Все виды коррозии появляются по тем или иным причинам. Ключевой из них считается неустойчивость с точки зрения термодинамики материалов к соединениям, которые имеются в рабочих средах, где функционируют изделия из металлов.
1
Под коррозией подразумевают разрушение материалов, вызванное физико-химическим либо сугубо химическим влиянием среды. Прежде всего, коррозию делят по типу на электрохимическую и химическую, по характеру – на местную и сплошную.
Местная коррозия бывает ножевой, межкристаллитной, сквозной (сквозная коррозия известна владельцам машин, которые не следят за состоянием кузова своего транспортного средства), питтинговой, подповерхностной, нитевидной, язвенной. Она также проявляется хрупкостью, растрескиванием и пятнами. Сплошное окисление может быть избирательным, неравномерным и равномерным.
Различают следующие виды коррозии:
- биологическая – обусловлена деятельностью микроорганизмов;
- атмосферная – разрушение материалов под влиянием воздуха;
- жидкостная – окисление металлов в неэлектролитах и электролитах;
- контактная – образуется при взаимодействии в электролитической среде металлов с различными величинами стационарных потенциалов;
- газовая – становится возможной при повышенных температурах в газовых атмосферах;
- белая – часто встречается в быту (на предметах, сделанных из оцинкованной стали, на батареях отопления);
- структурная – имеет отношение к неоднородности материалов;
- щелевая – возникает исключительно в щелях и зазорах, присутствующих в металлических изделиях;
- почвенная – отмечается в почвах и грунтах;
- фреттинг-коррозия – образуется при передвижениях (колебательных) по отношению друг к другу двух поверхностей;
- внешним током – разрушение конструкции, вызываемое воздействие электротока, поступающего от какого-либо внешнего источника;
- блуждающими токами.
Кроме того, существует так называемая коррозионная эрозия – ржавление металлов при трении, коррозия под напряжением, вызванная механическим напряжением и влиянием агрессивной среды, кавитация (коррозионный процесс плюс ударный контакт конструкции с внешней атмосферой). Мы привели основные разновидности коррозии, о некоторых из которых далее расскажем более подробно.
2
Подобное явление обычно фиксируется при тесном взаимодействии (плотном контакте) пластмассы или резины с металлом либо двух металлов. Разрушение материалов при этом происходит в месте их контакта из-за возникающего в данной области трения, вызываемого влиянием коррозионной среды. На конструкции в этом случае, как правило, действует относительно высокая нагрузка.
Чаще всего, фреттинг-коррозия поражает движущиеся соприкасающиеся стальные или металлические валы, элементы подшипников, разнообразные болтовые, шлицевые, заклепочные и шпоночные соединения, канаты и тросы (то есть те изделия, которые воспринимают определенные колебательные, вибрационные и вращательные напряжения).
По сути, фреттинг-коррозия образуется из-за влияния активной коррозионной среды в комбинации с износом механического характера.
Механизм этого процесса следующий:
- на поверхности контактирующих материалов под влиянием коррозионной среды появляются продукты коррозии (оксидная пленка);
- указанная пленка разрушается при трении и остается между контактирующими материалами.
С течением времени процесс разрушения оксидной пленки становится все более интенсивным, что обычно становится причиной образования контактного разрушения металлов. Фреттинг-коррозия протекает с разной скоростью, которая зависит от типа коррозионной среды, структуры материалов и нагрузок, воздействующих на них, температуры среды. Если на контактирующихся поверхностях появляется белая пленка (наблюдается процесс обесцвечивания металла), речь чаще всего идет именно о фреттинг-процессе.
Нивелировать негативные для металлоконструкций последствия, которые вызывает фреттинг-коррозия, можно следующими способами:
- Использование смазочных вязких составов. Эта методика работает, если на изделия не действуют чересчур большие нагрузки. Перед нанесением смазки поверхность металлов насыщается фосфатами (малорастворимыми) марганца, цинка или обычного железа. Данный способ защиты от фреттинг-коррозии считается временным. Он остается эффективным до тех пор, пока из-за скольжения защитный состав полностью не удаляется. Смазки, кстати, не используются для предохранения конструкций из .
- Грамотный выбор материалов для изготовления конструкции. Фреттинг-коррозия образуется крайне редко, если объект сделан из твердых и мягких металлов. Например, стальные поверхности рекомендуется покрывать серебром, кадмием, оловом, свинцом.
