Вопросы к экзамену по электротехнике
- Понятие простейшей электрической цепи. Назначение её элементов. Закон Ома для полной цепи и для участка цепи.
Основными элементами простейшей цепи являются:
- источник электрической энергии (источник ЭДС), на схеме обозначен буквой Е; стрелка в условном графическом обозначении (значке) источника ЭДС обозначает направление ЭДС (указывает на положительный полюс источника);
- потребитель (сопротивление нагрузки); на левой схеме потребителем является сопротивление, обозначенное буквой R;
Источник ЭДС нужен чтобы создать в цепи электрический ток.
Ток –направленное движение заряженных частиц.
Примером простейшей цепи служит карманный фонарик. Его схема показана на рисунке справа. В фонарике роль источника ЭДС выполняет батарейка (гальванический элемент), а роль нагрузки - лампа накаливания HL. Выключатель S позволяет включать и выключать лампу.
Закон ома.
Любой участок электрической цепи препятствует прохождению тока. Это свойство называется сопротивление. R [Ом]
Сопротивление проводов обычно считают равным нулю. Таким образом в схеме учитывается сопротивлениенагрузки (Rн) и внутреннее сопротивление источника ЭДС (
). В электрической цепи различают внешний и внутренний участок.
Внешний- все, что вне источника.Закон Ома позволяет определить силу тока в цепи(Для полной цепи и для участка цепи)
Для полной цепи закон Ома имеет вид:
В такой форме закон используется для цепи, показанной на рис.1. Напомним, что в полной цепи мы учитываем свойства как потребителя, так и питающего его источника ЭДС.
Очевидно, что на силу тока в цепи влияют все ее параметры. Если необходимо увеличить силу тока в цепи, нужно увеличить ЭДС источника Е или уменьшить сопротивление нагрузки R или внутренне сопротивление источника ro.
Для нормальной работы цепи важно иметь малую величину внутреннего сопротивления ro,в противном случае не удастся получить от источника энергии большой ток.
Если же мы рассматриваем только часть полной цепи (её участок), то закон Ома для участка цепи имеет вид:
,где:
U- напряжение на данном сопротивлении,
R- величина этого сопротивления.
Участок цепи – это один или несколько элементов, входящих в цепь.
При рассмотрении участка цепи свойства и параметры источника ЭДС не учитываются.
Преобразовав последнее выражение, можно записать: U=I•R, или R=U/I
Параметры источника электрической энергии, типы источников электрической энергии.
Уравнение и вид внешней характеристики источника ЭДС.
Свойства источника ЭДС в различных режимах работы.
Существуют три режима работы источника:
холостой ход (х.х),
режим нагрузки;
режим короткого замыкания (к.з).
Рассмотри эти режимы.
Холостым ходом называется режим, когда к зажимам (клеммам) источника не подключена нагрузка (рис.5). В режиме холостого хода источник не отдает своей энергии потребителю и не производит полезной работы.
Примером источника, находящегося в режиме холостого хода является батарейка, к которой ничего не подключено.Режим х.х. безопасен для источника.
Единственная польза от этого режима состоит в том, что в режиме х.х. вольтметр покажет ЭДС источника. В записи это выглядит как формула: U=E.
Рис.5. Источник ЭДС в режиме холостого хода
Признаком режима холостого хода является ток в цепи, равный нулю. В самом деле, к зажимам источника нагрузка (потребитель энергии) не подключена (сравни с рис.1). Сопротивление между зажимами (клеммами) источника бесконечно велико. Следовательно, в соответствии с законом Ома, ток в цепи равен нулю.
Режимом нагрузки называется режим, при котором к источнику подключен потребитель. Источник отдаёт свою энергию нагрузке и в цепи протекает ток.
Рис.6. Источник ЭДС в режиме нагрузки
Признаком нагрузки является наличие тока в цепи. Есть ток - есть нагрузка, нет тока – холостой ход.
Когда проектируется любая схема, определяется номинальный (расчетный, нормальный) ток. Превышение этого тока называется перегрузкой. Режим перегрузки недопустим, т.к приводит к выходу из строя источника ЭДС.
Коротким замыканием называется режим, когда зажимы источника соединяются проводником, сопротивление которого равно нулю (рис.7). Короткое замыкание возникает из-за повреждения изоляции проводов или из-за персонала, допустившего ошибку при сборке электрической схемы.
