1.1)Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. 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.
Электрическая цепь состоит из отдельных устройств или элементов, которые по их назначению можно разделить на 3 группы. Первую группу составляют элементы, предназначенные для выработки электроэнергии (источники питания). Вторая группа — элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и т. д.). Эти элементы называются приемниками электрической энергии (электроприемниками). В третью группу входят элементы, предназначенные для передачи электроэнергии от источника питания к электроприемнику (провода, устройства, обеспечивающие уровень и качество напряжения, и др.).
Источники питания цепи постоянного тока — это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. Все источники питания имеют внутреннее сопротивление, значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи.
Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы и др. Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых можно назвать самые основные — напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах (клеммах) необходимо поддерживать номинальное напряжение. Для приемников постоянного тока оно составляет 27, 110, 220, 440 В, а также 6, 12, 24, 36 В.
Участок электроцепи, вдоль которого протекает один и тот же ток, называется ветвью. Место соединения ветвей электроцепи называется узлом. На электросхемах узел обозначается точкой. Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром электрической цепи. Простейшая электрическая цепь имеет одноконтурную схему, сложные электрические цепи — несколько контуров.
2.1) Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.
В итоге условия существования электрического тока таковы: наличие свободных зарядов, источника тока, потребителя и замкнутой электрической цепи.
Электрический ток возникает не только при упорядоченном движении свободных электронов в металле, но и при упорядоченном движении положительных и отрицательных ионов в растворах электролитов, ионов в газах и т. д.
Электрический заряд частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в 1 с, определяет силу тока в цепи
3.1) Электри́ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).
В итоге условия существования электрического тока таковы: наличие свободных зарядов, источника тока, потребителя и замкнутой электрической цепи.
Электрический ток возникает не только при упорядоченном движении свободных электронов в металле, но и при упорядоченном движении положительных и отрицательных ионов в растворах электролитов, ионов в газах и т. д.
Электрический заряд частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в 1 с, определяет силу тока в цепи
При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.
Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла Q равно произведению квадрата силы тока I2, сопротивления проводника R и времени t прохождения тока через проводник: Q = I2Rt (34)
Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.
Допустимая сила и плотность тока. Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. Оно происходит, например, в различных производственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электроплитах, электрических паяльниках и пр.), в электрических лампах накаливания, аппаратах для электрической сварки и пр. Однако во многих электрических устройствах, например в электрических машинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превращение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.
Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превышающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плотности тока J (сила тока I, приходящаяся на 1 мм2 площади s поперечного сечения проводника): J = I/s (35)
7.1) Зако́н О́ма — физический закон, определяющий связь между Электродвижущей силой источника или напряжением с силой тока и сопротивлением проводника. Экспериментально установлен в 1826 году, и назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.
В своей оригинальной
форме он был записан его автором в виде
:
Здесь X — показания гальванометра, т.е в современных обозначениях сила тока I, a — величина, характеризующая свойства источника тока, постоянная в широких пределах и не зависящая от величины тока, то есть в современной терминологии электродвижущая сила (ЭДС) , l — величина, определяемая длиной соединяющих проводов. Чему в современных представлениях соответствует сопротивление внешней цепи R и, наконец, b параметр, характеризующий свойства всей установки, в котором сейчас можно усмотреть учёт внутреннего сопротивления источника тока r [1]
В таком случае в современных терминах и в соответствии с предложенной автором записи формулировка Ома (1) выражает
Закон Ома для полной цепи:
где:
— ЭДС источника напряжения(В),
— сила тока в цепи (А),
— сопротивление всех внешних элементов цепи(Ом) ,
— внутреннее сопротивление источника напряжения(Ом) .
15.1) Индукция - это электрическая и магнитная, физические величины, характеризующие (наряду с напряжённостями электрического и магнитного полей) электромагнитное поле. В вакууме эти характеристики совпадают с соответствующими напряжённостями, если пользоваться СГС системой единиц (Гаусса); в Международной системе единиц (СИ) они различаются постоянными множителями.
Электромагнитная индукция. В замкнутом контуре, находящемся в изменяемом магнитном потоке, возникает электрический ток. Это явление было названо электромагнитной индукцией («индукция» означает «наведение»).
Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем в 1831 году. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина ЭДС не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток вызванный этой ЭДС называется индукционным током.
Магнитная индукция — векторная величина, показывающая, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью . Более совершенно точно, — это такой вектор, что сила Лоренца , действующая на заряд , движущийся со скоростью , равна.
Является основной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля.
За положительное направление вектора принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Таким образом, исследуя магнитное поле, создаваемое током или постоянным магнитом, с помощью маленькой магнитной стрелки, можно в каждой точке пространства определить направление вектора. Такое исследование позволяет представить пространственную структуру магнитного поля. Аналогично силовым линиям в электростатике можно построить линии магнитной индукции, в каждой точке которых вектор направлен по касательной.