- Использование дополнительных покрытий с особыми свойствами, прокладок, кобальтовых сплавов, материалов с малым показателем коэффициента трения.
Иногда фреттинг-коррозия предупреждается посредством создания поверхностей, контактирующих между собой, с минимальной величиной скольжения. Но такая методика применяется очень редко, ввиду объективной сложности ее реализации.
3
Под данным видом коррозионного разрушения материалов понимают коррозию, которой подвергаются сооружения и конструкции, функционирующие в приземной атмосферной части. Атмосферная коррозия бывает мокрой, влажной и сухой. Последняя из указанных протекает по химической схеме, первые две – по электрохимической.
Атмосферная коррозия влажного типа становится возможной тогда, когда на металлах имеется небольшая по толщине (не более одного микрометра) пленка влаги. На ней и происходит конденсация влажных капелек. Конденсационный процесс может идти по адсорбционной, химической либо капиллярной схеме.
Атмосферная коррозия сухого типа возникает без наличия влажной пленки на поверхности металлов. На первых этапах разрушение материала идет достаточно быстро, но затем скорость ржавления существенно замедляется. Сухая атмосферная коррозия может протекать и намного активнее, если на конструкции воздействуют какие-либо газовые соединения, присутствующие в атмосфере (сернистые и другие газы).
Атмосферная коррозия мокрого типа образуется при стопроцентной влажности воздуха. Ей подвержены любые объекты, которые эксплуатируются в воде либо постоянно подвергаются воздействию влаги (например, обливаются водой).
Атмосферная коррозия наносит серьезный ущерб конструкциям из металлов, поэтому для борьбы с ней создаются различные методики:
- Уменьшение влажности (относительной) воздуха. Сравнительно несложный и при этом очень эффективный способ, который заключается в осушении воздуха и подогреве помещений, где эксплуатируются металлоконструкции. Атмосферная коррозия при такой методике сильно замедляется.
- Покрытие поверхностей неметаллическими (лаки, краски, пасты, смазочные композиции) и металлическими (никелевые и цинковые) составами.
- Легирование металлов. Атмосферная коррозия становится менее бурной в тех случаях, когда в металл привносят фосфор, титан, хром, медь, алюминий, никель в незначительных количествах. Они приостанавливают анодный процесс либо переводят стальные поверхности в пассивное состояние.
- Использование ингибиторов – летучих или контактных. К летучим относят дициклогексиламин, бензоаты, карбонаты, моноэтаноламин. А самым известным ингибитором контактного типа является нитрит натрия.
4
Газовая коррозия отмечается, как правило, при повышенных температурах в атмосфере сухих паров и газов. Больше всего от нее страдают предприятия химической, нефтегазовой и металлургической промышленности, так как она поражает емкости, где производится переработка химических соединений и веществ, двигатели специальных машин, химические установки и агрегаты, газовые турбины, оборудование для термообработки и плавления стали и металлов.
Протекает газовая коррозия при окислении:
- углекислого газа (углекислотная коррозия);
- сероводорода (сероводородная коррозия);
- водорода, хлора, различных галогенов, метана.
Наиболее часто газовая коррозия обусловлена воздействием кислорода. Разрушение металлов при ней идет по далее приведенной схеме:
- ионизация металлической поверхности (появляются электроны и катионы, которые насыщают оксидную пленку);
- диффузия (к газовой фазе) электронов и катионов;
- ослабление межатомных связей в кислородной молекуле, вызванное адсорбцией (физической) на металлической поверхности кислорода;
- адсорбция химического типа, приводящая к созданию плотной пленки оксидов.
После этого ионы кислорода проникают вглубь пленки, где они контактируют с катионами металла. Газовая коррозия, вызываемая влиянием других химических соединений, проходит по аналогичному принципу.
Явление водородной коррозии стали отмечается в технологическом оборудовании, которое работает в водородных атмосферах при высоких (от 300 МПа) давлениях и температурах более +200 °С. Такая коррозия образуется за счет контакта карбидов, входящих в стальные сплавы, с водородом. Визуально она плохо заметна (поверхность конструкции не имеет явных повреждений), но при этом прочностные показатели стальных изделий существенно уменьшаются.
Существует также понятие коррозии с водородной деполяризацией. Этот процесс может происходить при определенной величине парциального давления в среде, с которой контактирует электролит. Обычно явление коррозии с водородной деполяризацией наблюдается в двух случаях:
- при низкой активности в электролитическом растворе ионов металла;
- при повышенной активности в электролите ионов водорода.
