Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы
Жаропрочностью называется сопротивление металла ползучести и разрушению при высоких температурах.
Жаростойкость (окалиностойкость ) — сопротивление металла окислению в газовой среде при высоких температурах (выше 550 ° С). — лист жаропрочный
Жаропрочные стали и сплавы
Влияние состава и структуры сплавов на жаропрочность. Жаропрочность характеризует сопротивление металла ползучести. Напомним (см. 2.4.1), что сопротивление ползучести оценивают пределом ползучести (напряжение, вызывающее заданную величину деформации при данной температуре) и долговременную прочность (напряжение, вызывающее разрушение при определенной температуре за определенное время). При высоких температурах межатомные связи ослабевают, поэтому металлы при этих температурах разрушаются при напряжении, значительно более низких, чем необходимо для разрушения металла при 20 ° С. Разрушение происходит в результате ползучести.
Ползучесть — это деформация материала во времени под действием постоянного напряжения. Она развивается при высоких температурах (выше температуры рекристаллизации) и напряженных, превышающих предел текучести, путем чередующихся актов клеветы вследствие пластической деформации и рекристаллизации, устраняет укрепление, вызванное клеветой (см. 2.4.1 и рис. 2.15). Таким образом, одним из основных факторов, определяющих жаропрочность, является температура рекристаллизации: чем она выше, тем большей жаропрочностью обладает металл (сплав).
Напомним, что температура рекристаллизации зависит от температуры плавления сплава, что определяется его химическим составом и типом сплава: Т = а • Т пл ( T Рекре, T пл — температуры рекристаллизации и плавления, К; а — коэффициент, зависящий от типа сплава, см. 3.5.3). Высокие значения коэффициента a (0,6 … 0,8) характерны для твердых растворов, поэтому в качестве жаропрочных материалов используют сплавы типа «твердый раствор».
Если основа жаропрочного сплава имеет несколько полиморфных модификаций, то повышение жаропрочности достигается использованием сплавов на основе той модификации, у которой выше температура рекристаллизации. Так, сплавы с ГЦК решеткой (аустенитные) обладают более высокой температурой рекристаллизации и, следовательно, большей жаропрочных, чем сплавы с ОЦК решеткой (ферритные).
Кроме температуры рекристаллизации жаропрочность зависит от химического состава сплава (тугоплавкие материалы имеют более высокую жаропрочных), структуры — она должна быть стабильной при определенных условиях эксплуатации. При этом для разных условий, а именно при кратковременной или длительной эксплуатации, оптимальными будут неодинаковые структуры.
Для сплавов, предназначенных для краткосрочной эксплуатации при высоких температурах, необходимо обеспечить высокий предел ползучести. Оптимальной для этих условий есть структура, которая обеспечивает наибольшую прочность, — это структура твердого раствора и дисперсных частиц второй фазы (карбидов, интерметаллидов), что оказываются барьером перемещению дислокаций и поэтому затрудняют пластическую деформацию сплава (см.
3.5.2). При малом времени эксплуатации коагуляция дисперсной фазы не успеет произойти и металл сохранит высокую прочность, т. е. предел ползучести. Чем выше температура коагуляции дисперсных частиц, тем большей жаропрочностью будет обладать сплав.
Другие требования предъявляются к структуре сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации при высокой температуре: это длительная прочность. Она достигается, если сплав сохраняет свою структуру при высоких температурах в течение длительного времени. Более высокая стабильность сплава отмечается при однофазной структуре, что не испытывает фазовых или структурных превращений, приводящих к снижению жаропрочности. Поэтому наличие второй фазы по меньшей мере бесполезно, потому что при длительной эксплуатации будет происходить коагуляция частиц этой фазы.
Более высокое жаропрочных обладают крупнозернистые структуры с меньшей протяженностью границ зерен. Границы зерен, содержащих большое количество дефектов, является наиболее ослабленными участками в металле.
Поэтому именно по границам зерен в процессе ползучести происходит проскальзывание — перемещение одного зерна относительно другого. Таким образом, чем больше величина зерна, то есть чем меньше протяженность границ, тем медленнее развивается процесс ползучести.
Сплавы, предназначенные для длительной эксплуатации при высоких температурах, подвергают стабілізуючому отпуска при температуре выше эксплуатационной.
Для разных температур эксплуатации в качестве жаропрочных материалов используют:
- — Стали — для работы до 850 ° С;
- — Сплавы па основе никеля и кобальта — для работы до 950 … 1000 ° С;
- — Сплавы на основе тугоплавких металлов (молибдена и др.) — Для работы при более высоких температурах — до 1300 … 2000 ° С и выше.
Жаропрочные стали. Применяют стали перлітного, мартенситного и аустенитного класса.
Перлитные стали — это низкоуглеродистых стали, легированные в небольших количествах (до 1%) хромом, молибденом и ванадием (табл.
10.1). Стали подвергают нормализации и дальнейшего стабілізуючому отпуска при температуре 600 … 750 ° С, получая структуру пластинчатого сорбита, что обеспечивает высокую длительную прочность. Стали применяют для деталей, работающих длительное время (10 000 … 100 000 ч) при температурах не выше 500 … 580 ° С. Основное назначение — детали котельного оборудования: паропроводы, крепления и т.п.
