Электрические часы

Электри'ческие часы',см. .

Электрический аппарат

Электри'ческий аппара'т,электротехническое устройство, предназначенное для изменения, регулирования, измерения и контроля электрических и неэлектрических параметров различных устройств, машин, механизмов и т. п., а также для их защиты от перегрузок при недопустимых или аварийных режимах работы. Э. а. используются в системах защиты электрических сетей, в пускорегулирующих устройствах, применяемых в различных производственных процессах (особенно быстро протекающих), транспортных средствах, в системах автоматики и телемеханики, связи и др. Требования, предъявляемые к Э. а., определяются областью их применения, назначением, режимами работы и многими другими факторами.

  По выполняемым функциям Э. а. можно разделить на коммутационные, пускорегулирующие, регулирующие, ограничивающие, измерительные, контрольные. Однако чёткой границы между этими группами нет. Э. а. можно классифицировать также по принципу действия, в зависимости от того, какое физическое явление использовано в основе их устройства (например, электромагнитные, тепловые, индукционные Э. а.). Иногда действие одного Э. а. основывается на нескольких физических явлениях. Различают автоматические и неавтоматические Э. а. В пределах одной группы Э. а. разделяют: по классу точности, напряжению (высокое и низкое), роду тока (постоянный или переменный), способу защиты от окружающей среды (открытые, защищенные, герметизированные и др.), конструктивному исполнению и ряду других признаков.

  Коммутационные Э. а. предназначены для переключений электрических цепей (их коммутации) при нормальных режимах работы, когда действие Э. а. связано с изменением режимов работы цепи, включением и снятием напряжения, или для отключения цепи в аварийном режиме. В этот класс входят сравнительно простые неавтоматические аппараты (например, , , ) и более сложные автоматические устройства (например, высоковольтные выключатели). Частота операций, производимых Э. а. этого класса, сравнительно небольшая - от 1 операции в год до нескольких десятков операций в 1 сут.

 Пускорегулирующие Э. а. служат либо для пуска, регулирования частоты вращения и остановки электрических машин, либо для включения и отключения потребителей электроэнергии, а также регулирования процесса потребления энергии. К этому классу Э. а. относятся , , , , и др. Некоторые из этих Э. а. по непосредственно выполняемым функциям могут быть отнесены к коммутационным (например, магнитные пускатели, контроллеры), но отличаются от них относительно большей частотой выполняемых операций - до нескольких сотен или тыс. операций в 1 ч(см. ) .

  Регулирующие Э. а. используются в электрических цепях для регулирования по заданному закону или поддержания на заданном уровне значений определённых параметров (например, регуляторы, поддерживающие неизменным ток или напряжение - ) .

 Ограничивающие Э. а. служат для защиты электрических цепей в аварийных режимах работы и от токов перегрузки или для ограничения действующего значения токов короткого замыкания. К этому классу Э. а. относятся , , .

 Измерительные Э. а. предназначены для измерения больших токов и напряжений с использованием стандартных измерительных приборов. К таким Э. а. относятся, например, и .Применение измерительных Э. а. позволяет обеспечить надёжное гальваническое разделение вторичных цепей (измерения и защиты) и первичных высоковольтных цепей.

  Контрольные Э. а. применяют для измерения и контроля заданных электрических параметров и для воздействия на цепь управления. Информация об изменении параметров поступает обычно на контрольные Э. а. от измерительных трансформаторов или преобразователей.

  Лит.:Чунихин А. А., Электрические аппараты, 2 изд., М., 1975: Таев И. С., Электрические аппараты автоматики и управления, М., 1975; Ройзен С. С., Стефанович Т. Х., Магнитные усилители в электроприводе и автоматике, М., 1970.

  А. М. Бронштейн.

Электрический вал

Электри'ческий вал,многодвигательный ,обеспечивающий согласованное вращение двух или более механизмов, не связанных между собой механически. Наиболее распространён Э. в., в котором два исполнительных двигателя Д ₁и Д ₂( рис. ) соединены с рабочими машинами валами 1 и 2 и с асинхронными электродвигателями A ₁и А ₂. Статорные обмотки электродвигателей подключены к сети трёхфазного тока, а роторные соединены между собой через контактные кольца. Такое включение электродвигателей Д ₁, Д ₂, A ₁и А ₂при несинхронном вращении валов 1и 2обеспечивает действие синхронизирующего момента, выравнивающего их частоту вращения; при этом достигается как бы эластичная связь между рабочими машинами.