Углекислотная коррозия поражает нефтяное оборудование и трубопроводы, которые функционируют в средах, содержащих двуокись углерода. В наши дни такой вид коррозионного разрушения предотвращают путем эксплуатации с малым уровнем легирования. Оптимальные результаты, как показала практика, отмечаются при использовании сплавов с включением хрома от 8 до 13 процентов.
Коррозия - это разрушение металлических, керамических, деревянных и других материалов в результате химического или физико-химического взаимодействия. Что же касается причин возникновения такого нежелательного эффекта, то они разные. В большинстве случаев это конструкционная неустойчивость к термодинамическим воздействиям окружающей среды. Давайте подробно разберемся с тем, что такое коррозия. Виды коррозии тоже обязательно нужно рассмотреть, да и о защите от нее поговорить не будет лишним.
Немного общих сведений
Мы привыкли слышать термин «ржавление», который применяется в случае коррозии металла и сплавов. Есть еще такое понятие, как «старение», - оно свойственно полимерам. По сути, это одно и то же. Яркий пример - старение резиновых изделий из-за активного взаимодействия с кислородом. Помимо этого, некоторые пластиковые элементы разрушаются под воздействием Скорость протекания коррозии напрямую зависит от условий, в которых находится объект. Так, ржавчина на металлическом изделии будет распространяться тем быстрее, чем выше температура. Также влияет и влажность: чем она выше, тем быстрее непригодным для дальнейшей эксплуатации. Опытным путем установлено, что примерно 10 процентов металлических изделий безвозвратно списываются, и виной всему - коррозия. Виды коррозии бывают различными и классифицируются в зависимости от типа сред, характера протекания и тому подобного. Давайте рассмотрим их более подробно.
Классификация
В настоящее время существует более двух десятков вариантов ржавления. Мы приведем только самые основные виды коррозии. Условно их можно поделить на следующие группы:
- Химическая коррозия - процесс взаимодействия с коррозионной средой, при котором и восстановление окислителя проходят в одном акте. Металл и окислитель не разделены пространственно.
- Электрохимическая коррозия - процесс взаимодействия металла с Ионизация атомов и восстановление окислителя проходят в разных актах, однако скорость во многом зависит от электродного потенциала.
- Газовая коррозия - химическое ржавление металла при минимальном содержании влаги (не более 0,1 процента) и/или высоких температурах в газовой среде. Чаще всего данный вид встречается в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Помимо этого, существует еще огромное количество процессов ржавления. Все они и есть коррозия. Виды коррозии, кроме вышеописанных, включают биологическое, радиоактивное, атмосферное, контактное, местное, целевое ржавление и др.
Электрохимическая коррозия и ее особенности
При таком виде разрушения процесс протекает при соприкосновении металла с электролитом. В качестве последнего может выступать конденсат или дождевая вода. Чем больше в жидкости содержится солей и кислот, тем выше электропроводность, а следовательно, и скорость протекания процесса. Что же касается наиболее подверженных коррозии мест металлической конструкции, то это заклепки, сварные соединения, места механических повреждений. В случае если конструкционные свойства сплава железа делают его устойчивым к ржавлению, процесс несколько замедляется, однако все равно продолжается. Ярким примером является оцинковка. Дело в том, что цинк имеет более отрицательный потенциал, нежели железо. По этой простой причине сплав железа восстанавливается, а цинк коррозирует. Однако наличие на поверхности оксидной пленки сильно замедляет процесс разрушения. Безусловно, все виды электрохимической коррозии являются крайне опасными и иногда с ними даже невозможно бороться.
Химическая коррозия
Такое изменение металла встречается довольно часто. Ярким примером является появление окалины в результате взаимодействия металлических изделий с кислородом. Высокая температура в этом случае выступает ускорителем процесса, а участвовать в нем могут такие жидкости, как вода, соли, кислоты, щелочи и растворы солей. Если говорить о таких материалах, как медь или цинк, то их окисление приводит к возникновению устойчивой к дальнейшей коррозии пленки. Стальные же изделия образуют окиси железа. Дальнейшие приводят к возникновению ржавчины, которая не обеспечивает никакой защиты от дальнейшего разрушения, а наоборот, способствует этому. В настоящее время все виды химической коррозии устраняются при помощи оцинковки. Могут применяться и другие средства защиты.
