Постоянный электрический ток. Расчет электрических цепей постоянного тока. Учебно-методическое пособие для высших учебных заведений

УДК 621.3.024 (076)

ББК 31.211 я7 С 29

Рекомендовано к изданию советом механического факультета Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры» 13.04.2020 г., протокол №8

Рецензенты:

В.И. Ткач, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела электронных свойств металлов Государственного Учреждения «Донецкий физикотехнический институт им. А. А. Галкина»;

А.Я. Найманов, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры городского строительства и хозяйства Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Донбасская национальная академия строительства и архитектуры».

С 29 Сельская, И.В. Постоянный электрический ток. Расчет электрических цепей постоянного тока: учебно-методическое пособие для высших учебных заведений /

И.В.Сельская. – Макеевка : ГОУ ВПО «ДОННАСА» 2020.–77 с.

Методическое пособие содержат рекомендации по изучению теоретического материала и практического применения раздела «Электрические цепи постоянного тока» и темы, охватывающие данный раздел курса электротехника. Цель этих методических указаний - помочь студентам младших курсов освоить практическое применение основных электротехнических понятий, законов и теорий электростатики, электрическому току, электрических цепях постоянного тока и расчет простых и сложных цепей постоянного тока. Данное методическое пособие позволяет выбрать самостоятельно правильный подход при применении теоретических знаний при решении практических задач в области электротехники.

Рекомендовано для студентов технических высших учебных заведений.

УДК 621.3.024 (076) ББК 31.211 я7 © И.В. Сельская, 2020

© ГОУ ВПО «ДОННАСА, 2020

4

5

РАЗДЕЛ 1. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. 1. ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Серьезное изучение и исследование электрических явлений, а в

последствии и их практическое применение началось на рубеже XVIII—

XIX в.в. Изучение свойств электрических явлений первоначально было

рассмотрено на известном уже постоянном токе. Этому способствовали наличие и доступность источников электрической энергии постоянного тока

— сначала гальванических элементов А. Вольта (1745г.—1827г.), позднее аккумуляторов, а также первые успехи применения электричества для освещения П. Н. Яблочков (1847г.—1894г.), электролиза и гальванопластики Б. С. Якоби (1801г.—1874г.).

Экспериментальное исследование свойств постоянного тока позволило выявить и обосновать ряд закономерностей и понятий таким ученым как: А.

М. Ампер (1775г.—1836г.); Г. С. Ом (1787г.—1854г.); Ш. О. Кулон (1736г.—

1806г.) и др. Дальнейшие исследования М. Фарадея (1791г.—1867г.); Э. X.

Ленца (1804г.—1865г.); Д. Генри (1797г.—1878г.); В. Сименса (1816г.—

1892г.); Д. П. Джоуля (1818г.—1889г.); В. Э. Вебера (1804г.—1891г.); Д. К.

Максвелла (1831г.—1879г.); Г. Р. Герца (1857г.—1894г.) и др. Они показали,

что большинство закономерностей, первоначально полученных при анализе цепей постоянного тока, являются фундаментальными законами

электротехники.

Фундаментальные исследования ученых дали толчок к широкому практическому применению электрического постоянного тока. Постоянный

ток применяется при электрохимическом получении материалов

(электролизе), на городском и железнодорожном электротранспорте, в

электронике, медицине и других областях науки и техники.

Постоянно растущая потребность народного хозяйства в

6

электроэнергии вынуждает строить новые тепловые, гидравлические и атомные электростанции и вдали от промышленно развитых районов.

Поэтому с особой остротой стоит проблема создания экономичных способов передачи электрической энергии на дальние и сверхдальние расстояния.

Оказывается, что применение высоковольтных линий передачи постоянного тока и соответствующего электротехнического оборудования является при больших расстояниях экономически наиболее целесообразным.

Быстрыми темпами развиваются и совершенствуются различные типы источников электрической энергии постоянного тока. Так, источники электрической энергии постоянного тока, преобразующие лучистую энергию Солнца при помощи фотоэлементов, служат основными источниками энергии космических аппаратов в автономном полете. Разрабатываются новые источники электрической энергии постоянного тока — магнитогидродинамические генераторы. Их освоение позволит в перспективе существенно повысить КПД электрических станций.

1.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Для рассмотрения электрических цепей введем понятие электротехническое устройство. Электротехническое устройство -это промышленное изделие, предназначенное для выполнения определенной функции при решении комплексной проблемы производства, распределения,

контроля, преобразования и использования электрической энергии.

Электротехнические устройства постоянного тока весьма разнообразны,

например аккумулятор, линия передачи энергии, амперметр, реостат.

Процессы, происходящие в электротехнических устройствах, как правило, очень сложны, они связаны с созданием электромагнитных полей или изменением величин, характеризующих эти поля. Для их описания требуется привлечение векторных электрических и магнитных величин,

характеризующих электромагнитные поля: напряженности электрического

7

поля Е, напряженности магнитного поля Н, вектора магнитной индукции В,

вектора плотности электрического тока j и других.