  Большое практическое значение имеют Э. в. с асинхронными микродвигателями, применяемыми в системах синхронной связи между элементами устройств автоматики.

  Лит.:Сергеев П. С., Электрические машины, М. - Л., 1962.

  М. Д. Находкин.

Электрический вал: 1 и 2 - валы рабочих машин; Д1 и Д2 - электродвигатели рабочих машин; A1 и A2 - асинхронные электродвигатели.

Электрический генератор

Электри'ческий генера'тор,устройство для преобразования какого-либо вида энергии (механической, химической, тепловой, световой) в электрическую. Понятие «Э. г.» является собирательным и не имеет чётких терминологических границ. Часто Э. г. называют ,хотя в широком смысле понятие Э. г. распространяют на гальванические элементы, , ,термоэмиссионные генераторы, , и др.

Электрический двигатель

Электри'ческий дви'гатель,см. .

Электрический заряд

Электри'ческий заря'д,источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая её . Э.з. - одно из основных понятий учения об электричестве. Вся совокупность электрических явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия Э. з.

  Различают 2 вида Э. з., условно называемые положительным и отрицательным; при этом одноимённо заряженные тела (частицы) отталкиваются, а разноимённо заряженные притягиваются (впервые установлено Ш. Ф. в 1733-34). Заряд наэлектризованной стеклянной палочки назвали положительным, а смоляной (в частности, янтарной) - отрицательным. В соответствии с этим условием Э. з. электрона (электрон по-гречески - янтарь) отрицателен. Э. з. дискретен: существует минимальный, ,которому кратны все Э. з. тел. Полный Э. з. замкнутой физической системы, равный алгебраической сумме зарядов слагающих систему элементарных частиц (для обычных макроскопических тел - и электронов), строго сохраняется во всех взаимодействиях и превращениях частиц системы (см. ) .Сила взаимодействия между покоящимися заряженными телами (частицами) подчиняется .Связь Э. з. с электромагнитным полем определяется .

 В Э. з. измеряется в .

  Л. И. Пономарев.

Электрический объёмный заряд

Электри'ческий объёмный заря'дв атмосфере, мера электрической заряженности атмосферы; численно равен разности между числом положительных и отрицательных зарядов всех частиц в некотором объёме. Величина Э. о. з. характеризуется его плотностью - величиной избыточного заряда единицы объёма. Возникает Э. о. з. в результате разделения разноимённо заряженных частиц в пространстве (например, в туманах, облаках и осадках), при отрыве частиц от земли (например, при пыльных бурях) или от воды (при сильном волнении водной поверхности), при метелях, при вулканических извержениях, вблизи высоковольтных линий, при работе автомобильных и авиационных двигателей и т. д.

  Величина Э. о. з. колеблется во времени в зависимости от состояния погоды.

  В условиях хорошей погоды у земной поверхности плотность Э. о. з. ж » ±(1-5)Ч10 ^-12 кЧ м ^-3, а в грозовых облаках она может доходить до ±3Ч10 ^-8 кЧ м ^-3 .В областях хорошей погоды плотность Э. о. з. у земли меняется как в течение суток, так и года, а с высотой уменьшается по экспоненциальному закону, составляя на высоте >10 кмменьше 0,01 своего значения у земной поверхности. Под влиянием электрического поля Земли непосредственно у её поверхности накапливается Э. о. з. до 5Ч10 ^-10 к· м ^-3. В целом атмосфера имеет положительный объёмный заряд около 3Ч10 ⁵к.

  Лит.:Тверской П. Н., Атмосферное электричество, Л., 1949; Чалмерс Дж. А., Атмосферное электричество, пер. с англ., Л., 1974; Имянитов И. М., Чубарина Е. В., Шварц Я. М., Электричество облаков, Л., 1971.

  И. М. Имянитов.

Электрический привод

Электри'ческий при'вод,см. .

Электрический провод

Электри'ческий про'вод,см. электрические.