Мартенситные стали являются сложнолегованая. В их состав входят сильные карбидообразующие компоненты (Cr, W, V, Мо и др.) (См. Табл. 10.1). Эти элементы повышают температуру рекристаллизации, а также образуют сложные карбиды, что обеспечивает повышение жаропрочности. Упрочняющая обработка этих сталей заключается в закалке от высоких температур (с целью растворения карбидов в аустените) и последующем отпуске (при температуре выше, чем температура эксплуатации) на сорбит или троостит.
К мартенситним сталей относятся хромокремністие — сільхроми. Их отличительной особенностью является высокое сопротивление окислению, что обеспечивается высоким содержанием хрома и кремния.
Мартенситные жаропрочные стали применяются для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок, рабочая температура которых не превышает 600 ° С.
Сільхроми используют для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Аустенитные стали (см. Табл. 10.1) применяют для деталей, работающих при температурах до 850 ° С. Стали на основе α-железа (перлитные, мартенситные) для работы при таких температурах пригодны, поскольку температура рекристаллизации Feα ниже, чем Feγ.
Аустенитная структура сталей достигается легированием никелем и марганцем — компонентами, которые расширяют область существования аустенита и понижают температуру Мн к негативной. Кроме того, такие стали содержат в большом количестве хром для обеспечения высокой окалиностойкости — сопротивление металла окислению при высоких температурах. Дополнительное легирование молибденом, а также бором и редкоземельными элементами позволяет повысить жаропрочность и технологические свойства.
Таблица 10.
1
Химический состав жаропрочных сталей
| Марка стали | Содержание компонентов,% масс. | |||||
| C | Cr | Ni | Mo | V | Другие | |
| Стали перлітного класса | ||||||
| 12ХМ | 0,09 … 0,15 | 0,4 … 0,6 | — | 0,4 … 0,6 | — | — |
| 15ХМ | 0.11 … 0,18 | 0,8 … 1,1 | 0,4 … 0,6 | |||
| 12Х1МФ | 0,08 … 0,15 | 0,9 … 1,2 | — | 0.25 … 0,35 | 0,15 … 0,30 | — |
| Стали мартенситного класса | ||||||
| 12ХМБФ | 0,08 … 0,12 | 2,1 … 2,6 | — | 0,5 … 0,7 | 0,20 … 0,35 | 0,2 N1) |
| Сільхроми | ||||||
| 40Х9С2 | 0,35 … 0,45 | 8 … 10 | — | — | — | 2 … 3 Si |
| 40Х10С2М | 0,35 … 0,45 | 9 … 10,5 | — | 0,7 … 0,9 | — | 1,9 … 2,6 Si |
| Стали аустенитного класса | ||||||
| Не укрепляет термической обработкой | ||||||
| 12Х18Н9Т | <0,12 | 17 … 19 | 8 … 9,5 | — | — | 0,8 Ti, <2,0 Μη |
| 08Х18Н10Т | <0,12 | 17 … 19 | 9 … 11 | 0,5 … 0,7 Ti | ||
| Укрепляет термической обработкой (дисперсионное твердение) | ||||||
| 40Х14Н14В2М | 0,40 … 0,50 | 11 … 13 | 13 … 15 | 0,2 … 0,4 | 2,0 … 2,8 W | |
Аустенитные стали подразделяются па укрепляется и укрепляет термической обработкой.
Термическая обработка незміцнюючих сталей включает закалку от высоких температур (1050 … 1200 ° С) и старения (700 … 750 ° С). Цель обработки — не повышение прочности, а получение стабильной однородной структуры — однородного γ-твердого раствора с определенной величиной зерна. Такая термическая обработка также снимает напряжение, которые возникают в процессе изготовления деталей. Стали предназначены для длительной эксплуатации.
Повышение прочности сталей упрочняющими достигается за счет твердения (термическая обработка — закалка и последующее старение). Их преимущество в сравнении с незміцнюючих сталями проявляется при кратковременных сроках эксплуатации. При длительных сроках службы упрочняющая фаза коагулирует, жаропрочностью при этом снижается.
Жаропрочные стали мартенситного и аустенитного классов одновременно являются устойчивыми против коррозии.
Аустенитные стали пластичны, хорошо свариваются, но плохо обрабатываются резанием.
Жаропрочные сплавы — сплавы на основе никеля и тугоплавких металлов — ниобия, молибдена, вольфрама.
Никелевые сплавы. Суммарное содержание никеля и хрома в сплавах превышает 50%. Температура рекристаллизации сплавов и поэтому допустимая температура эксплуатации выше, чем у сталей. Наибольшее распространение получили сплавы на залізонікелевій и никелевой основе. В состав жаропрочных сплавов входят также титан и алюминий (табл. 10.2 и 10.3).
Жаропрочные сплавы используют для изготовления лопаток газовых турбин, крепежных деталей и дисков турбин, а также авиационных двигателей.
Сплавы на основе тугоплавких металлов. Сплавы на основе ниобия ВН2А (4% Мо, 0,7% Zr, ≤ 0,8% С), ВН4 (9,5% Мо, 1,5% Zr, 0,3% С) можно эксплуатировать до 1300 ° С , сплавы на основе молибдена (ВМ1 — 0,4% Ti, ≤ 0,01% С) — до 1300 … 1400 ° С, на основе вольфрама (W — 27Re) — до 2000 … 2200 ° С.