Виды коррозии бетона
Изменение структуры и увеличение хрупкости бетона под воздействием окружающей среды может быть трех видов:
- Разрушение частей цементного камня - один из самых распространенных видов коррозии. Он имеет место в том случае, если изделие из бетона подвергается систематическому воздействию атмосферных осадков и других жидкостей. В результате вымывается гидрат окиси кальция и нарушается структура.
- Взаимодействие с кислотами. Если цементный камень будет контактировать с кислотами, то образуется бикарбонат кальция - агрессивный химический элемент для бетонного изделия.
- Кристаллизация труднорастворимых веществ. По сути, имеется в виду биокоррозия. Суть заключается в том, что микроорганизмы (споры, грибки) попадают в поры и там развиваются, вследствие чего происходит разрушение.
Коррозия: виды, способы защиты
Миллиардные ежегодные убытки привели к тому, что люди стали бороться с этим вредным воздействием. Можно с уверенностью говорить о том, что все виды коррозии приводят к потере не самого металла, а ценных металлоконструкций, на строительство которых тратятся огромные деньги. Сложно сказать, возможно ли обеспечить 100-процентную защиту. Тем не менее, при правильной подготовке поверхности, которая заключается в абразивоструйной очистке, можно добиться хороших результатов. От электрохимической коррозии надежно защищает лакокрасочное покрытие при правильном его нанесении. А от разрушения металла под землей надежно защитит специальная обработка поверхности.
Активные и пассивные методы борьбы
Суть активных методов заключается в том, чтобы изменить структуру двойного электрического поля. Для этого используют источник постоянного тока. Напряжение нужно выбирать таким образом, чтобы повышался изделия, которое нужно защитить. Еще один крайне популярный метод - «жертвенный» анод. Он разрушается, защищая основной материал.
Пассивная защита подразумевает использование лакокрасочного покрытия. Основная задача заключается в том, чтобы полностью предотвратить попадание влаги, а также кислорода на защищаемую поверхность. Как уже было отмечено несколько выше, имеет смысл использовать цинковое, медное или никелевое напыление. Даже частично разрушенный слой будет защищать металл от ржавления. Конечно, данные виды защиты от коррозии металлов действенны только тогда, когда поверхность не будет иметь видимых дефектов в виде трещин, сколов и тому подобного.
Оцинкование в подробностях
Мы уже с вами рассмотрели основные виды коррозии, а сейчас хотелось бы поговорить о лучших методах защиты. Одним из таких является оцинкование. Суть его заключается в том, что на обрабатываемую поверхность наносится цинк или его сплав, что придает поверхности некоторые физико-химические свойства. Стоит отметить, что данный метод считается одним из самых экономичных и эффективных, и это при том, что на металлизацию цинком расходуется примерно 40 процентов от мировой добычи этого элемента. Оцинкованию могут подвергаться стальные листы, крепежные детали, а также приборы и другие металлоконструкции. Интересно то, что с помощью металлизации или распыления можно защитить изделие любого размера и формы. Декоративного назначения цинк не имеет, хотя с помощью некоторых специальных добавок появляется возможность получения блестящих поверхностей. В принципе, этот металл способен обеспечить максимальную защиту в агрессивных средах.
Заключение
Вот мы и рассказали вам о том, что такое коррозия. Виды коррозии тоже были рассмотрены. Теперь вы знаете, как защитить поверхность от преждевременного ржавления. По большому счету, сделать это предельно просто, но немалое значение имеет то, где и как эксплуатируется изделие. Если оно постоянно подвергается динамическим и вибрационным нагрузкам, то велика вероятность возникновения трещин в лакокрасочных покрытиях, через которые влага будет попадать на металл, в результате чего он будет постепенно разрушаться. Тем не менее, использование различных резиновых прокладок и герметиков в местах взаимодействия металлических изделий может несколько продлить срок службы покрытия.
Ну, вот и все по данной теме. Помните о том, что преждевременное разрушение конструкции из-за воздействия коррозии может привести к непредвиденным последствиям. На предприятии большой материальный ущерб и человеческие жертвы возможны в результате ржавления несущей металлоконструкции.
Отдельные проводники электрической цепи могут быть соединены между собой последовательно, параллельно и смешанно. При этом последовательное и проводников являются основными видами соединений, а это их совокупность.
Последовательным соединением проводников называется такое соединение, когда конец первого проводника соединен с началом второго, конец второго проводника соединен с началом третьего и так далее (рисунок 1).