Электрический разряд в газах

Электри'ческий разря'д в га'зах,прохождение электрического тока через газовую среду под действием электрического поля, сопровождающееся изменением состояния газа. Многообразие условий, определяющих исходное состояние газа (состав, давление и т. д.), внешних воздействий на газ, форм, материала и расположения электродов, геометрии возникающего в газе электрического поля и т. п. приводит к тому, что существует множество видов Э. р. в г., причём его законы сложнее, чем законы прохождения электрического тока в металлах и электролитах. Э. р. в г. подчиняются лишь при очень малой приложенной извне разности потенциалов, поэтому их электрические свойства описывают с помощью ( рис. 1 и 3 ).

  Газы становятся электропроводными при их .Если Э. р. в г. происходит только при вызывающем и поддерживающем ионизацию внешнем воздействии (при действии т. н. внешних ионизаторов), его называют несамостоятельным газовым разрядом. Э. р. в г., продолжающийся и после прекращения действия внешнего ионизатора, называется самостоятельным.

  Когда ионизация газа происходит при непрерывном действии внешнего ионизатора и малом значении разности потенциалов между анодом и катодом в газе, начинается «тихий разряд». При повышении разности потенциалов (напряжения) сила тока тихого разряда сперва увеличивается пропорционально напряжению (участок кривой OAна рис. 1 ), затем рост тока с ростом напряжения замедляется (участок кривой AB) ,и когда все заряженные частицы, возникшие под действием ионизатора в единицу времени, уходят за то же время на катод и на анод, усиления тока с ростом напряжения не происходит (участок ВС) .При дальнейшем росте напряжения ток снова возрастает и тихий разряд переходит в несамостоятельный лавинный разряд (участок СЕна рис. 1 ). В этом случае сила тока определяется как интенсивностью воздействия ионизатора, так и газовым усилением, которое зависит от давления газа и в пространстве, занимаемом разрядом.

  Тихий разряд наблюдается при давлении газа порядка атмосферного. Внешними ионизаторами могут быть: естественное радиоактивное излучение, ,потоки (сильное световое облучение), пучки быстрых электронов и т. д. Ионизаторы двух последних типов используются (преимущественно в импульсном режиме) в газовых лазерах.

  Переход несамостоятельного Э. р. в г. в самостоятельный характеризуется резким усилением электрического тока (точка Ена кривой рис. 1 ) и называется электрическим пробоем газа. Соответствующее напряжение U ₃называется напряжением зажигания (см. ) .В случае однородного поля оно зависит от сорта газа и от произведения давления газа рна расстояние между электродами d(см. рис. 2 и ст. ) .Разряд после лавинного пробоя принимает форму тлеющего разряда, если давление газа низко (несколько мм рт. ст.) .При более высоком давлении (например, при атмосферном) лавинное усиление Э. р. в г. приводит к возникновению электрического ,что меняет характер процесса пробоя. Образуется один или несколько узких проводящих (заполненных ) каналов, исходящих от одного из электродов. Такие каналы называются .Время образования стримеров очень мало (около 10 ^-7 сек) .

 После короткого переходного процесса самостоятельный газовый разряд становится стационарным. Обычно такой разряд осуществляют в закрытом изолирующем сосуде (стеклянном или керамическом). Ток в газе течёт между двумя электродами: отрицательным катодом и положительным анодом.

  Одним из основных типов газового разряда, формирующимся, как правило, при низком давлении и малом токе (участок в на рис. 3 ), является .Главные четыре области разрядного пространства, характерные для тлеющего разряда, это: 1- катодное тёмное пространство; 2 -тлеющее свечение; 3 -фарадеево тёмное пространство; 4 -положительный столб. Области 1- 3находятся вблизи катода и образуют катодную часть разряда, в которой происходит резкое падение потенциала ( ) ,связанное с большой концентрацией положительных ионов на границе областей 1- 2.В области 2электроны, ускоренные в области 1, производят интенсивную ударную ионизацию. Тлеющее свечение обусловлено ионов и электронов в нейтральные атомы или молекулы. Для положительного столба разряда вследствие постоянной и большой концентрации электронов характерны незначительное падение потенциала в нём, свечение, вызываемое возвращением возбуждённых молекул (атомов) газа в основное состояние (состояние с наинизшей возможной энергией), и большая электропроводность.