Жаростойкие стали и сплавы
При нагревании в коррозионно-активных средах — в большинстве случаев это кислород газы — металлы
Таблица 10.2
Химический состав жаропрочных сплавов на основе никеля
| Марка сплава | Содержание компонентов,% масс. | |||||||
| Cr | Ti | Al | Mo | W, Nb | Fe | Mn | Другие | |
| ХН77ТЮР | 19 … 22 | 2.5 … 2,9 | 0,6 … 1,0 | — | — | ≤ 1,0 | ≤0,4 | — |
| ХН73МБТЮ | 13 … 16 | 2,4 … 2,8 | 1,3 … 1,7 | 2,8 … 3,2 | 1,8 … 2,2 Nb | ≤2,0 | ≤0,4 | — |
| ХН70ВМЮ | 9 … 11 | — | 4,5 … 5,5 | 5 … 6,5 | 4,5 … 5,5 W | ≤5,0 | ≤0,4 | До 0,7 V |
| ХН55ВМТКЮ | 9 … 12 | 1,4 … 2,0 | 3,6 … 4,5 | 4 … 6 | 4,5 … 6,5 W | ≤5,0 | ≤0,5 | 10 … 16 С |
Таблица 10.3
Химический состав жаропрочных сплавов на основе железа и никеля
| Марка сплава | Содержание компонентов,% масс. | |||||
| Cr | Ni | Al | W | Ti | Fe | |
| ХН35ВТ | 14 … 16 | 34 … 38 | — | 2,8 … 3,5 | 1,1 … 1,5 | Ост. |
| ХН35ВТЮ | 14 … 16 | 33 … 37 | 0,7 … 1,4 | 2,8 … 3,5 | 2,4 … 3,2 | Ост. |
подвергаются химической коррозии, окисления. Чем выше температура, тем быстрее развивается коррозия (рис. 10.7).
Процесс коррозии может быть замедлен, если на поверхности металла образуется плотная пленка окислов, препятствующая проникновению кислорода внутрь металла. Защитная пленка должна быть сплошной, пластической, прочно связанной с основным металлом. Образование такой пленки связано с наличием в составе сплава соответствующих легирующих компонентов, поэтому жаростойкость определяется только химическим составом сплава и не зависит от его структуры.
Железо образует с кислородом оксиды FeO, Fe3O4, Fc2O3. Окисленный слой, в котором преобладает FeO, является рыхлой, легко пропускает кислород и не имеет защитные свойства. Пленки на основе соединений Ре3О4 и Fe2O3 более плотные, но и они не защищают от окисления.
Для повышения жаростойкости в сталь вводят легирующие компоненты, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо, и образуют плотные оксидные пленки.
К таким элементам относятся хром, кремний и алюминий.
Наиболее сильное влияние хрома на жаростойкость проявляется при его концентрации в сплаве 15 … 20%. Для работы при температурах до 800 ° С применяют ферритные и мартенситные хромистые стали, при более высоких температурах — аустенитные сплавы системы Fe — Ni — Cr» (табл. 10.4).
Содержание кремния и алюминия в сталях не превышает 4% за хрупкости сплавов с более высоким содержанием кремния и алюминия.
Рис. 10.7. Влияние температуры на скорость окисления железа
Таблица 10.4
Химический состав жаростойких сталей и сплавов
| Марка стали (сплава) | Содержание компонентов,% масс. | |||||
| C | Fe | Ni | Cr | Al | Другие | |
| стали | ||||||
| 20Х23Н18 | к | основа | 17 … | 22 … | Si ≤ 1%; | |
| 0,12 | … 20 | … 25 | Mn ≤ 2% | |||
| 12Х25Н16ГАР | к | основа | 15 … | 23 … | 7% Mn; | |
| 0,2 | … 18 | … 26 | 0,3 … 5% N; | |||
| 0,01% В | ||||||
| сплавы | ||||||
| Xh5510 | к | Ост. | 44 … | 15 … | 2,9 … | — |
| 0,10 | … 46 | … 17 | … 3,9 | |||
| ХН78Т | к | 6 | основа | 19 … | 0,15 … | — |
| 0,12 | … 22 | … 0,35 | ||||
| Х116010 | к | 20 | основа | 15 … | 2,6 … | — |
| 0,10 | … 18 | … 3,5 | ||||
Жаростойкие стали и сплавы применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, печного оборудования (ролики рольгангов, подовые плиты), сопловых аппаратов и жаровых труб в газотурбинных установках.
Высокая жаростойкость — Справочник химика 21
Легирование металлов. Методы защиты, связанные с изменением свойств корродирующего металла, осуществляются при помощи легирования. Легирование — эффективный (хотя обычно дорогой) метод повышения коррозионной стойкости металлов.
При легировании в состав сплава обычно вводят компоненты, вызывающие пассивирование металла. В качестве таких компонентов применяются хром, никель, вольфрам и др. Широкое применение нашло легирование для защиты от газовой коррозии. При этом используют сплавы, обладающие высокой жаростойкостью и жаропрочностью. [c.217] Благодаря исключительно высокому сопротивлению коррозии титан — прекрасный материал для изготовления химической аппаратуры. Но главное свойство титана, способствующее все большему его применению в современной технике, — высокая жаростойкость как самого титана, так и его сплавов с алюминием и другими металлами. Кроме того, эти сплавы обладают жаропрочностью— способностью сохранять высокие механические свойства ири повышенных температурах. Все это делает сплавы титана весьма ценными материалами для самолето- и ракетостроения.