U 1 = I × r 1 = 4 × 2 = 8 В.
Вольтметр V 1 , включенный между точками а и б , покажет 8 В.
В сопротивлении r 2 также происходит падение напряжения:
U 2 = I × r 2 = 4 × 3 = 12 В.
Вольтметр V 2 , включенный между точками в и г , покажет 12 В.
Падение напряжения в сопротивлении r 3:
U 3 = I × r 3 = 4 × 5 = 20 В.
Вольтметр V 3 , включенный между точками д и е , покажет 20 В.
Если вольтметр присоединить одним концом к точке а , другим концом к точке г , то он покажет разность потенциалов между этими точками, равную сумме падений напряжения в сопротивлениях r 1 и r 2 (8 + 12 = 20 В).
Таким образом, вольтметр V , измеряющий напряжение на зажимах цепи и включенный между точками а и е , покажет разность потенциалов между этими точками или сумму падений напряжения в сопротивлениях r 1 , r 2 и r 3 .
Отсюда видно, что сумма падений напряжения на отдельных участках электрической цепи равна напряжению на зажимах цепи.
Так как при последовательном соединении ток цепи на всех участках одинаков, то падение напряжения пропорционально сопротивлению данного участка.
Пример 2. Три сопротивления 10, 15 и 20 Ом соединены последовательно, как показано на рисунке 3. Ток в цепи 5 А. Определить падение напряжения на каждом сопротивлении.
U
1 = I
× r
1 = 5 ×10 = 50 В,
U
2 = I
× r
2 = 5 ×15 = 75 В,
U
3 = I
× r
3 = 5 ×20 = 100 В.
Рисунок 3. К примеру 2
Общее напряжение цепи равно сумме падений напряжений на отдельных участках цепи:
U = U 1 + U 2 + U 3 = 50 + 75 + 100 = 225 В.
Параллельным соединением проводников называется такое соединение, когда начала всех проводников соединены в одну точку, а концы проводников – в другую точку (рисунок 4). Начало цепи присоединяется к одному полюсу источника напряжения, а конец цепи – к другому полюсу.
Из рисунка видно, что при параллельном соединении проводников для прохождения тока имеется несколько путей. Ток, протекая к точке разветвления А , растекается далее по трем сопротивлениям и равен сумме токов, уходящих от этой точки:
I = I 1 + I 2 + I 3 .
Если токи, приходящие к точке разветвления, считать положительными, а уходящие – отрицательными, то для точки разветвления можно написать:
то есть алгебраическая сумма токов для любой узловой точки цепи всегда равна нулю. Это соотношение, связывающее токи в любой точке разветвления цепи, называется . Определение первого закона Кирхгофа может звучать и в другой формулировке, а именно: сумма токов втекающих в узел электрической цепи равна сумме токов вытекающих из этого узла.
Видео 2. Первый закон Кирхгофа
Обычно при расчете электрических цепей направление токов в ветвях, присоединенных к какой либо точке разветвления, неизвестны. Поэтому для возможности самой записи уравнения первого закона Кирхгофа нужно перед началом расчета цепи произвольно выбрать так называемые положительные направления токов во всех ее ветвях и обозначить их стрелками на схеме.
g = g 1 + g 2 + g 3 .
Таким образом, при параллельном соединении увеличивается не сопротивление, а проводимость .
Пример 3. Определить общее сопротивление трех параллельно включенных сопротивлений, если r 1 = 2 Ом, r 2 = 3 Ом, r 3 = 4 Ом.
Пример 4. Пять сопротивлений 20, 30 ,15, 40 и 60 Ом включены параллельно в сеть. Определить общее сопротивление:
Следует заметить, что при подсчете общего сопротивления разветвления оно получается всегда меньше, чем самое меньшее сопротивление, входящее в разветвление.
Если сопротивления, включенные параллельно, равны между собой, то общее сопротивление r цепи равно сопротивлению одной ветви r 1 , деленному на число ветвей n :
Пример 5. Определить общее сопротивление четырех параллельно включенных сопротивлений по 20 Ом каждое:
Для проверки попробуем найти сопротивление разветвления по формуле:
Как видим, ответ получается тот же.
Пример 6. Пусть требуется определить токи в каждой ветви при параллельном их соединении, изображенном на рисунке 5, а .