  Стационарность в положительном столбе объясняется взаимной компенсацией процессов образования и потерь заряженных частиц. Образование таких частиц происходит при ионизации атомов и молекул в результате столкновений с ними электронов. К потерям заряженных частиц приводит к стенке сосуда, ограничивающего разрядный объём, и следующая за этим рекомбинация. Диффузионные потоки, направленные не к стенке, а вдоль разрядного тока, часто ведут к образованию в положительном столбе своеобразных «слоев» (обычно движущихся).

  При увеличении разрядного тока обычный тлеющий разряд становится аномальным ( рис. 3 ) и начинается стягивание (контракция) положительного столба. Столб отрывается от стенок сосуда, в нём начинает происходить дополнительный процесс потери заряженных частиц (рекомбинация в объёме). Предпосылкой этого является высокая плотность заряженных частиц. При дальнейшем повышении разрядного тока газ нагревается настолько, что становится возможной его термическая ионизация. Столкновения между атомами или молекулами в этом случае столь сильны, что происходит отщепление электронов. Такой разряд называется .С возрастанием тока электропроводность столба повышается, вольтамперная характеристика дугового разряда приобретает падающий характер ( рис. 3 ). Следует отметить, что хотя он может «гореть» в широком диапазоне давлений газа и иных условий, в большинстве случаев дуговой разряд наблюдается при давлении порядка атмосферного.

  Во всех случаях особую важность представляет участок перехода между столбом разряда и электродами, причём ситуация у катода сложнее, чем у анода. При тлеющем разряде непрерывная связь между катодом и положительным столбом обеспечивается за счёт сильного катодного падения. В самостоятельном дуговом разряде в результате сильного локального нагрева катода появляются т. н. катодные пятна. В них обычно происходит или более сложная эмиссия электронов из облака испаряющегося материала катода. Процесс эмиссии из катода дугового разряда в настоящее время (1978) ещё не до конца понят и интенсивно исследуется.

  Все рассмотренные выше Э. р. в г. происходят под действием постоянного электрического напряжения. Однако газовые разряды могут протекать и под действием переменного электрического напряжения. Такие разряды имеют стационарный характер, если частота переменного напряжения достаточно высока (или, наоборот, настолько низка, что полупериод переменного напряжения во много раз больше времени установления разряда, так что каждый электрод просто попеременно служит катодом и анодом). Типичным примером может служить высокочастотный (ВЧ) Э. р. в г. ВЧ-разряд может «гореть» даже при отсутствии электродов ( ) .Переменное электрическое поле создаёт в определённом объёме плазму и сообщает электронам энергию, достаточную для того, чтобы производимая ими ионизация восполняла потери заряженных частиц вследствие диффузии и рекомбинации. Внешний вид и характеристики ВЧ-разрядов зависят от рода газа, его давления, частоты переменного поля и подводимой мощности. Элементарные процессы на поверхности твёрдого тела (металла или изолятора разрядной камеры) играют определённую роль только в процессе «поджига» разряда. Стационарный ВЧ-разряд подобен положительному столбу тлеющего разряда.

  Кроме стационарных разрядов, основные характеристики которых не зависят от времени, существуют нестационарные (импульсные) Э. р. в г. Они возникают по большей части в сильно неоднородных или переменных во времени полях, например у заострённых и искривленных поверхностей проводников и электродов. Величина напряжённости поля и степень его неоднородности вблизи таких тел столь велики, что происходит ударная ионизация электронами молекул газа. Два важных типа нестационарного разряда - и .

