Направление, величина и плотность тока. Электродвижущая сила (ЭДС), электрический потенциал и напряжение

Вопрос

Основные элементы электрических цепей: источники и приёмники электрической энергии, их мощность и КПД

Электрическая цепь, или цепь постоянного тока, в общем случае содержит источники электрической энергии, приемники электрической цепи, измерительные приборы, аппараты автоматики и управления, соединительные линии и провода.

В источниках электрической энергии осуществляется преобразование в электрическую энергию каких-либо других форм энергии, например энергии химических процессов в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловой энергии в термопреобразователях на основе термопар.

Изображение цепи

Такое графическое изображение цепей называются принципиальными схемами. Принципиальная схема показывает назначение электротехнических устройств и их взаимодействие, но неудобна при расчетах режима работы цепи. Для того чтобы выполнить расчет, необходимо каждое электротехническое устройство представить его схемой замещения.

Схема замещения электрической цепи состоит из совокупности различных идеализированных элементов, выбранных так, чтобы можно было с заданным приближением описать процессы в цепи.

Конфигурация схемы замещения цепи определяется геометрическими (топологическими) понятиями: ветвь, узел, контур.

Ветвь схемы состоит из одного или нескольких последовательно соединенных элементов, каждый из которых имеет два вывода (начало и конец), причем к концу каждого предыдущего элемента присоединяется начало следующего.

Контур – замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречаются больше одного раза.

Схема замещения цепи

 

Вопрос

Направление, величина и плотность тока. Электродвижущая сила (ЭДС), электрический потенциал и напряжение.

Рассмотрим источник электрической энергии постоянного тока на примере гальванического элемента (рис. 2.10,а), представляющего собой две пластины – из меди Cu и цинка Zn, помещенные в раствор серной кислоты. Чистая кислота не проводит электрического тока. Но при растворении ее в дистиллированной воде она распадается на ионы, заряженные положительно и отрицательно

Раствор кислоты, щелочи или соли в дистилированной воде или другом растворителе называют электролитом, а процесс распада химических соединений под действием растворителя на ионы – электролитической диссоциацией.

Вследствие химических процессов положительные ионы цинка переходят в раствор серной кислоты, оставляя на цинковой пластине избыток отрицательных свободных зарядов. Одновременно в растворе серной кислоты тяжелые и подвижные положительные ионы водорода к медной пластине, на поверхности которой происходит восстановление нейтральных атомов водорода. При этом медная пластина теряет свободные отрицательные заряды, т.е заряжается положительно.

Между разноименно заряженными пластинами возникает однородное электрическое поле напряженностью ,которое препятствует направленному движению ионов в растворе. При значении напряженности поля накопление зарядов на пластинах прекращается. Напряжение, равное разности потенциалов между пластинами, при котором накопление зарядов прекращается, служит количественной мерой сторонней силы (в данном случае химической природы), стремящейся к накоплению заряда.

 

Электродвижущей силой называется количественная мера сторонней силы. Для гальванического элемента ЭДС Е равна

где d – расстояние между пластинками; – напряжение, равное разности потенциалов между выводами пластин в режиме холостого хода, т.е при отсутствии тока в гальваническом элементе.

Если к выводам гальванического элемента подключить приемник, например резистор, то в замкнутой цепи возникнет ток. Направленное движение ионов в растворе кислоты сопровождается их взаимными столкновениями, что создает внутреннее сопротивление гальванического элемента постоянному току. Гальванический элемент, эскизное изображение которого дано на рис. 2.10 а, а обозначение на принципиальных схемах – на рис. 2.10 б, можно представить схемой замещения рис. 2.10 в, состоящей из последовательно включенных ЭДС Е источника и резистивного элемента сопротивлением , равным его внутреннему сопротивлению. Стрелка ЭДС указывает направление движения положительных зарядов в гальваническом жлементе под действием сторонних сил. Стрелка напряжения указывает направление движения положительных зарядов под действием сил электрического поля в приемнике, если его подключить к гальваническому элементу.

Схема замещения на рис. 2.10 в справедлива для любых других источников электрической энергии постоянного тока, которые отличаются от гальванического элемента физической природой ЭДС и внутреннего сопротивления.

 

Источники ЭДС и источник тока

Источник ЭДС и источник тока являются частными случаями источника электрической энергии.

Рассмотрим процессы в цепи, состоящей из источника электрической энергии и подключенного к нему резистора с сопротивлением нагрузки . Представим источник электрической энергии схемой замещения на рис. 2.10,в, а всю цепь – схемой на рис.2.11,а.

Свойства источника электрической энергии отпределяет вольт-амперная, или внешняя, характеристика – зависимость напряжения между его выводами от тока I источника, т.е. U(I)

(2.6)

которой соответствует прямая на рис. 2.12, а. Уменьшение напряжения источника тока при увеличении тока объясняется увеличением падения напряжения на его внутреннем сопротивлении . При напряжении U=0 ток источника равен току замыкания:

Участок внешней характеристики при отрицательных значениях тока соответствует потреблению источником энергии из внешней относительно него цепи, например зарядке аккумулятора.