Сплавы Сг—А1—Ре обладают исключительно высокой жаростойкостью.
Например, сплав, содержащий 30% Сг, 5% А1, 0,5% 81, устойчив на воздухе до 1300° С. Эти сплавы используют, в частности, в качестве материала для изготовления спиралей и деталей нагревательных элементов печей сопротивления. К их недостаткам относятся низкая жаропрочность и склонность к хрупкости при комнатной температуре после продолжительного нагрева на воздухе, вызываемая в известной степени образованием нитридов алюминия. По этой причине положение спиралей в печах должно быть фиксировано, а для беспрепятственного термического расширения и сжатия спирали обычно гофрируют. Жаростойкость никеля еще больше повышается при добавлении хрома. Сплав 20% Сг и 80% N1 устойчив на воздухе до 1150 С. Этот сплав — один из лучших жаростойких и жаропрочных сплавов.
NI зРе—N i зМп—N i зСг—N1 зУ—N i дТ I—NI зА1. Интерметаллические со
Значение слова «жаростойкость»
Лексическое значение: определение
Общий запас лексики (от греч. Lexikos) — это комплекс всех основных смысловых единиц одного языка.
Лексическое значение слова раскрывает общепринятое представление о предмете, свойстве, действии, чувстве, абстрактном явлении, воздействии, событии и тому подобное. Иначе говоря, определяет, что обозначает данное понятие в массовом сознании. Как только неизвестное явление обретает ясность, конкретные признаки, либо возникает осознание объекта, люди присваивают ему название (звуко-буквенную оболочку), а точнее, лексическое значение. После этого оно попадает в словарь определений с трактовкой содержания.
Словари онлайн бесплатно — открывать для себя новое
Словечек и узкоспециализированных терминов в каждом языке так много, что знать все их интерпретации попросту нереально. В современном мире существует масса тематических справочников, энциклопедий, тезаурусов, глоссариев. Пробежимся по их разновидностям:
- Толковые
Найти значение слова вы сможете в толковом словаре русского языка. Каждая пояснительная «статья» толкователя трактует искомое понятие на родном языке, и рассматривает его употребление в контенте.
(PS: Еще больше случаев словоупотребления, но без пояснений, вы прочитаете в Национальном корпусе русского языка. Это самая объемная база письменных и устных текстов родной речи.) Под авторством Даля В.И., Ожегова С.И., Ушакова Д.Н. выпущены наиболее известные в нашей стране тезаурусы с истолкованием семантики. Единственный их недостаток — издания старые, поэтому лексический состав не пополняется. - Энциклопедические
В отличии от толковых, академические и энциклопедические онлайн-словари дают более полное, развернутое разъяснение смысла. Большие энциклопедические издания содержат информацию об исторических событиях, личностях, культурных аспектах, артефактах. Статьи энциклопедий повествуют о реалиях прошлого и расширяют кругозор. Они могут быть универсальными, либо тематичными, рассчитанными на конкретную аудиторию пользователей. К примеру, «Лексикон финансовых терминов», «Энциклопедия домоводства», «Философия. Энциклопедический глоссарий», «Энциклопедия моды и одежды», мультиязычная универсальная онлайн-энциклопедия «Википедия».
- Отраслевые Эти глоссарии предназначены для специалистов конкретного профиля. Их цель объяснить профессиональные термины, толковое значение специфических понятий узкой сферы, отраслей науки, бизнеса, промышленности. Они издаются в формате словарика, терминологического справочника или научно-справочного пособия («Тезаурус по рекламе, маркетингу и PR», «Юридический справочник», «Терминология МЧС»).
- Этимологические и заимствований
Этимологический словарик — это лингвистическая энциклопедия. В нем вы прочитаете версии происхождения лексических значений, от чего образовалось слово (исконное, заимствованное), его морфемный состав, семасиология, время появления, исторические изменения, анализ. Лексикограф установит откуда лексика была заимствована, рассмотрит последующие семантические обогащения в группе родственных словоформ, а так же сферу функционирования. Даст варианты использования в разговоре. В качестве образца, этимологический и лексический разбор понятия «фамилия»: заимствованно из латинского (familia), где означало родовое гнездо, семью, домочадцев.
- Глоссарии устаревшей лексики
Чем отличаются архаизмы от историзмов?
Какие-то предметы последовательно выпадают из обихода. А следом выходят из употребления лексические определения единиц. Словечки, которые описывают исчезнувшие из жизни явления и предметы, относят к историзмам. Примеры историзмов: камзол, мушкет, царь, хан, баклуши, политрук, приказчик, мошна, кокошник, халдей, волость и прочие.
- Переводческие, иностранные Двуязычные словари для перевода текстов и слов с одного языка на другой. Англо-русский, испанский, немецкий, французский и прочие.
- Фразеологический сборник
Фразеологизмы — это лексически устойчивые обороты, с нечленимой структурой и определенным подтекстом.
