lektsia

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ
Электрическая цепь и ее основные параметры.
Источник Э.Д.С. и источник тока. Мощность.
Постоянный ток. Определение и основные параметры.
Основные величины, характеризующие переменный ток.

Учебный вопрос №1
Электрическая цепь и ее основные параметры.

Электрическая цепь - это совокупность устройств и объектов, образующих путь электрического тока. Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и выполняющее в ней определенную функцию, называется элементом электрической цепи.
Электрическая цепь состоит из источника электрической энергии, потребителей и соединительных проводов, соединяющих источник электрической энергии с потребителем.

Классификация электрической цепи
по виду тока:
постоянного тока;
переменного тока;
по составу элементов:
активные цепи;
пассивные цепи;
линейные цепи;
нелинейные цепи;
по характеру распределения параметров:
с сосредоточенными параметрами;
с распределенными параметрами;
по числу фаз (для переменного тока):
однофазные;
многофазные (в основном трехфазные).

Простейшая электрическая цепь
Основные элементы простейшей электрической цепи:
1 - источник электрической энергии; 2 - приемники электрической энергии; 3 - соединительные провода.

Вспомогательные элементы электрической цепи:
управления (рубильники, переключатели, контакторы);
защиты (плавкие предохранители, реле и т.д.);
регулирования (реостаты, стабилизаторы тока и напряжения, трансформаторы);
контроля (амперметры, вольтметры и т.д.)

Источник электрической энергии - это преобразователь какого-либо вида неэлектрической энергии в электрическую.
Виды преобразователей:
электромеханический (генераторы переменного и постоянного тока);
электрохимический (гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы);
термоэлектрический (контактный, полупроводниковый).
Приемники электрической энергии преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии:
механическую (электродвигатели, электромагниты);
тепловую (электропечи, сварочные аппараты, ... );
световую (электролампы, прожекторы);
химическую (аккумуляторы в процессе зарядки, электролитические ванны).

Схема электрической цепи - это графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов, показывающее соединения этих элементов.
Типы схем: структурная; функциональная; принципиальная; монтажная и др.
На принципиальной схеме приводится полный состав элементов и указаны все связи между ними. Эта схема дает детальное представление о принципах работы изделия (установки).

условные обозначения электроприборов:

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
Напряжение (Э.Д.С.) источника электрической энергии – U(B).
Мощность источника электрической энергии – Р (Вт).
Сопротивление приемника электрической энергии – R(Ом).
Мощность приемника электрической энергии – P(Вт).

Электродвижущая сила - характеристика источника энергии в электрической цепи. Электродвижущая сила измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к величине этого заряда. ЭДС измеряется в вольтах.

Электродвижущая сила
(ЭДС), физическая величина, характеризующая действие сторонних сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура. Если через Eстр обозначить напряжённость поля сторонних сил, то эдс в замкнутом контуре (L) равна
где dl - элемент длины контура.
Потенциальные силы электростатического (или стационарного) поля не могут поддерживать постоянный ток в цепи, т. к. работа этих сил на замкнутом пути равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии - нагреванием проводников. Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источников тока: генераторов, гальванических элементов, аккумуляторов и т. д. Происхождение сторонних сил может быть различным. В генераторах сторонние силы - это силы со стороны вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля со временем, или Лоренца сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике; в гальванических элементах и аккумуляторах - это химические силы и т. д. ЭДС определяет силу тока в цепи при заданном её сопротивлении.
Измеряется ЭДС, как и напряжение, в вольтах.

Электрический ток - направленное и упорядоченное движение электронов под действием электрического поля создаваемого за счет Э.Д.С. источника питания.
За направление электрического тока в электротехнике принято направление, противоположное направлению движения электронов. Всегда в электрической цепи ток направлен от положительного полюса источника к отрицательному.

Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике и ток I.
S – площадь поперечного сечения проводника,
– электрическое поле.
сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:
Единицей измерения тока в системе СИ служит ампер (А)
Один ампер это такой ток при котором через поперечное сечение проводника за одну секунду протекает заряд в один кулон.

Сопротивление приемника электрической энергии
Противодействие, оказываемое материалом протеканию электрического тока, называется сопротивлением.
Сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров, материала и от температуры окружающей среды. Зависимость сопротивления от геометрических размеров и материала выражается формулой
R=ρ ,
где
R- сопротивление проводника, Ом;
l - длина проводника, м;
S - площадь поперечного сечения проводника, мм2;
ρ - удельное сопротивление проводника,Ом×мм2/м.

Удельное сопротивление - сопротивление проводника длиной 1 м и сечением 1 мм2 при температуре 200С.
Удельное сопротивление в системе СИ измеряется в Ом×м.
Сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит от материала проводника.
Проводимость - величина, обратная сопротивлению, характеризует способность проводников проводить электрический ток,
G= ; [G]=1/Ом=См (сименс)

При протекании электрического тока под действием источника питания затрачивается определенная энергия.
Энергию часто определяют, как способность выполнять работу. В системе СИ единицей измерения работы является джоуль (Дж). Буквенным обозначением работы служит символ A.
Электрическое напряжение есть энергетическая характеристика поля вдоль рассматриваемого пути из одной точки в другую, которой оценивается возможность совершения работы при перемещении заряженных частиц между этими точками.