 При коронном разряде ионизация не приводит к пробою, потому что сильная неоднородность электрического поля, обусловливающая её, существует только в непосредственной близости от проводов и остриёв. Коронный разряд представляет собой многократно повторяющийся процесс поджига, который распространяется на ограниченное расстояние от проводника - до области, где напряжённость поля уже недостаточна для поддержания разряда. Искровой разряд, в отличие от коронного, приводит к пробою. Этот Э. р. в г. имеет вид прерывистых ярких зигзагообразных разветвляющихся, заполненных ионизованным газом (плазмой), нитей-каналов, которые пронизывают промежуток между электродами и исчезают, сменяясь новыми. Искровой разряд сопровождается выделением большого количества тепла и ярким свечением. Он проходит следующие стадии: резкое умножение числа электронов в сильно неоднородном поле близ проводника (электрода) в результате последовательных актов ионизации, начинаемых немногими, случайно возникшими свободными электронами; образование электронных лавин; переход лавин в стримеры под действием пространственного заряда, когда плотность заряженных частиц в головной части каждой лавины превысит некоторую критическую. Совместное действие пространственного заряда, ионизующих электронов и фотонов в «головке» стримера приводит к увеличению скорости развития разряда. Примером естественного искрового разряда является ,длина которой может достигать нескольких км,а максимальная сила тока - нескольких сотен тысяч ампер.

 К настоящему времени (1970-е гг.) все виды Э. р. в г. исследуются и применяются во многих областях науки и техники. Тлеющий, дуговой и импульсные разряды используются при возбуждении . ,в которых основным рабочим процессом служит дуговой или ВЧ-разряд, являются важными устройствами в ряде областей техники, в частности при получении особо чистых полупроводников и металлов. Мощные плазматроны используются в качестве реакторов в .На применении искрового разряда основаны прецизионные методы .При фокусировке лазерного светового излучения происходит пробой воздуха в фокусе и возникает безэлектродный разряд (подобный ВЧ-разряду и искре), называется лазерной искрой. Мощные, сильноточные разряды в водороде служили первыми шагами на пути к .

 В системе естественных наук изучение Э. р. в г. занимает место в физике плазмы. При Э. р. в г. образуется низкотемпературная плазма, для которой характерна малая степень ионизации. В отличие от высокотемпературной (полностью ионизованной) плазмы, в низкотемпературной плазме атомы или молекулы нейтрального газа играют важную роль. Электроны, ионы и нейтральные частицы «мягко» взаимодействуют. Вследствие этого может возникнуть термодинамически неравновесная ситуация, при которой электроны, ионы и нейтральный газ имеют разные температуры. Эта ситуация ещё более усложняется, если в балансе энергии Э. р. в г. нельзя пренебречь световым излучением (например, в сильноточных дуговых разрядах). В таких случаях низкотемпературную плазму необходимо описывать с помощью кинетической теории плазмы.

  Лит.:Энгель А., Штенбек М., Физика и техника электрического разряда в газах, пер. с нем., т. 1-2, М. - Л., 1935-1936; Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Капцов Н. А., Электроника, 2 изд., М., 1956; Мик Дж. М., Крэгс Дж., Электрический пробой в газах, пер. с англ., М., 1960; Браун С., Элементарные процессы в плазме газового разряда, [пер. с англ.], М., 1961; Физика и техника низкотемпературной плазмы, под ред. С. В. Дресвина, М., 1972; Райзер Ю. П., Лазерная искра и распространение разрядов, М., 1974.

  М. Штеенбек, Л. Ротхардт (ГДР).

Рис. 3. Вольамперная характеристика разряда: аб - несамостоятельного лавинного; бвг - тлеющего; гд - дугового.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика тихого разряда.

Рис. 2. Кривые Пашена для различных газов. По оси абсцисс отложены произведения p Ч d в мм рт. ст. Ч мм, по оси ординат - напряжение пробоя U ₃в вольтах.

Электрический ракетный двигатель

Электри'ческий раке'тный дви'гатель(ЭРД), (РД), в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического летательного аппарата (обычно солнечные или аккумуляторные батареи). Достоинство ЭРД - в их высоком удельном импульсе (удельной тяге) благодаря большой скорости истечения (РТ), достигающей 10-100 км/сек.По удельному импульсу ЭРД многократно превосходят ,у которых скорость истечения РТ не превышает 4,5 км/ сек.По принципу действия ЭРД подразделяются на электротермические, электростатические (ионные, коллоидные) и электромагнитные (плазменные).