- Определение неологизмов
Языковые изменения стимулирует динамичная жизнь. Человечество стремятся к развитию, упрощению быта, инновациям, а это способствует появлению новых вещей, техники. Неологизмы — лексические выражения незнакомых предметов, новых реалий в жизни людей, появившихся понятий, явлений. К примеру, что означает «бариста» — это профессия кофевара; профессионала по приготовлению кофе, который разбирается в сортах кофейных зерен, умеет красиво оформить дымящиеся чашечки с напитком перед подачей клиенту. Каждое словцо когда-то было неологизмом, пока не стало общеупотребительным, и не вошло в активный словарный состав общелитературного языка. Многие из них исчезают, даже не попав в активное употребление. Неологизмы бывают словообразовательными, то есть абсолютно новообразованными (в том числе от англицизмов), и семантическими. К семантическим неологизмам относятся уже известные лексические понятия, наделенные свежим содержанием, например «пират» — не только морской корсар, но и нарушитель авторских прав, пользователь торрент-ресурсов.
- Прочие 177+
Кроме перечисленных, есть тезаурусы: лингвистические, по различным областям языкознания; диалектные; лингвострановедческие; грамматические; лингвистических терминов; эпонимов; расшифровки сокращений; лексикон туриста; сленга. Школьникам пригодятся лексические словарники с синонимами, антонимами, омонимами, паронимами и учебные: орфографический, по пунктуации, словообразовательный, морфемный. Орфоэпический справочник для постановки ударений и правильного литературного произношения (фонетика). В топонимических словарях-справочниках содержатся географические сведения по регионам и названия. В антропонимических — данные о собственных именах, фамилиях, прозвищах.
(PS: Еще больше случаев словоупотребления, но без пояснений, вы прочитаете в Национальном корпусе русского языка. Это самая объемная база письменных и устных текстов родной речи.) Под авторством Даля В.И., Ожегова С.И., Ушакова Д.Н. выпущены наиболее известные в нашей стране тезаурусы с истолкованием семантики. Единственный их недостаток — издания старые, поэтому лексический состав не пополняется.
Толкование слов онлайн: кратчайший путь к знаниям
Проще изъясняться, конкретно и более ёмко выражать мысли, оживить свою речь, — все это осуществимо с расширенным словарным запасом. С помощью ресурса How to all вы определите значение слов онлайн, подберете родственные синонимы и пополните свою лексику. Последний пункт легко восполнить чтением художественной литературы. Вы станете более эрудированным интересным собеседником и поддержите разговор на разнообразные темы. Литераторам и писателям для разогрева внутреннего генератора идей полезно будет узнать, что означают слова, предположим, эпохи Средневековья или из философского глоссария.
Глобализация берет свое. Это сказывается на письменной речи. Стало модным смешанное написание кириллицей и латиницей, без транслитерации: SPA-салон, fashion-индустрия, GPS-навигатор, Hi-Fi или High End акустика, Hi-Tech электроника. Чтобы корректно интерпретировать содержание слов-гибридов, переключайтесь между языковыми раскладками клавиатуры.
Пусть ваша речь ломает стереотипы. Тексты волнуют чувства, проливаются эликсиром на душу и не имеют срока давности. Удачи в творческих экспериментах!
Проект how-to-all.com развивается и пополняется современными словарями с лексикой реального времени. Следите за обновлениями. Этот сайт помогает говорить и писать по-русски правильно. Расскажите о нас всем, кто учится в универе, школе, готовится к сдаче ЕГЭ, пишет тексты, изучает русский язык.
Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома
Добавлено в избранное Любимый 107Основы электроэнергетики
Приступая к изучению мира электричества и электроники, важно начать с понимания основ напряжения, тока и сопротивления. Это три основных строительных блока, необходимых для управления электричеством и его использования. Поначалу эти концепции могут быть трудными для понимания, потому что мы не можем их «видеть».
Невооруженным глазом нельзя увидеть энергию, протекающую по проводу, или напряжение батареи, стоящей на столе. Даже молния в небе, хотя и видимая, на самом деле не является обменом энергии между облаками и землей, а является реакцией в воздухе на энергию, проходящую через него. Чтобы обнаружить эту передачу энергии, мы должны использовать измерительные инструменты, такие как мультиметры, анализаторы спектра и осциллографы, чтобы визуализировать, что происходит с зарядом в системе. Однако не бойтесь, это руководство даст вам общее представление о напряжении, токе и сопротивлении, а также о том, как они соотносятся друг с другом.
Георг Ом
Рассмотрено в этом учебном пособии
- Как электрический заряд соотносится с напряжением, током и сопротивлением.
- Что такое напряжение, сила тока и сопротивление.
- Что такое закон Ома и как его использовать для понимания электричества.
- Простой эксперимент для демонстрации этих концепций.
Рекомендуемая литература
и nbsp
и nbsp
Электрический заряд
Электричество — это движение электронов.Электроны создают заряд, который мы можем использовать для работы. Ваша лампочка, стереосистема, телефон и т. Д. — все используют движение электронов для выполнения работы. Все они работают, используя один и тот же основной источник энергии: движение электронов.
Три основных принципа этого руководства можно объяснить с помощью электронов или, более конкретно, заряда, который они создают:
- Напряжение — разница заряда между двумя точками.
- Текущий — это скорость, с которой происходит начисление.
- Сопротивление — это способность материала сопротивляться прохождению заряда (тока).
Итак, когда мы говорим об этих значениях, мы на самом деле описываем движение заряда и, следовательно, поведение электронов.
