№1 Получение электрической энергии. Этапы развития отечественной и зарубежной электроэнергетики.

Электроэнергетика — отрасль энергетики, включающая в себя производство, передачу и сбыт электроэнергии. Электрическая энергия легко получается из др видов энергии, транспортируется на любые расстояния, и вновь превращается в удобный вид энергии для использ. человеком.

В развитии энергетики страны можно выделить несколько этапов, каждый из которых характеризуется своими качественными особенностями. Это 1918-1930 гг., 1931-1940 гг., 1941-1945 гг., 1946-1959 гг., 1960-1985 гг., с 1986 г. и по настоящее время. В 1827г- Ом сформулировал закон электрических цепей. В 1831г-Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В 1873г-Ладыгин изобрел лампу накаливания и установил для уличного освещения. В 1896г-русский ученый Попов изобрел телеграф.

№2 Явления электрического тока проводимости

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК(ток проводимости)- направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов.

На заряженную частицу в электрическом поле действуют электрические силы. Если электрическое поле поддерживается в проводнике то заряженные частицы учавствуют в тепловом движении. При этом частицы движутся в одном направлении: положительные по направлению поля, отрицательные- в обратном направлении.

Явление направленного движения свободных носителей заряда в веществе или в вакууме называется электрическим током проводимости. Электрический ток есть кол-во электричества в единицу времени: I=q/t

№3 Электрическая проводимость в проводнике.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ-способность веществ проводить электрический ток, обусловленная наличием в них подвижных заряженных частиц (носителей заряда) — электроионов, ионов и др. G=I/U [си]-сименс

ПРОВОДНИКИ, вещества, хорошо проводящие электрический ток благодаря наличию в них большого количества подвижных заряженных частиц

ПОЛУПРОВОДНИКИ, вещества, электропроводность которых при комнатной температуре имеет промежуточное значение между электропроводностью металлов и диэлектриков.

№4 СОПРОТИВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ

Электрическое сопротивление- способность материала препятствовать прохождению электрического тока.

РЕЗИСТОР, радио- или электротехническое изделие, основное функциональное назначение которого оказывать известное активное сопротивление электрическому току. Формула: R=U/I [Ом]

№5 Зависимость электрического сопротивления от температуры.

Рост сопротивления же проводника при росте температуры связан с увеличением пробега электронов от роста количества и энергии их соударений с атомами. Чем выше температура, тем больше атомов вещества разваливается на ионы. Чем больше ионов, тем больше ток. А количество ионов при росте температуры растет быстрее, чем длина их пробега! Когда все вещество превратится в ионы, сопротивление начнет расти, так же как и в проводниках. При увеличении температуры проводника увеличивается тепловое хаотическое движение частиц, что увеличивает число столкновений и затрудняет упорядоченное движение электронов.

№6 Электрический ток в вакууме

Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то электрический ток в вакууме не возникает - нет носителей электрического тока. Американский ученый Т. А. Эдисон (1847-1931) в 1879 г. обнаружил, что в вакуумной стеклянной колбе может возникнуть электрический ток, если один из находящихся в ней электродов нагреть до высокой температуры. Если кинетическая энергия электрона превысит работу выхода, то он может преодолеть действие сил притяжения со стороны положительных ионов и выйти с поверхности тела в вакууме. На явлении термоэлектронной эмиссии основана работа различных электронных ламп.

№7 Электрический ток в газах.

В газах существуют несамостоятельные и самостоятельные электрические разряды.

Явление протекания электрического тока через газ, наблюдаемое только при условии какого-либо внешнего воздействия на газ, называется несамостоятельным электрическим разрядом. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией атома. Минимальная энергия, которую необходимо затратить для отрыва электрона от атома, называется энергией ионизации. Частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов одинаковы, называется плазмой.

№8 Электрическая цепь и ее основные элементы

Электрической цепью называют электротехническое устройство, состоящее из источников ЭДС, соединительных проводов и нагрузки R. В электрической цепи постоянного тока могут действовать как постоянные токи, так и токи, направление которых остается постоянным, а значение изменяется произвольно во времени или по какому-либо закону. Источники питания цепи постоянного тока — это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др.

№9. Получение электрической энергии из других видов энергии.