  В электротермических РД электрическая энергия используется для нагрева РТ с целью обращения его в газ с температурой 1000-5000 К; газ, истекая из реактивного сопла (аналогичного соплу химического РД), создаёт тягу. В качестве РТ используются вещества с малой молекулярной массой (например, водород, аммиак, гидразин), нагреваемые при помощи поверхностных нагревателей ( рис. 1 ), дугового разряда ( рис. 2 ) или (в экспериментальных ЭРД) высокочастотного электромагнитного поля. Удельный импульс электротермического РД составляет 1,5-10 ( кн· сек) /кг,плотность тяги (отношение тяги к поперечному сечению реактивной струи) 0,3-3 Мн/м ² ,время работы от нескольких чдо нескольких сотен ч.

  В электростатическом (ионном) РД вначале производится ионизация РТ, после чего ионы и электроны раздельно ускоряются в электростатическом поле (при помощи системы электродов), а затем вновь перемешиваются для нейтрализации объёмного заряда и, истекая, создают тягу ( рис. 3 ). Различают электростатические РД с и объёмной ионизацией (электронным ударом); в качестве РТ в первых используется легко ионизируемый цезий, во вторых - любые вещества с большой атомной массой (например, висмут). Вместо ионов в электростатических РД могут ускоряться заряженные (например, за счёт контактной разности потенциалов при отрыве капли от поверхности электрода) микроскопические капли. Такие ЭРД называются коллоидными. Значение ускоряющего потенциала составляет для них около 10-20 кв(для ионных РД - 2-7 кв) при плотности тока в несколько ма/см ² .Удельный импульс электростатических РД 15-100 ( кн· сек) /кг,плотность тяги 30-50 н/м ² ,время работы - 1 год и более.

  В электромагнитном РД рабочим телом является плазма любого вещества, ускоряемая за счёт силы Ампера в скрещенных электрическом и магнитном полях. Различают ЭРД с внешним и собственным магнитным полем. К первым относятся классические Е-Н ускорители плазмы и т. н. холловские ЭРД с замкнутым дрейфом электронов; во-вторых, магнитное поле создаётся током, протекающим в ускоряемой плазме; они подразделяются на импульсные и квазистационарные ЭРД. Рабочий цикл импульсного ЭРД соответствует периоду электрического пробоя РТ (обычно фторопласта), при котором создаётся плазма; начальный потенциал пробоя - несколько кв,удельный импульс 40-100 ( кн· сек) /кг,плотность тяги 10 ^-9-10 ^-8 н/м ² ,число циклов ЭРД достигает 1 млн. В квазистационарном ЭРД с целью создания сильного магнитного поля через РТ пропускается ток силой в десятки каи напряжением в десятки в.Удельный импульс составляет 30-50 ( кн· сек) /кг,плотность тяги несколько кн/м ² ,время работы - десятки ч.О типах плазменных ЭРД и методах создания плазмы в них см. в ст. .

 Ограниченное применение ЭРД связано с необходимостью большого расхода электроэнергии (10-100 квтна 1 нтяги). Из-за наличия бортовой энергоустановки (и др. вспомогательных систем), а также из-за малой плотности тяги аппарат с ЭРД имеет малое ускорение. Поэтому ЭРД могут быть использованы только в космических летательных аппаратах (КЛА), совершающих полёт либо в условиях слабых гравитационных полей, либо на околопланетных орбитах. Они применяются для ориентации, коррекции орбит КЛА и др. операций, не требующих больших затрат энергии. Электростатические, плазменные холловские и др. ЭРД рассматриваются как перспективные в качестве основных двигателей КЛА. Из-за малой отбрасываемой массы РТ время непрерывной работы таких ЭРД будет измеряться месяцами и годами; их использование вместо существующих химических РД позволит увеличить массу полезного груза КЛА.

  Идея использования электрической энергии для получения тяги выдвигалась ещё К. Э. Циолковским и другими пионерами космонавтики. В 1916-17 Р. Годдард (США) подтвердил опытами реальность этой идеи. В 1929-33 В. П. Глушко (СССР) создал экспериментальный ЭРД. В 1964 в СССР на КЛА типа «Зонд» испытаны плазменные импульсные РД, в 1966-71 на КЛА «Янтарь» - ионные РД, в 1972 на КЛА «Метеор» - плазменные квазистационарные РД. Различные типы ЭРД испытаны начиная с 1964 в США: в баллистическом, а затем в космическом полёте (на аппаратах АТС, СЕРТ-2 и др.). Работы в этой области ведутся также в Великобритании, Франции, ФРГ, Японии.