Цепь — это замкнутый контур, который позволяет заряду перемещаться из одного места в другое. Компоненты схемы позволяют нам контролировать этот заряд и использовать его для работы.
Георг Ом был баварским ученым, изучавшим электричество. Ом начинается с описания единицы сопротивления, которая определяется током и напряжением.Итак, начнем с напряжения и продолжим.
Напряжение
Мы определяем напряжение как количество потенциальной энергии между двумя точками цепи. Одна точка заряжена больше, чем другая. Эта разница в заряде между двумя точками называется напряжением. Он измеряется в вольтах, что технически представляет собой разность потенциалов между двумя точками, которые передают один джоуль энергии на каждый кулон заряда, который проходит через них (не паникуйте, если это не имеет смысла, все будет объяснено).
Единица «вольт» названа в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который изобрел то, что считается первой химической батареей. Напряжение представлено в уравнениях и схемах буквой «V».
При описании напряжения, тока и сопротивления часто используется аналогия с резервуаром для воды. В этой аналогии заряд представлен количеством воды , напряжение представлено давлением воды , а ток представлен потоком воды . Для этой аналогии запомните:
- Вода = Заряд
- Давление = Напряжение
- Расход = Текущий
Рассмотрим резервуар для воды на определенной высоте над землей.На дне этого бака есть шланг.
Давление на конце шланга может представлять напряжение. Вода в баке представляет собой заряд. Чем больше воды в баке, тем выше заряд, тем больше давление измеряется на конце шланга.
Мы можем представить этот резервуар как батарею, место, где мы накапливаем определенное количество энергии, а затем высвобождаем ее.
Если мы опорожняем наш бак определенным количеством жидкости, давление, создаваемое на конце шланга, падает. Мы можем думать об этом как об уменьшении напряжения, например, когда фонарик тускнеет по мере разрядки батарей.Также уменьшается количество воды, протекающей через шланг. Меньшее давление означает, что течет меньше воды, что приводит нас к течению.
Текущий
Мы можем представить себе количество воды, протекающей по шлангу из бака, как ток. Чем выше давление, тем выше расход, и наоборот. С водой мы бы измерили объем воды, протекающей по шлангу за определенный период времени.18 электронов (1 кулон) в секунду проходят через точку в цепи. Амперы представлены в уравнениях буквой «I».
Предположим теперь, что у нас есть два резервуара, каждый со шлангом, идущим снизу. В каждом резервуаре одинаковое количество воды, но шланг одного резервуара уже, чем шланг другого.
Мы измеряем одинаковое давление на конце любого шланга, но когда вода начинает течь, расход воды в баке с более узким шлангом будет меньше, чем расход воды в баке с более широкий шланг.С точки зрения электричества, ток через более узкий шланг меньше, чем через более широкий шланг. Если мы хотим, чтобы поток через оба шланга был одинаковым, мы должны увеличить количество воды (заряд) в баке с помощью более узкого шланга.
Это увеличивает давление (напряжение) на конце более узкого шланга, проталкивая больше воды через бак. Это аналогично увеличению напряжения, которое вызывает увеличение тока.
Теперь мы начинаем видеть взаимосвязь между напряжением и током.Но здесь следует учитывать третий фактор: ширину шланга. В этой аналогии ширина шланга — это сопротивление. Это означает, что нам нужно добавить еще один термин в нашу модель:
.- Вода = заряд (измеряется в кулонах)
- Давление = напряжение (измеряется в вольтах)
- Расход = ток (измеряется в амперах, или сокращенно «амперах»)
- Ширина шланга = сопротивление
Сопротивление
Снова рассмотрим наши два резервуара для воды, один с узкой трубой, а другой с широкой.
Само собой разумеется, что мы не можем пропустить через узкую трубу такой же объем, как более широкий, при том же давлении. Это сопротивление. Узкая труба «сопротивляется» потоку воды через нее, даже если вода находится под тем же давлением, что и резервуар с более широкой трубой.
В электрических терминах это представлено двумя цепями с одинаковым напряжением и разным сопротивлением. Цепь с более высоким сопротивлением позволит протекать меньшему количеству заряда, а это означает, что в цепи с более высоким сопротивлением протекает меньший ток.18 электронов. На схемах это значение обычно обозначается греческой буквой «& ohm;», которая называется омега и произносится как «ом».
Закон Ома
Объединив элементы напряжения, тока и сопротивления, Ом разработал формулу:
Где
- В = Напряжение в вольтах
- I = ток в амперах
- R = Сопротивление в Ом
Это называется законом Ома.
Скажем, например, что у нас есть цепь с потенциалом 1 вольт, током 1 ампер и сопротивлением 1 Ом. Используя закон Ома, мы можем сказать:
Допустим, это наш резервуар с широким шлангом. Количество воды в баке определяется как 1 В, а «узость» (сопротивление потоку) шланга определяется как 1 Ом. Используя закон Ома, это дает нам ток (ток) в 1 ампер.
Используя эту аналогию, давайте теперь посмотрим на бак с узким шлангом. Поскольку шланг более узкий, его сопротивление потоку выше.Определим это сопротивление как 2 Ом. Количество воды в резервуаре такое же, как и в другом резервуаре, поэтому, используя закон Ома, наше уравнение для резервуара с узким шлангом составляет
.а какой ток? Поскольку сопротивление больше, а напряжение такое же, это дает нам значение тока 0,5 А:
Значит, в баке с большим сопротивлением ток меньше. Теперь мы видим, что, зная два значения закона Ома, мы можем решить третье.Продемонстрируем это на эксперименте.
