки конденсаторов.

В главе 3 приводится температурная зависимость сопротивления металлов, которая положена в основу работы термометров сопротивления, используемых в качёстве измерительных преобразователей.

В рамках квантовой теории электропроводности полупроводников рассмотрена работа термисторов, также используемых в качествё измерительных преобразователей.

Описан принцип1 работы электронно-дырочного пёрехода, который обычно используется для выпрямления переменного тока, но можёт быть использован в качестве преобразователя для измерения температуры.

В главе 4 . дается определение основной силовой характеристики магнитного поля - вектора индукции магнитного поля, а также рассматривается сила Лоренца, действующая на заряд, движущийся в: магнитном поле.

Действием этой силы обусловлен эффект Холла, используемый в измерительных преобразователях.

Сформулирован закон Ампера и на его основе показан принцип действия электрического двигателя и стрелочных электроизмерительных приборов.

Рассмотрен принцип действия ферромагнетиков, процессы намагничивания и явления магнитострикции в них, которое используется в измерительных преобразователях.

Глава 5 посвящена явлениям электромагнитной индукции, самоиндукции и взаимной индукции используемых в измерительных преобразователях. Кроме того, последние два явления лежат в основе работы трансформаторов. Рассмотрены процессы, возникающие при замыкании и размыкании цепи, содержащей индуктивность.

Следует отметить, что в книге не рассмотрены вопросы использования в АСР переменного тока: в электрических исполнительных механизмах, формировании частотных унифицированных сигналов и т.д.

Не рассмотрены также электромагнитные процессы формирования законов регулирования, например, в релейно­ импульсных регулирующих устройствах; преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно, стабилизация напряжения питания приборов, гальваническое разделение цепей и т.д. Эти важные вопросы требуют специального изложения. В связи с этим планом издания в рамках серии СКСА предусматривается публикация книг по этой тематике.

Все замечания и предложения читателей и организаций по издаваемой серии, в том числе и пожелания по тематике новых книг в серии, редколлегия с благодарностью примет и учтет при ее последующих изданиях.

Замечания и предложения следует направлять в адрес НПО “Монтажавтоматика" 119034, Москва, Лопухинский пер.', д.З. строение 2.

ИАКрылов - автор

А.С.Кпюев - редактор серии СКСА, доктор технических наук, профессор

1.1. Электромагнитное поле и электрический заряд

Электромагнитное поле есть особая форма материи, от­ личная от вещества. Оно описывается косвенно через его воз­ действие на некоторые частицы вещества. Силовое воздействие этого поля только на некоторые частицы характеризуют наличи­ ем у них электрического заряда.

Таким образом, электрический заряд можно определить как количественную меру способности частицы к силовому взаимодействию с электромагнитным полем. Это скалярная ве­ личина, являющаяся свойством частицы или тела, состоящего из частиц. Обычно, говоря о взаимодействии заряженной части­ цы или заряженного тела с полем, называют только это их свой­ ство - «заряд», а слова «частица» или «тело» опускают.

Единица заряда в системе единиц СИ - кулон (Кл) - явля­ ется производной единицей, т.к. основной электрической еди­ ницей в этой системе является ампер (А). 1Кл - это величина за­ ряда, проходящего через поперечное сечение проводника в те­ чение 1с при силе тока в нем, равной 1А.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. У всех этих частиц он одина­ ков по абсолютной величине. Его называют элементарным за­ рядом и обозначают буквой е. В СИ он равен е=1,6-10'19Кл,

В природе имеются два вида электрических зарядов, ус­ ловно названных положительными и отрицательными. К отри­ цательным зарядам относят заряд электрона (-е), а к положи­ тельным - заряд протона (+е). Заметим, что такая элементарная частица как нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому не испытывает силового воздействия со стороны электромаг­ нитного поля.

Поскольку заряд q всякого тела образуется совокупностью элементарных зарядов, он является дискретной величиной, кратной е:

q = ±N e,

где N - число элементарных зарядов.

Однако, учитывая малость элементарного заряда, в подавляю­ щем большинстве случаев величину макроскопического заряда q можно считать изменяющейся непрерывно.

Для удобства описания единое электромагнитное поле раз­ бивают на две составляющие - электрическое поле и магнит­ ное поле. Отметим отличительные особенности этих полей: си­ ла, действующая со стороны электрического поля на заряд, не зависит от скорости заряда, а сила, действующая со стороны магнитного поля на заряд, зависит от скорости заряда. Про­ явление электромагнитного поля в виде одной или в виде обеих составляющих зависит от выбора системы отсчета.

Электромагнитное поле не только оказывает силовое воз­ действие на заряды, но и возбуждается (создается) ими. Причем электрическое поле создается как неподвижными, так и движу­ щимися зарядами, а магнитное поле создается только движущи­ мися зарядами. Электрическое поле, создаваемое неподвижны­ ми зарядами, называется электростатическим.

Поскольку электромагнитное поле, создаваемое одним за­ рядом, действует на другой заряд, постольку поле является аген­ том по передаче действия одного заряда на другой.

1.2. Закон сохранения электрического заряда

Это фундаментальный закон природы, выполняющийся как в макроскопических, так и в микроскопических процессах: алгебраическая сумма зарядов электрически изолированной системы не изменяется, какие бы процессы не происходили внутри этой системы.

1.3. Закон Кулона

Он является одним из основных законов электростатики. Установлен французским физиком ПЫСулоном в 1785 году для силы взаимодействия между двумя точечными зарядами.

Точечным зарядом называется заряженное тело, размеры которого малы по сравнению с расстояниями до других заря­ женных тел, с которыми оно взаимодействует. (Иными словами точечный заряд - это заряженная материальная точка).

Рис.1 .1 . Силы взаимодействия12 иРP2i двухточечных неподвижных

рядов +qi и 2+qв вакууме 12(jp| =|^211 -J7)

Закон Кулона:

а) Сила взаимодействия F двух точечных неподвижных зарядов в вакууме пропорциональна величинам зарядов

|qj| и |q2| и обратно пропорциональна квадрату расстояния г ме­

жду ними (рис. 1.1).

б) Направлена эта сила по прямой, соединяющей заряды, т.е. она является центральной. Она соответствует отталкива­ нию для одноименных зарядов и притяжению для разноимен­ ных.

в) По третьему закону Ньютона f l j - p y .

Напряженность электрического поля Б есть физиче­ ская величина, равная силе, с которой электрическое поле действует на единичный точечный положительный заряд (Ялр-+1)» помещенный в данную точку поля. Направление

вектора Ё совпадает с направлением силы F , действующей на этот положительный заряд.

Из формул (1.3) и (1.2) следует, что напряженность поля точечного заряда q пропорциональна величине этого заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния г от заряда до данной точки поля:

Направлен вектор Ё вдоль прямой, проходящей через за­ ряд q и данную точку поля следующим образом:

а) от заряда q, если он положителен (рис. 1.3,а); б) к заряду q, если он отрицателен (рис. 1.3,6).

Рис. 1.3. Направления векторов Ё полей, созданных положительным и

отрицательным точечными зарядами q

В СИ напряженность Б измеряется в вольтах на метр

В"}

м

Очевидно, что на всякий точечный заряд q, помещенный в

точку поля с напряженностью- Ё , будет действовать сила