Если для перемещения заряда в 1 Кл из одной точки проводника в другую требуется энергия 1 Дж, между этими точками существует разность потенциалов или напряжение 1 Вольт.
Вольт - единица напряжения в системе СИ. Буквенное обозначение напряжения - U.
U= = = φ1-φ2 [B]
Применяются также производные единицы от вольта: 1кВ=103 В; 1мВ=10-3 В; 1 мкВ=10-6 В.

Учебный вопрос №2
Источник Э.Д.С. и источник тока. Мощность.

Источник Э.Д.С. представляет собой такой идеализированный источник питания напряжение, на зажимах которого постоянно (не зависит от величины тока I) и равно Э.Д.С. Е, а внутреннее сопротивление равно нулю.

Источник тока представляет собой идеализированный источник питания, который дает ток I=Ik, не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединен, а Э.Д.С. его Еит и внутреннее сопротивление Rит равны бесконечности.

Законы Ома.
закон Ома для участка цепи
Электрический ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению того же участка.
I= , [A=B/Ом]
При постоянном напряжении ток в цепи будет тем больше, чем меньше сопротивление этой цепи, причем ток в цепи увеличивается во столько раз, во сколько раз уменьшается сопротивление цепи.

закон Ома для всей цепи
путь тока проходит не только по внешней части цепи, но также и по внутренней части цепи, т.е. внутри самого источника энергии.
Электрический ток, проходя по внутренней части цепи, преодолевает ее внутреннее сопротивление и потому внутри источника также происходит падение напряжения.
электродвижущая сила (э.д.с.) источника электрической энергии идет на покрытие внутренних и внешних потерь напряжения в цепи.
Если Е - электродвижущая сила в вольтах, I- ток в амперах, r- сопротивление внешней цепи в Омах, r0 - сопротивление внутренней части цепи в Омах, ΔU0 -внутренняя потеря напряжения и U - напряжение внешней цепи, то
Е=ΔU0+U=Ir0+Ir=I(r0+r), I=E/(r0+r).
ток в электрической цепи равен электродвижущей силе, деленной на сопротивление всей цепи (сумме внутреннего и внешнего сопротивлений).

первый закон Кирхгофа
В ветвях, образующих узел электрической цепи, алгебраическая сумма токов равна нулю. ΣI=0.
сумма токов, направленных к узлу электрической цепи, равна сумме токов, направленных от этого узла.
Этот закон следует из принципа непрерывности тока.
Если допустить преобладание в узле токов одного направления, то заряд одного знака должен накапливаться, а потенциал узловой точки непрерывно изменяться, что в реальных цепях не наблюдается.

второй закон Кирхгофа
Обходим контур в произвольном направлении, например по часовой стрелке. Если направления Э.Д.С. и токов совпадают с направлением обхода контура то Э.Д.С. (Е) и падения напряжений (Ir) берутся со знаком плюс, если не совпадают - со знаком минус:
Е1-Е2+Е3=I1r1+I2r2+I3r3+I4r4
Или в общем виде: ΣЕ=ΣIr

второй закон Кирхгофа. во всяком замкнутом контуре алгебраическая сумма электродвижущих сил равна алгебраической сумме падений напряжений.
Первый и второй законы Кирхгофа, записанные для всех независимых узлов и контуров разветвленной цепи, дают в совокупности необходимое и достаточное число алгебраических уравнений для расчета электрической цепи.
Таким образом, законы Кирхгофа сводят расчет разветвленной электрической цепи к решению системы линейных алгебраических уравнений.

Работа произведенная в единицу времени, называется мощностью и обозначается буквой Р:
P= , [ Вт = Дж/С]
Мощность можно выразить также через напряжение и ток. Р=UI, [ Вт=ВА]
Кроме ватта, применяются также производные единицы 1 мВт=10-3 Вт; 1кВт=103 Вт; 1МВт=106 Вт.

Учебный вопрос №3
Постоянный ток. Определение и основные параметры.

Под цепями постоянного тока подразумевают цепи, в которых ток не меняет своего направления, т.е. полярность источников Э.Д.С. в которых постоянна.
Поток зарядов в этих цепях однонаправленный, и его определяют как постоянный ток и обозначают буквой латинского алфавита I.
Единицей измерения тока в системе СИ служит ампер (А).

Примеры графиков постоянного тока.
Основные параметры постоянного тока
1. Амплитуда напряжения (тока) – U(I).
2. Амплитуда пульсаций напряжения (тока) – ∆U(∆I).

Учебный вопрос №4
Основные величины, характеризующие переменный ток.

Переменным током называется ток, который во времени изменяется по величине и направлению либо только по величине, либо только по направлению.
Переменные токи могут быть периодическими и непериодическими.
Определение: Периодическим называется ток, значения которого повторяются через равные промежутки времени.
Переменные токи могут быть синусоидальными и несинусоидальными.
Определение: Синусоидальным током называется ток, который в течение времени изменяется по синусоидальному закону.

Формы переменного тока.

Синусоидальную Э.Д.С. можно получить, вращая с постоянной скоростью проводник в виде прямоугольной рамки в равномерном магнитном поле. В результате вращения рамки в магнитном поле в сторонах ее будет индуктироваться Э.Д.С., величина которой определяется по формуле:
e = 2ВVlsinα,
где: B - магнитная индукция, Тл; V - скорость движения проводника, м/с; l - активная длина проводника, м; α - угол между нейтралью и плоскостью, проходящей через рамку, в радианах или градусах.
Если 2BVl обозначить Еm, то формулу для определения индуктированной Э.Д.С. можно записать: e=Em sinα.