Эксперимент по закону Ома
Для этого эксперимента мы хотим использовать батарею на 9 В для питания светодиода.
Светодиоды хрупкие и могут пропускать через них только определенное количество тока, прежде чем они перегорят. В документации к светодиоду всегда будет «текущий рейтинг». Это максимальное количество тока, которое может пройти через конкретный светодиод, прежде чем он перегорит.
Необходимые материалы
Для проведения экспериментов, перечисленных в конце руководства, вам потребуется:
ПРИМЕЧАНИЕ. Светодиоды — это так называемые «неомические» устройства.Это означает, что уравнение для тока, протекающего через сам светодиод, не так просто, как V = IR. Светодиод вызывает в цепи то, что называется «падением напряжения», тем самым изменяя величину протекающего через нее тока. Однако в этом эксперименте мы просто пытаемся защитить светодиод от перегрузки по току, поэтому мы пренебрегаем токовыми характеристиками светодиода и выбираем номинал резистора, используя закон Ома, чтобы быть уверенным, что ток через светодиод безопасно ниже 20 мА.
В этом примере у нас есть батарея на 9 В и красный светодиод с номинальным током 20 мА, или 0.
020 ампер. Чтобы быть в безопасности, мы бы предпочли не управлять максимальным током светодиода, а его рекомендуемым током, который указан в его техническом описании как 18 мА или 0,018 ампер. Если просто подключить светодиод непосредственно к батарее, значения закона Ома будут выглядеть так:
следовательно:
, а поскольку сопротивления еще нет:
Деление на ноль дает бесконечный ток! Что ж, на практике не бесконечно, но столько тока, сколько может дать батарея. Поскольку мы НЕ хотим, чтобы через светодиод проходил такой большой ток, нам понадобится резистор.Наша схема должна выглядеть так:
Мы можем использовать закон Ома точно так же, чтобы определить значение резистора, которое даст нам желаемое значение тока:
следовательно:
вставляем наши значения:
решение для сопротивления:
Итак, нам нужно сопротивление резистора около 500 Ом, чтобы ток, проходящий через светодиод, не превышал максимально допустимый.
500 Ом не является обычным значением для стандартных резисторов, поэтому в этом устройстве вместо него используется резистор 560 Ом.Вот как выглядит наше устройство вместе.
Успех! Мы выбрали номинал резистора, достаточно высокий, чтобы ток через светодиод не превышал его максимального номинала, но достаточно низкий, чтобы ток был достаточным, чтобы светодиод оставался красивым и ярким.
Этот пример светодиодного / токоограничивающего резистора является обычным явлением в хобби-электронике. Вам часто придется использовать закон Ома, чтобы изменить величину тока, протекающего по цепи. Другой пример такой реализации — светодиодные платы LilyPad.
При такой настройке вместо того, чтобы выбирать резистор для светодиода, резистор уже встроен в светодиод, поэтому ограничение тока осуществляется без необходимости добавлять резистор вручную.
Ограничение тока до или после светодиода?
Чтобы немного усложнить задачу, вы можете разместить токоограничивающий резистор по обе стороны от светодиода, и он будет работать точно так же!
Многие люди, впервые изучающие электронику, борются с идеей, что резистор, ограничивающий ток, может находиться по обе стороны от светодиода, и схема по-прежнему будет работать как обычно.
Представьте себе реку в непрерывной петле, бесконечную, круглую, текущую реку. Если бы мы построили в нем плотину, то перестала бы течь вся река, а не только одна сторона. А теперь представьте, что мы помещаем водяное колесо в реку, которое замедляет течение реки. Неважно, где в круге находится водяное колесо, оно все равно замедлит поток на всей реке .
Это чрезмерное упрощение, поскольку токоограничивающий резистор нельзя размещать где-либо в цепи ; он может быть размещен на с любой стороны светодиода для выполнения своей функции.
Чтобы получить более научный ответ, обратимся к закону напряжения Кирхгофа. Именно из-за этого закона резистор, ограничивающий ток, может располагаться по обе стороны светодиода и при этом иметь тот же эффект. Для получения дополнительной информации и некоторых практических задач с использованием KVL посетите этот веб-сайт.
Ресурсы и движение вперед
Теперь вы должны понять концепции напряжения, тока, сопротивления и их взаимосвязь.
Поздравляю! Большинство уравнений и законов для анализа цепей можно вывести непосредственно из закона Ома.Зная этот простой закон, вы понимаете концепцию, лежащую в основе анализа любой электрической цепи!
Эти концепции — лишь верхушка айсберга. Если вы хотите продолжить изучение более сложных приложений закона Ома и проектирования электрических цепей, обязательно ознакомьтесь со следующими руководствами.
Потери тепла при передаче через элементы здания
Передача тепла через стену здания или аналогичную конструкцию может быть выражена как:
H t = UA dt (1)
где
H t = тепловой поток (БТЕ / час, Вт, Дж / с)
U = общий коэффициент теплопередачи, «U-значение» (БТЕ / час фут 2 o F, Вт / м 2 K)
A = площадь стены (футы 2 , м 2 )
dt = разница температур ( o F, K)
Общий коэффициент теплопередачи — коэффициент теплопередачи — описывает, насколько хорошо строительный элемент проводит тепло или скорость передачи тепла (в ваттах или БТЕ / час) через единицу площади (м 2 или фут 2 ).