Найдем общее сопротивление цепи:
Теперь все разветвления мы можем изобразить упрощенно как одно сопротивление (рисунок 5, б ).
Падение напряжения на участке между точками А и Б будет:
U = I × r = 22 × 1,09 = 24 В.
Возвращаясь снова к рисунку 5, а видим, что все три сопротивления окажутся под напряжением 24 В, так как они включены между точками А и Б .
Рассматривая первую ветвь разветвления с сопротивлением r 1 , мы видим, что напряжение на этом участке 24 В, сопротивление участка 2 Ом. По закону Ома для участка цепи ток на этом участке будет:
Ток второй ветви
Ток третьей ветви
Проверим по первому закону Кирхгофа
I = I 1 + I 2 + I 3 = 12 + 6 + 4 = 22 А.
Следовательно, задача решена верно.
Обратим внимание на то, как распределяются токи в ветвях нашего параллельного соединения.
Первая ветвь: r
1 = 2 Ом, I
1 = 12 А.
Вторая ветвь: r
2 = 4 Ом, I
2 = 6 А.
Третья ветвь: r
3 = 6 Ом, I
3 = 4 А.
Как видим, сопротивление первой ветви в два раза меньше сопротивление второй ветви, а ток первой ветви в два раза больше тока второй ветви. Сопротивление третьей ветви в три раза больше сопротивления первой ветви, а ток третьей ветви в три раза меньше тока первой ветви. Отсюда можно сделать вывод, что токи в ветвях при параллельном соединении распределяются обратно пропорционально сопротивлениям этих ветвей. Таким образом, по ветви с большим сопротивлением потечет ток меньший, чем по ветви с малым сопротивлением.
Для двух параллельных ветвей можно также, конечно, пользоваться данной выше формулой.
Однако общее сопротивление проводника при параллельном соединении в этом случае легче подсчитать по формуле:
или окончательно:
Смешанное соединение проводников
Смешанным соединением проводников называется такое соединение, где имеются и последовательное и параллельное соединения отдельных проводников. Примером может служить соединение, изображенное на рисунке 6.
Рисунок 6. Схема смешанного соединения проводников
Видео 3. Смешанное соединение проводников
Пример 7. Определить общее сопротивление смешанного соединения, представленного на рисунке 6, если
r 1 = 2 Ом, r 2 = 3 Ом, r 3 = 5 Ом, r 4 = 4 Ом, r 5 = 8 Ом и r 6 = 6 Ом.
Находим общее сопротивление первого разветвления:
Общее сопротивление второго разветвления:
Общее сопротивление цепи:
r = r 1,2 + r 3 + r 4,5,6 = 1,2 + 5 + 1,85 = 8,05 Ом.
Прохождение тока в любых электрических цепочках реализуется посредством отдельных электротехнических проводников (кабелей), подключаемых по определённой схеме. В зависимости от поставленной задачи, в линейной электрической цепи применяются различные виды включения потребителей, которые могут подсоединяться как последовательно, так и параллельно.
В отдельных случаях возможно использование обоих видов соединения проводников (так называемое «смешанное» подключение), которое, наряду с другими способами, должно учитываться при разработке и ремонте любой электроустановки.
Широкое распространение в электротехнике получили последовательные и параллельные схемы соединения радиотехнических деталей, входящих в те или иные устройства. При рассмотрении вопроса о том, какое соединение проводников называют последовательным, следует учитывать, что в этом случае они располагаются в цепочку чередующихся один за другим компонентов. Их механическое сопряжение, или спайка, осуществляется согласно действующему в электротехнике стандарту (ПУЭ). Рассмотрим особенности такого включения на примере линии с двумя пассивными составляющими (обычными резисторами).
Для обозначения протекающего в ней тока, приложенного напряжения и сопротивления каждой из деталей используем общепринятые символы I1, U1, R1 и I2, U2, R2 соответственно.
Воспользовавшись законом Кирхгофа, получим:
I = I1 = I2, U = U1 + U2, R = R1 + R2.
К сведению. Все эти выкладки подтверждаются экспериментальной проверкой, состоящей в измерении электрических параметров посредством обычного мультиметра.
Анализ уже рассмотренных ранее формул, иллюстрирующих такое соединение проводов и нагрузок, позволяет отметить следующие особенности:
- Значение тока во всех включённых в линию элементах цепочки будет иметь одну и ту же величину;
- Разность потенциалов между входной и выходной её точками складывается из падений напряжений на каждом отдельном (дискретном) элементе;
- Общее или суммарное сопротивление всего участка находится как сумма тех же значений для каждого из проводников.
