Лекция 2 ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

План:

2.1.Генераторы переменного и постоянного тока.

2.2.Аккумуляторы.

2.3.Параллельная работа источников электрической энергии.

2.4.Вопросы для самоподготовки.

2.1. Генераторы переменного и постоянного тока

2.1.1. Основные законы, определяющие работу машины постоянного тока

Принцип работы машины постоянного тока объясняется законами цепи постоянного тока и законом электромагнитной индукции.

К источнику ЭДС подключен вольтметр V, который показывает напряжение в цепи U, через контактор K включается нагрузка сопротивлением rн, сила тока I измеряется амперметром A.

Закон Ома для цепи постоянного тока определяется уравнениями:

Е – электродвижущая сила, ЭДС – это часть работы переноса единичного заряда из одной точки электрической цепи в другую, которая совершается сторонним электрическим полем. Измеряется в вольтах (В).

Напряжение U – разность потенциалов электрического поля между рассматриваемыми точками электрической цепи. Как правило, в источниках ЭДС осуществляется превращение неэлектрических видов энергии (механической, химической, тепловой, оптического излучения, гравитационной) в электрическую энергию.

Энергия А, выделяемая в электрической цепи с сопротивлением r при

протекании тока I в течение времени t, равна: A = I 2rt.

Единица измерения энергии джоуль (Дж)– это энергия, выделяющаяся за 1с при силе тока 1 А и напряжении на концах цепи 1В(1 Дж = 1 Вт·с). В энергетике

11

пользуются более крупными единицами измерения энергии: 1 Вт·час = = 3600 Дж; 1 кВт·час =3,6·106 Дж; 1 МВт·час и т. д. В различных преобразователях эта энергия выделяется в виде тепловой, механической, лучистой энергии и т. д.

Мощность P – это энергия, выделяемая в единицу времени:

P = dAdt = I 2 r =UI .

Первый закон Кирхгофа вытекает из принципа непрерывности электрического тока: в узле электрической цепи А, где сходятся n проводов, не может быть накопления зарядов. На основании этого формулируется первый закон Кирхгофа.

Алгебраическая сумма токов в проводах, сходящихся в любом узле электрической цепи, равна нулю:

n

∑Ik = 0 .

k =1

При этом токи, текущие к узлу цепи, следует брать с одним знаком, а токи, текущие от узла, – с другим знаком.

Второй закон Кирхгофа устанавливает связь между результирующей ЭДС, действующей в замкнутой электрической цепи, и произведением токов в ветвях цепи на сопротивление ветвей. Для контура цепи второй закон Кирхгофа запишется уравнением:

E = E1 + E2 − E4 = I1 (r1 +rв1 ) + I2 (r2 +rв2 ) − I3r3 − I4 (r4 +rв4 ).

Обобщая уравнение на любое число ветвей контура, можно сформулиро-

вать второй закон Кирхгофа: Алгебраическая сумма ЭДС, действующих в любом замкнутом контуре, равна алгебраической сумме падений напряжения в ветвях этого контура. Для цепи, имеющей n ветвей, получим равенство

В природе существует единое электромагнитное поле и отдельное определение электрического или магнитного полей является условным рассмотрением одной из сторон электромагнитного поля. Магнитное поле можно представить линиями действия магнитных сил, образующих магнитный поток.

12

Магнитный поток Ф измеряется в веберах Вб. Вебер равен магнитному потоку, при убывании которого до нуля через контур электрической цепи, имеющей сопротивление 1 Ом, протекает электрический заряд 1 Кл. Таким образом, само определение размерности магнитного потока свидетельствует о единстве электромагнитного поля.

Магнитная индукция В – это плотность магнитного потока, В = dФ/ds, измеряется в теслах Тл. Магнитная индукция векторная величина, вектор направлен по касательной к линиям магнитного поля.

Потокосцепление Ψ – это интеграл вектора магнитной индукции по поверхности всех контуров электрической цепи.

Закон электромагнитной индукции определяется выражением

e = − ddtФ = − ddtΨ = −w ddtФ ,

где w – число витков катушки.

Формулировка Фарадея: ЭДС, индуктируемая при пересечении линиями вектора магнитной индукции проводников цепи, равна скорости пересечения линиями проводников, взятой с отрицательным знаком.

Формулировка Максвелла: ЭДС, индуктируемая в цепи при изменении магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную контуром цепи, равна скорости изменения магнитного потока, взятой с отрицательным знаком.

Правило Ленца (закон электромагнитной инерции): при изменении маг-

нитного потока, связанного с цепью, в цепи индуктируется ЭДС такого направления, что вызываемый ею ток стремится воспрепятствовать изменению потока.

Если проводник длиной l, расположенный перпендикулярно к магнитным линиям однородного магнитного поля с индукцией В, движется со скоростью v под углом α по отношению к линиям магнитного поля, то ЭДС, индуктируемая в проводнике e, определится как

e = Blvsinα ,

где В – магнитная индукция;

l – активная длина проводника;

v – скорость движения проводника;

α – угол между векторами магнитной индукции и скорости движения проводника.

13

Для определения направления ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле, используют правило правой руки: Если расположить ладонь правой руки перпендикулярно магнитным линиям так, чтобы линии входили в ладонь, а большой палец, отставленный в сторону направить по движению проводника, то вытянутые пальцы ладони будут указывать направление индуктированной ЭДС. Это правило следует из правила Ленца. Если рассмотреть рис. 2.1. то видно, что ЭДС направлена так, что магнитные линии вызываемого ею тока уплотняют поток в направлении движения проводника и ослабляют магнитный поток «пересеченного» магнитного поля.

Рис. 2.1. Проводник, движущийся в однородном магнитном поле:

Ф – направление однородного магнитного поля; v – направление движения проводника; e – направление ЭДС, индуктируемой в проводнике; Фi – магнитные силовые линии, создавае-

мые током в проводнике; α – угол между векторами магнитной индукции и скорости движения проводника

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила

F = BlI ,

где В – магнитная индукция; l – длина проводника;

I– ток в проводнике.

Для определения направления cилы, действующей на проводник с током

воднородном магнитном поле, используют правило левой руки.

Закон полного тока определяет взаимную обусловленность протекания тока и возникновения магнитного поля. При обтекании током i катушки с числом витков w имеем

или ∫Нddl =iw,

14