ул. структура, деленная на разницу температур в конструкции.
Онлайн-калькулятор тепловых потерь
Значение U (БТЕ / час фут 2 o F, Вт / м 2 K)
Площадь стены (футы 2 , м 2 )
Разница температур ( o F, o C, K)
Общие коэффициенты теплопередачи некоторых распространенных строительных элементов
| Строительный элемент | Коэффициент теплопередачи U-значение | ||
|---|---|---|---|
| (BTU / (час фут 2 o F)) | (W / (m 2 K)) | ||
| Двери одинарные | — металлические1.2 | 6,8 | |
| 1 дюйм — дерево | 0,65 | 3,7 | |
| 2 дюйма — дерево | 0,45 | 2,6 | |
| Кровля | 903 903 903 903 без гофрированного металла 903|||
| 1 дюйм дерева — неизолированный | 0,5 | 2,8 | |
| 2 дюйма дерева — неизолированный | 0,3 | 1,7 | |
| 1 дюйм дерева — изоляция 1 дюйм | 0. 2 | 1,1 | |
| Дерево 2 дюйма — изоляция 1 дюйм | 0,15 | 0,9 | |
| 2 дюйма — бетонная плита | 0,3 | 1,7 | |
| 2 дюйма — бетонная плита — изоляция 1 дюйм | 0,15 | 0,9 | |
| Окна | Вертикальное одинарное остекление в металлической раме | 5,8 | |
| Вертикальное одинарное остекление в деревянной раме | 4.7 | ||
| Вертикальное окно с двойным остеклением, расстояние между стеклами 30 — 60 мм | 2,8 | ||
| Вертикальное окно с тройным остеклением, расстояние между стеклами 30 — 60 мм | 1,85 | ||
| Вертикальное герметичное окно с двойным остеклением , расстояние между стеклами 20 мм | 3,0 | ||
| Вертикальное герметичное тройное остекление, расстояние между стеклами 20 мм | 1,9 | ||
| Вертикальное герметичное двойное остекление с покрытием Low-E | 0. 32 | 1,8 | |
| Вертикальное окно с двойным остеклением с покрытием Low-E и заполнением тяжелым газом | 0,27 | 1,5 | |
| Вертикальное окно с двойным остеклением с 3 пластиковыми пленками (с покрытием Low-E) и заполнение тяжелым газом | 0,06 | 0,35 | |
| Горизонтальное одинарное стекло | 1,4 | 7,9 | |
| Стены | 6 дюймов (150 мм) — заливной бетон 80 фунтов / фут 3| 0. 3337 | 3,9 | |
| 10 дюймов (250 мм) — кирпич | 0,36 | 2,0 | |
Значения U и R
Значение U (или U-фактор) является мерой скорости потеря или получение тепла из-за конструкции материалов. Чем ниже коэффициент U, тем выше сопротивление материала тепловому потоку и тем лучше изоляционные свойства. Значение U — это величина, обратная значению R.
Общее значение U для конструкции, состоящей из нескольких слоев, может быть выражено как
U = 1 / ∑ R (2)
, где
U = коэффициент теплопередачи (БТЕ / hr ft 2 o F, Вт / м 2 K)
R = «R-value» — сопротивление тепловому потоку в каждом слое (hr ft 2 o F / Btu, м 2 K / Вт)
R-значение одного слоя может быть выражено как:
R = 1 / C = s / k (3)
, где
C = проводимость слоя (британских тепловых единиц / час фут 2 o F, Вт / м 2 K)
k = теплопроводность материала слоя (BTu / час фут 2 o F, Вт / м · К)
s = толщина слоя (дюймы, м)
Примечание! — в дополнение к сопротивлению в каждом строительном слое — существует сопротивление внутренней и внешней поверхности окружающей среде.
Если вы хотите добавить поверхностное сопротивление к вычислителю U ниже, используйте один — 1 — для толщины — l t — и поверхностное сопротивление для проводимости — K .
Онлайн Значение U Калькулятор
Этот калькулятор можно использовать для расчета общего значения U для конструкции с четырьмя слоями. Добавьте толщину — l t — и удельную проводимость слоя K для каждого слоя.Если количество слоев меньше четырех, замените толщину одного или нескольких слоев нулем.
1 с (дюйм, м) k (британская тепловая единица дюйм / час фут 2 o F, Вт / м · К)
2 с (дюйм, м) k (британская тепловая единица дюйм / час фут 2 o F, Вт / м · К)
3 с (дюйм, м) k (британских тепловых единиц дюйм / час фут 2 o F, Вт / м · К)
4 с (дюйм, м) k (БТЕ дюйм / час фут 2 o F, Вт / мK)
Пример — значение U Бетонная стена
Бетонная стена толщиной 0.
25 (м) и проводимость 1,7 (Вт / мК) используется для значений по умолчанию в калькуляторе выше. Сопротивление внутренней и внешней поверхности оценивается в 5,8 (м 2 K / Вт) .
Значение U можно рассчитать как
U = 1 / (1 / (5,8 м 2 K / Вт) + (0,25 м) / (1,7 Вт / мK))
= 3,13 Вт / м 2 K