Получение электрической энергии от химического источника тока возможно лишь при протекании в нем химической реакции. Однако не всякая химическая реакция может быть применена для получения электрической энергии. Для получения электрической энергии из химической испоьзуют электрохимические генераторы. Они просты в использвоании, бесщумны, не загрязняют воздух.

Преобразование тепловой энергии в электрическую можно осуществить используя явление в контакте двух металлов или полупроводников где действуют сторонние силы которыми обусловлена диффузия заряженных частиц.

ФотоЭДС тем больше чем интенсивней освещается проводник. Преобразование лучистой энергии в электрическую происходит после соединении проводников когда возникает электрический ток. Фотоэлектрические генераторы предназначены для преобразования солнечной энергии в электрическую.

№10 ЭДС и мощность источника электрической энергии.

ЭДС называется величина характеризующая свойства стороннего поля и индуцированного электрического поля вызывать электрический ток.

Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда. E=A/Q В[Дж/кл ]

ЭДС это работа внутри всей цепи.

Электрическая мощность-работа совершенная в единицу времени. P=A/t=UI [Вт]

№11 Преобразование электрической энергии в другие виды энергии.

Преобразование электрической энергии в тепловую имеет большое практическое значение и широко используется в различных нагревательных приборах как в промышленности, так и в быту.

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью электродвигателей позволяет наиболее удобно, технически совершенно и экономически эффективно приводить в движение разнообразные рабочие машины и механизмы в промышленности, сельском хозяйстве.

Преобразование электрической энергии в магнитную происходит в процессе изменения тока в обмотке электромагнита.

Преобразование электрической энергии в другие виды энергии, например в тепловую, механическую или химическую, всегда связано с использованием электрического тока. [8] Для преобразования электрической энергии в механическую в различных силовых установках применяют главным образом, асинхронные электродвигатели. 

№12 Режимы электрических цепей: номинал., рабочий, холостого хода и короткого замыкания.

Режим холостого хода- такой режим при котором в электрической цепи действует номинальное напряжение, ток=0, сопротивление-->бесконечность.

Режим короткого замыкания- такой режим при котором напряжение цепи стремится к 0, ток к бесконечности, сопротивление к 0.

Нагрузочный режим- промежуточное значение между холостым ходом и коротким замыканием.

Номинальный режим- обеспечивает технические параметры как отдельных элементов, так и всей цепи, указанные в технической документации, в справочной литературе или на самом элементе.

№13Схемы замещения электрических цепей.

Схема замещения электрической цепи отображает свойства этой цепи при определенных условиях и применяется при расчетах. На схеме замещения изображают все элементы, влиянием которых на результаты расчета пренебречь нельзя, и указывают электрические соединения между ними, соответствующие принципиальной схеме. Условные обозначения для электрических схем установлены стандартами. [1]

Схема замещения электрической цепи состоит из совокупности различных идеализированных элементов, выбранных так, чтобы можно было с заданным или необходимым приближением описать процессы цепи. Она состоит из совокупности различных идеализированных элементов, выбранных так, чтобы можно было с достаточно хорошим приближением описать процессы в электрической цепи. Представив все элементы принципиальной схемы цепи в виде соединений соответствующих идеализированных элементов, получим схему замещения цепи, состоящую из схем замещения отдельных устройств. 

№14 Первый закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа определяет соответствующие узлы электрической цепи. Электрическим узлом называется место соединения электрической цепи в котором присутствует более двух токов.

Сумма токов в узле Сумма таков входящих в узел равна сумме токов выходящих из узла!

По первому закону необходимо составить столько уравнений сколько узлов без одного.

№15 Второй закон Кирхгофа

Cумма падений напряжений в контуре равна сумме эдс

По второму закону Кирхгофа составить столько уравнений сколько контуров без одного, но при составлении уравнений необходимо составить последующие так, чтобы в составляемом уравнении была бы хотя бы одна величина ранее не встречаемая в других уравнениях.

№16 Последовательное соединение пассивных элементов и источников ЭДС.

Последовательным называют такой вид соединения при котором конец первого потребителя соединяется с началом второго, конец второго с началом третьего и тд.

1)Rобщ= R1+R2+R3..

2)Iобщ=I1=I2=I3..

3)Uобщ=U1+U2+U3…

В последовательном соединении напряжения источников ЭДС складываются.