Сравните схемы на рис. 7 и на рис. 6.На рис. 7 пунктиром показано ошибочное соединение. Термин "короткое замыкание" используется потому, что в этом случае ток проходит мимо нагрузки, по кратчайшему пути, возникшему вследствие повреждения изоляции или ошибки при сборке схемы.
Рис.7. Источник ЭДС в режиме короткого замыкания
Способы защиты цепи от короткого замыкания. Принцип действия плавких предохранителей. Опасность короткого замыкания для мощных источников ЭДС и относительная безопасность для маломощных.
Для защиты от последствий короткого замыкания применяются предохранители.
Простейшим типом предохранителя являются плавкие предохранители. В них находится тонкая проволочка, которая почти мгновенно плавится при резком увеличении тока. Цепь обрывается, короткое замыкание устранено. На каждом плавком предохранителе указан ток, который он выдерживает, не расплавляясь.Если предохранитель сгорел, его следует заменять точно таким же, предварительно найдя и устранив причину, вызвавшую срабатывание предохранителя.Короткое замыкание – это аварийный режим, опасный для источника ЭДС. В режиме короткого замыкания, когда сопротивлениенагрузки R=0, ток в цепи многократно возрастает в соответствии сформулой:
Ток короткого замыкания превышает номинальный в 10 – 1000 раз. Проходящий по проводам ток выделяет в них теплоту, от чего провод нагревается. Количество теплоты определяется по формуле:
Видно, что количество теплоты зависит от тока в квадрате. При коротком замыкании ток сильно возрастает, провода и источник перегреваются, возможно возгорание. Поэтому короткое замыкание совершенно недопустимо.
Заметим, что если источник маломощный, то короткое замыкание не особенно опасно. Например, для пальчиковой батарейки. Она не может дать большой ток. При коротком замыкании батарейки она лишь немного нагреется и разрядится. Напротив, автомобильный аккумулятор способен создать ток силой в сотни ампер. Такой ток вызовет сильный нагрев проводов. Вероятность возгорания проводов при коротком замыкании очень велика.
5. Виды мощности выделяющейся в элементах простейшей электрической цепи и единицы её измерения. Формулы для расчёта всех видов мощности.
Мощность в электрической цепи
Электри́ческаямо́щность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Единицей измерения мощности является Ватт [Вт].
С понятием мощности потребителя мы встречаемся в быту довольно часто. Вспомните, что лампы освещения в квартире бывают мощностью 40, 60, 100Вт и т.д. Чем больше мощность лампы, тем лучше она светит. Мощность, потребляемая утюгом, например, 1000Вт (утюги бывают разные) и т.д.
В осветительной лампе происходит преобразование электрической энергии, полученной от источника в световую энергию. Чем больше мощность лампы, тем ярче она светит. Это означает, что при большей мощности преобразование электрической энергии в световую происходит более интенсивно.
Мощность в цепи постоянного тока можно вычислить по любой из формул:
P= U • I = I2 • R = U2 / R
Наиболее часто используется первая формула.
В любой схеме общая мощность равна сумме мощностей, выделяющихся во всех сопротивлениях, входящих в цепь.
Пример 1. Расчёт простейшей цепи постоянного тока, содержащей источник ЭДС
Источник электроэнергии обладает параметрами: ЭДС источнике Е=7,5В внутреннее сопротивление источника равно 1 Ом, а сопротивление приемника энергии (нагрузки) R= 49 Ом.
Определить:
а) ток в цепи, б) напряжение на резисторе нагрузки, в) мощность выделяющуюся в резисторе нагрузки.
Решение:
а) Используя формулу закона Ома для полной цепи, определяем ток в цепи:
I= E/(R+ ro)=7.5/(49+1)=0,15А
б) По закону Ома для участка цепи находим напряжение на резисторе нагрузки
U = I• R = 0,15 • 49 = 7,35В
в) В нагрузке выделяется мощность
P = U• I = 7,35 • 0,15 = 1,1025 =1,1Вт
Калькулятор может показывать результат вычислений с ненужной точностью и множеством ненужных знаков после запятой. В нашей практике достаточно точности в два знака, после запятой. Поэтому, во всех дальнейших расчётах будем производить округление. В последнем действии данного примера, округлив результат вычислений, запишем: P=1,10 Вт. Последний ноль здесь важен и отбрасывать его нельзя.