Источник ЭДС

Если внутреннее сопротивление источника электрической энергии во много раз меньше сопротивления цепи нагрузки, то напряжение источника по (2.6) при токе по закону Ома и значениях сопротивлений практически равно ЭДС

Источник энергии с малым внутренним сопротивлением можно заменить идеализированной моделью, для которой . Такой идеализированный источник электрической энергии называется идеальным источником ЭДС и характеризуется одним параметром . Напряжение между выводами идеального источника ЭДС не зависит от тока, а его внешняя характеристика определяется выражением

(2.7)

Которому соответствует прямая на рис. 2.12,б. Такой источник называется также источником напряжения. На этом же рисунке показано обозначение идеального источника ЭДС на схемах.

Источник тока

Если внутреннее сопротивление источника электрической энергии во много раз больше сопротивления цепи нагрузки, то ток источника при значениях сопротивлений практически равен его току короткого замыкания

Источник электрической энергии с большим внутренним сопротивлением можно заменить идеализированной моделью, у которой и E и для которой справедливо равенство . Такой идеализированный источник электрической энергии называется идеальным источником тока и характеризуется одним параметром Ток источника тока не зависит от напряжения между его выводами, а его внешняя характеристика определяется выражением

I = J = const, (2.8.)

Которому соответствует прямая на рис 2.12, в. На этом же рисунке дано обозначение источника тока на схемах. Участок внешней характеристики с отрицательным значением напряжения соответствует потреблению источником тока энергии из внешней относительно него цепи

От схемы замещения источника энергии на рис 2.11, а можно перейти к эквивалентной схеме замещения с источником тока. Для этого разделим все слагаемые уравнения (2.6.) на внутреннее сопротивление источника :

Или

J =

28. Работа трансформатора в режиме нагрузки. Трёхфазные трансформаторы.

 

 

Трансформатором называется статическое (г. е. без движущихся

частей) электромапгтное устройство, предназначенное чаще всего для

преобразования одного переменного напряжения в другое (или другие)

напряжение той же частоты. Трансформатор имеет не менее двух

обмоток с общим магнитным потоком, которые электрически изолированы

друг от друга (за исключением автотрансформаторов).

Для усиления индуктивной связи и снижения влияния вихревых

токов в большинстве трансформаторов обмотки размещаются на магни-

топроводе, собранном из листовой электротехнической стали.

Магнигопровод отсутствует лишь в воздушных трансформаторах,

которые применяются при частотах примерно свыше 20 кГц, при которых

магнитопровод все равно практически не намагничивается из-за

значительного увеличения вихревых токов.

 

Трёхфазные трансформаторы

Для трехфазной цепи можно воспользоваться

трансформаторной группой — тремя однофазными трансформаторами.

Но можно объединить три однофазных трансформатора в один

трехфазный аппарат и при этом получить экономию материалов. Покажем

наглядно, что обусловливает экономию материала при построении

трехфазного трансформатора.

Составим магнитопровод трехфазного трансформатора, оставив без

изменения те части магнитопроводов трех однофазных

трансформаторов, на которых расположены обмотки, и соединив свободные части

вместе. Такое построение магнитной системы можно

сопоставить с соединением трех участков электрических цепей звездой. Но для трехфазной системы при симметричной нагрузке

нейтральный провод не нужен, так как тока в нейтральном проводе

нет; отказавшись от нейтрального провода, получим экономию меди.

Нейтральному проводу в магнитной системе трехфазного

трансформатора соответствует средний общий стержень. При

симметричной трехфазной системе этот стержень не нужен и может быть

удален, так как сумма мгновенных значений трех

магнитных потоков в любой момент времени равна нулю.

 

Вопрос № 2

 

Активное сопротивление – способность проводника создавать препятствия движению зарядов в электрическом поле (ток).

R=(pl)|S

где: R – удельное сопротивление проводника;

l – длина проводника;

S – поперечное сечение.

Проводимость (G) – величина обратная сопротивлению =

G=1/R; Проводимость измеряют в сименсах (См).

Работа совершаемая электрическим полем при перемещении положительного заряда Q вдоль неразветвленного участка ав электрической цепи, не содержащей источников электрической энергии = произведению этого заряда на напряжение между концами этого участка.

A=QU; Дж

Q=It

A=UtI; Дж

Мощность тока служит для оценки энергетических условий (позволяет определить как быстро совершается работа), измеряется в Вт.

P_R = IU=I²К, Вт

В любой электрической цепи должен соблюдаться баланс мощностей:

Баланс: алгебраическая сумма мощностей всех источников энергии должна = алгебраической сумме мощностей приемников энергии.

_источн = _потреб

_ист I _ист = _RI_R (I²_RR)

 

3. соединение сопротивлений последователное, смешанное, параллельное

Соединение резисторов может производиться последовательно, параллельно и смешанно (то есть и последовательно и параллельно.

 

Последовательное соединение резисторов это такое соединение, в котором конец одного резистора соединен с началом второго резистора, конец второго резистора с началом третьего и так далее (рисунок 2).

 

Параллельное соединение резисторов это соединение, в котором начала всех резисторов соединены в одну общую точку (А), а концы в другую общую точку (Б) (см. рисунок 3).

 

Смешанное соединение резисторов является комбинацией последовательного и параллельного соединения. Иногда подобную комбинацию называют последовательно-параллельным соединением.
На рисунке 4 показан простейший пример смешанного соединения резисторов.