№17 Потенциальная диаграмма

Под потенциальной диаграммой понимают график распределения потенциала вдоль какого-либо участка цепи или замкнутого контура. По оси абсцисс на нем откладывают сопротивления R вдоль контура, начиная с какой-либо произвольной точки, по оси ординат - потенциалы. Каждой точке участка цепи или замкнутого контура соответствует своя точка на потенциальной диаграмме. Для построения потенциальной диаграммы выбирают замкнутый контур. Этот контур разбивают на участки таким образом, чтобы на участке находился один потребитель или источник энергии. Пограничные точки между участками необходимо обозначить буквами или цифрами.

Произвольно заземляют одну точку контура, её потенциал условно считается нулевым. Обходя контур по часовой стрелке от точки с нулевым потенциалом, определяют потенциал каждой последующей пограничной точки как алгебраической суммы потенциала предыдущей точки и изменения потенциала между этими соседними точками.

Изменение потенциала на участке зависит от состава цепи между точками. Если на участке включен потребитель энергии (резистор), то изменение потенциала численно равно падению напряжения на этом резисторе. Знак этого изменения определяют направлением тока. При совпадении направлений тока и обхода контура знак отрицательный, в противном случае он положительный.

Если на участке находится источник ЭДС, то изменение потенциала здесь численно равно величине ЭДС данного источника. При совпадении направления обхода контура и направления ЭДС изменение потенциала положительно, в противном случае оно отрицательно.

После расчета потенциалов всех точек строят в прямоугольной системе координат потенциальную диаграмму. На оси абсцисс откладывают в масштабе сопротивление участков в той последовательности, в которой они встречались при обходе контура, а по оси ординат – потенциалы соответствующих точек. Потенциальная диаграмма начинается с нулевого потенциала и заканчивается после обхода контура таковым.

№18 Потеря напряжения в проводах

Электрическая энергия от генератора к потребителю передается по проводам. Устройство, состоящее из прямого и обратного провода, изоляторов и опор, несущих эти изоляторы и провода, называется электрической двухпроводной линией.

Разность напряжений в начале и в конце линии U₁—U₂, равная падению напряжения в линии, называется потерей напряжения, т.е.                                                              

При изменении сопротивления приемника и тем самым тока в цепи (нагрузки) от нуля до наибольшего допустимого пропорционально току изменяется и потеря напряжения. При неизменном напряжении U₁ в начале линии напряжение U₂ в конце линии, равное напряжению на приемнике, будет изменяться от U₂=U₁ при I=0 до U”₂ =U₁—ΔU при I≠ 0. Поэтому допустимая потеря напряжения ΔU равна допустимому колебанию напряжения на приемниках энергии U’₂ — U”₂, которое для ламп накаливания составляет I—2%, для электродвигателей 2—5% номинального напряжения приемников.

№19 Параллельное соединение пассивных и источников ЭДС

Параллельным соединением называют такой вид соединения при котором все концы и начала соединяются в отдельные общие точки.

1)1/Rобщ=1/R1+1/R2+1/R3…

Если в цепи параллельно включены 2 сопротивления то их общее можно определить: Rобщ= R1*R2/R1+R2

2)Iобщ= I1+I2+I3… 3)Uобщ=U1=U2=U3…

№20 Расчет электрических цепей методом свертывания.

В  соответствии с методом свертывания, отдельные участки схемы упрощают и постепенным преобразованием приводят схему к одному эквивалентному (входному) сопротивлению, включенному к зажимам источника. Схема упрощается с помощью замены группы последовательно или параллельно соединенных сопротивлений одним, эквивалентным по сопротивлению. Определяют ток в упрощенной схеме, затем возвращаются к исходной схеме и определяют в ней токи.

№21 Метод преобразования треугольника сопротивления в эквивалентную звезду.

Преобразование треугольник-звезда позволяет упростить расчёт цепей содержащих замкнутые контуры из резисторов и других пассивных элементов.

При расчете электрической цепи бывают случаи, когда нет ни последовательных, ни параллельных соединений сопротивлений. В этом случае можно попробовать отыскать соединение сопротивлений треугольником и выполнить экивалентное преобразование треугольника в звезду.

 в узлы соединения сопротивлений подставляем концы лучей соединения сопротивлений в виде звезды.  Далее убираем (удаляем первоначальное) соединение треугольником. В результате получается эквивалентное соединение звездой.