Однако, во многих случаях основные характеристики электротехнических устройств могут быть получены и описаны с помощью,

известных из курса физики, скалярных интегральных величин: силы тока,

электродвижущей силы, напряжения, сопротивления и других величин. При таком описании совокупность электротехнических устройств рассматривают как электрическую цепь, состоящую из источников и приемников электрической энергии, характеризуемых электродвижущей силой (эдс),

силой тока I, напряжением U, электрическим сопротивлением R.

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов,

образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе,

электродвижущей силе и электрическом напряжении.

Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, называют

элементами электрической цепи.

Часть электрической цепи, содержащую выделенные в ней элементы,

называют участком цепи.

Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные.

Элементы электрической цепи, для которых зависимость тока от напряжения или напряжения от тока, а также сопротивление постоянны (т.е.

эти зависимости имеют линейный характер), называются линейными элементами электрической цепи.

Пример линейного элемента — проволочный резистор.

Линейная электрическая цепь - цепь, все элементы которой являются линейными.

Для элемента электрической цепи если зависимость тока от напряжения или напряжения от тока, а также сопротивление, непостоянны,

8

то есть изменяются в зависимости от тока или от приложенного напряжения,

то такие элементы называются нелинейными.

Нелинейная электрическая цепь - цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент.

Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а, следовательно, и тока, подводимого к лампочке.

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи,

могут быть разделены на три группы:

I.Источники электрической энергии (питания).

Элементы цепи, предназначенные для генерирования электрической

энергии, называют источником питания.

Общим свойством всех источников электрической энергии осуществляется преобразование в электрическую энергию каких-либо других форм энергии. Например, механическая энергия в машинных генераторах.

Энергия химических процессов преобразуется в электрическую энергию в гальванических элементах и аккумуляторах. Тепловая энергия преобразуется в электрическую энергию - с помощью термопреобразователей на основе термопар и в термоэлементах; лучистая энергия в фотоэлементах и так далее.

Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую энергию, называются первичными источниками электропитания.

Примером первичных источников электропитания являются электростанции: ГЭС, ТЭС, АЭС и ветряные.

Вторичный источник электропитания — устройство, которое преобразует параметры электроэнергии основного источника электроснабжения (например, промышленной сети) в электроэнергию с параметрами, необходимыми для функционирования вспомогательных устройств.

II. Потребители (приемники) электрической энергии.

9

Элементы использующие, электрическую энергию называются

приемниками электрической энергии или потребителями. Иногда потребители называют нагрузкой.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии. В потребителях (приемниках)

электрической энергии электрическая энергия источников преобразуется в другие виды энергии. Электрическая энергия преобразуется в механическую энергию в электродвигателях (двигатели постоянного тока). В тепловую энергию в различных нагревательных приборах и печах (электрические печи). В химическую энергию в аккумуляторах и в электролизных ваннах, в

лучистую энергию в осветительных приборах и так далее.

Источники и приемники электрической энергии, являющиеся основными элементами электрической цепи, соединяют проводами для обеспечения замкнутого пути для электрического тока.

III. Вспомогательные элементы цепи.

К вспомогательным элементам относятся: соединительные провода,

коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Коммутационная аппаратура, линии и измерительные приборы служат для передачи электрической энергии от источников, распределения ее между приемниками и контроля режима работы всех электротехнических устройств.

Для включения и отключения электротехнических устройств применяют также коммутационную аппаратуру (выключатели, рубильники,

тумблеры).

Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включаться электрические приборы для измерения силы тока, напряжения и мощности и др.

Все элементы электрической цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

10

Таким образом, электрическая цепь есть совокупность устройств,

предназначенных для генерирования, передачи, преобразования и использования электрической энергии, процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, напряжении и электродвижущей силы.

Электрическая цепь постоянного тока в общем случае содержит также источники электрической энергии, приемники электрической энергии,

измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные линии и провода.

1.3.ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ И

ВЕЛИЧИНЫ ИХ ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ

В источнике электрической энергии в результате действия сил неэлектромагнитной природы - химических, механических, тепловых,

атомных, называемых сторонними силами, создается электрическое поле,

которое характеризуется напряженностью электрического поля.

Напряженность электрического поля Е - векторная величина,

определяющая силу, с которой поле действует на заряженные частицы.

Напряженность численно равна отношению силы, действующей на заряженную частицу, к величине ее заряда, и направлена так же, как и сила,

действующая на положительно заряженную частицу:

Е

F .

q

Единица измерения напряженности в системе СИ: Е КлН Вм .

Под действием сил стороннего поля положительные и отрицательные заряды внутри источника разделяются. На электроде источника,

обозначенного знаком ― + ‖ , накапливается избыток положительных зарядов,

на электроде, обозначаемом знаком ― - ‖ - избыток отрицательных зарядов.

Заряды внутри источника создают свое поле, которое при отключении

источника уравновешивает стороннее поле. При подключении к выводам

11