Указанные соотношения справедливы для любого числа потребителей, соединенных по простейшей линейной схеме. При этом значение суммарного сопротивления будет всегда иметь большую величину, чем тот же параметр для любого отдельного элемента.
При включении в обследуемую линию N одинаковых по номиналу пассивных элементов общее их сопротивление можно представить формулой:
где R1 – номинал отдельно взятой детали. Напряжение U здесь распределяется между резисторами равномерно, образуя падение на каждом из них, в N раз меньшее приложенного ко всему участку значения.
В качестве примера рассмотрим ситуацию, когда в бытовую сеть с действующим напряжением 220 В включены последовательно десять лампочек с одинаковой мощностью. При таком варианте подключения напряжение на каждой из них будет составлять:
U1 = U/10 = 22 В.
Обратите внимание! Особенностью соединённых в одну линию проводников или нагрузок является её аварийный обрыв при сгорании хотя бы одного из соединённых таким образом компонентов.
Следствием повреждения одного элемента линейной цепочки является пропадание тока во всей схеме.
Для того чтобы определиться с тем, какое соединение называется параллельным, следует представить себе схему, в которой все входные и выходные контакты каждого из N проводников собраны вместе (в один узел).
Такая схема может содержать любое разумное количество «ответвлений» из всевозможных потребителей. Общий ток в этом случае может быть представлен как сумма отдельных составляющих, протекающих по каждой из N цепочек. При таком подключении ток в одном потребителе определяется приложенным к нему общим напряжением и сопротивлением каждого отдельного ответвления.
Важно! Общий ток в линии распределяется между этими N проводниками-потребителями пропорционально сопротивлению каждого из них. При этом он всегда вычисляется как сумма составляющих, протекающих по любому из N ответвлений.
Известные правила подключения параллельных цепей также вытекают из закона Кирхгофа, согласно которому сумма втекающих в узел токов должна быть равна сумме вытекающих. В частном случае, когда сопротивления всех N проводников равны по величине, токи через каждый из них будут иметь одинаковые величины, равные N-ой части общего токового значения.
Суммарное сопротивление цепочки из нескольких соединённых «в параллель» проводников вычисляется по следующей формуле:
Исходя из этого значения, легко рассчитать суммарный ток через всю образованную таким образом сложную цепочку, воспользовавшись уже полученными ранее данными. Он будет равен приложенному к линии напряжению, делённому на определённое согласно формуле сопротивление.
Дополнительная информация. Иногда для удобства расчётов вместо сопротивлений пассивных элементов (резисторов) используется обратная им величина, называемая проводимостью.
После введения показателя проводимости все расчётные формулы, используемые ранее, заметно упрощаются. Проводимости в этом случае просто складываются подобно тому, как ранее это делалось для резистивных номиналов деталей, включённых в последовательную цепочку.
Смешанное подключение
Схема
С примером смешанного соединения нескольких нагрузок (потребителей) можно ознакомиться на размещённой ниже картинке.
Такое включение отдельных звеньев потребления наиболее часто встречается в типовых электрических схемах или на их участках. Последовательно-параллельное расположение проводников предполагает сложный расчёт величин токов и сопротивлений, включающий в себя уже рассмотренные выше варианты.
Расчёт
Методика таких вычислений построена на следующих принципах:
- Сначала электрическая схема разбивается на более простые и поддающиеся элементарному расчёту части;
- После этого каждый из таких участков, представленных простым типом включения, рассчитывается независимо от остальных частей;
Важно! В результате этой операции звенья с параллельно соединенными нагрузками приводятся к последовательному виду.
- На завершающей стадии расчёта все полученные для отдельных участков параметры суммируются по методике, описанной ранее для последовательного соединения.
В результате такого подхода расчёт сложных последовательно-параллельных цепей удаётся свести к элементарным или типовым операциям, производимым на основании законов Кирхгофа и Ома.
В заключение несколько слов о практическом применении рассмотренных видов включения. Так, самый распространённый из них (смешанный) применяется при изготовлении обмоток таких широко распространенных электротехнических изделий, как известные всем электродвигатели (смотрите ПУЭ). С его же помощью обустраиваются промышленные осветительные сети, обслуживающие значительные по площади объекты, а также типовая квартирная электропроводка.
Видео