1)

2)

3)

№22 Метод преобразования звезды сопротивления в эквивалентный треугольник.

Иногда для упрощения схемы полезно преобразовать звезду сопротивлений в эквивалентный треугольник. Рассмотрим схему на рис. 2.5. Заменим звезду сопротивлений R1-R2-R3 эквивалентным треугольником сопротивлений R?1-R?2-R?3, включенных между узлами 1-2-3.

опротивление стороны эквивалентного треугольника сопротивлений равно сумме сопротивлений двух прилегающих лучей звезды плюс произведение этих же сопротивлений, деленное на сопротивление оставшегося (противолежащего) луча. Сопротивления сторон треугольника определяются по формулам:

      Эквивалентное сопротивление преобразованной схемы равно

23.Расчет электрических цепей методом узловых и контурных уравнений

При расчете эл.цепи методом узлового напряжения определяют 1) узлы, для данной схемы А и В; 2) определяют ветви о которым протекает эл.ток; 3) рассматривают контура и пассивные и активные элементы, принимают направление токов и соответствие движение от узла к узлу.

При составлении контурных уравнений учитываем что в каждом контуре протекает свой контурный ток и оказывает соответствующее воздействие на смежный контур.

Через каждое сопротивление контура протекает: при уединённом резисторе свой контурный ток, а при совмещенном их разница или сумма.

24.Расчет электрических цепей методом наложения токов

Метод наложения является одним из методов расчета сложных цепей с несколькими источниками ЭДС.

Расчет эл.цепей методом наложения заключается в следующем: 1) в каждой ветви рассматриваемой цепи направление тока выбирается произвольно; 2) количество расчетных схем цепи равно количеству источников в каждой схеме; 3) в каждой расчетной схеме действует только 1 источник, а остальные заменяются их внутренним сопротивлением; 4) в каждой расчетной схеме методом свертывания определяют частичные токи в каждой ветви. Частичный – условный ток протекающий в ветви под действием только 1-го источника. Направление частичных токов в ветвях вполне определено и зависит от полярности источника. 5) искомые токи каждой ветви рассматриваемой схемы определяются как алгебраическая сума частичных токов для этой ветви. при этом частичный ток совпадающий по направлению с искомым считается положительным, а не совпадающий отрицательным.

25.Расчет электрических цепей методом эквивалентного генератора. Метод эквивалентного генератора очень удобен в тех случаях, когда необходимо определить несколько значений токов только в одной ветви сложной эл.цепи при различных значениях R этой ветви.

Эл.цепь рассматриваемая относительно двух ее зажимов называется двухполюсником. Он может иметь большое кол-во резисторов и ЭДС соединенных различными способами. Различают: активные (АДП), пассивные (ПДП).

Активным двухполюсником называется такой в котором действуют ЭДС.

Пассивным называется такой у которого не имеется источника ЭДС, или ЭДС включен так что они компенсируют друг друга, и U на зажимах двухполюсника равно 0.

Представим активный двухполюсник, который вкл. В себя источники ЭДС E1 E2 E3 с эквивалентными сопротивлениями. Это эквивалентное сопротивление создается всеми резисторами схемы. При этом ток протекающий через сопротивление Rx протекающий в внешней эл.цепи определяется Eэк/Rx+Rjэкв.

Если сопротивление потребителя отключить от зажимов А и В эквивалентного генератора окажутся разомкнуты, и этот генератор находится в режиме холостого хода у которого напряжение на выходе и ЭДСэкв равны между собой.

ЭДС экв. Генератора равна узловому напряжению между соответствующими зажимами А и В, которые можно определить при помощи вольтметра. (R стремится к бесконечности)

Если между зажимами экв. Генератора вкл. Амперметр то генератор будет работать в режиме короткого замыкания.

Вывод: 1) методом экв. Генератора определяют величину токов в каком-либо участке сложной эл.цепи; 2) метод экв. Генератора применяют с помощью расчета по методу узлового напряжения, вычисляют Еэкв представляя что все ЭДС=0, а Rx отключено и применяют формулу I= Eэк/Rx+Rjэкв и определяют токи при различных значениях Rx. 3) метод экв. Генератора используют при режимах холостого хода и короткого замыкания.