В системе СГС магнитная индукция поля измеряется в гауссах (Гс), в системе СИ — в теслах (Тл), 1 Тл = 104 Гс. Магнитометры, применяемые для измерения магнитной индукции, называют тесламетрами.
Магнитная индукция В - это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке. Она равна отношению максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на ее площадь.
16.1) Трансформатор - представляет собой статический электромагнитное устройство с двумя (или больше) индуктивно связанных обмотками, предназначенный для преобразования (посредством электромагнитной индукции ) переменного тока одного напряжения в переменный ток другого. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
Классификация силовых трансформаторов напряжения
Трансформаторы напряжения различаются:
а) по числу фаз — однофазные и трехфазные;
Силовые трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Для применения в однофазных сетях выпускаются однофазные трансформаторы.
б) по числу обмоток — двухобмоточные и трехобмоточные;
Трансформаторы имеют две или несколько обмоток, индуктивно связанных друг с другом. Обмотки, потребляющие энергию из сети, называются первичными. Обмотки, отдающие электрическую энергию потребителю, называются вторичными.
в) по классу точности, т. е. по допускаемым значениям погрешностей;
г) по способу охлаждения — трансформаторы с масляным охлаждением (масляные), с естественным воздушным охлаждением (сухие и с литой изоляцией);
д) по роду установки — для внутренней установки, для наружной установки и для комплектных распределительных устройств (КРУ).
е) по конструкции -силовые трансформаторы делят на два основных типа — масляные и сухие.
В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками находится в баке, заполненном трансформаторным маслом, которое является хорошим изолятором и охлаждающим агентом.
Сухие трансформаторы охлаждаются воздухом. Они применяются в жилых и промышленных помещениях, в которых эксплуатация масляного трансформатора является нежелательной. Трансформаторное масло является горючим, и при нарушении герметичности бака масло может повредить другое оборудование.
е) По назначению - трансформаторы разделяют на силовые общего и специального применения. Силовые трансформаторы общего применения используются в линиях передачи и распределения электроэнергии. Для режима их работы характерна частота переменного тока 50 Гц и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений. К трансформаторам специального назначения относятся силовые специальные (печные, выпрямительные, сварочные, радиотрансформаторы), измерительные и испытательные трансформаторы, трансформаторы для преобразования числа фаз, формы кривой ЭДС, частоты и т.д.
17.1) Реле – это электромагнитный аппарат, назначением которого является коммуникация электрических цепей. Такое устройство используется очень широко во многих отраслях промышленности. Особенно активно применяются реле в автомобилестроении. И hummer, и кадиллак, и майбох, и любой другой «железный конь» имеет под капотом разнообразные реле.
Существует множество самых разнообразных видов реле. Это и электрические, и пневматические, и механические реле.
Наиболее распространены сегодня электромагнитные реле. Они состоят, соответственно, из электромагнита и якоря.
Первый есть не что иное, как электрический провод, который намотан на катушку. Она имеет сердечник, выполненный из магнитного материала.
Якорь также выполнен из такого же материала и представляет собой пластину. Суть работы реле заключается в том, что электрический ток, пропускаемый через обмотку электромагнита, создает магнитное поле. В результате этого к сердечнику притягивается якорь. В результате этого переключаются контакты.
Изобретение реле стало великим открытием, перевернувшим мир. Произошло это в далеком 1831 году. В 1937 году С. Бриз Морзе изобрел коммуникационное реле, используемое затем в телеграфном аппарате.
Сегодня же реле используются столь широко, что различают огромное количество самых разнообразных видов.
Так, например, в зависимости от начального состояния контактов можно различить те, которые имеют нормально замкнутые контакты или, напротив, нормально разомкнутые контакты, а также реле, контакты которых могут переключаться в два устойчивых положения.
В зависимости от типа тока, управляющего реле, можно выделить реле постоянного и переменного тока. В свою очередь реле постоянного тока подразделяются на нейтральные, поляризованные и комбинированные реле.
5.1) Удельное сопротивление проводника — скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника, изготовленного из данного вещества и имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м2, или сопротивлению куба с ребром 1 м. Единицей удельного сопротивления в СИ является ом-метр (Ом·м).
Удельное сопротивление металлического проводника зависит от
концентрации свободных электронов в проводнике;
интенсивности рассеивания свободных электронов на ионах кристаллической решетки, совершающих тепловые колебания;
интенсивности рассеивания свободных электронов на дефектах и примесях кристаллической структуры.
Наименьшим удельным сопротивлением обладает серебро и медь. Очень велико удельное сопротивление у сплава никеля, железа, хрома и марганца — "нихрома". Удельное сопротивление кристаллов металлов в значительной степени зависит от наличия в них примесей. Например, введение 1 % примеси марганца увеличивает удельное сопротивление меди в три раза.
6.1) Параллельно соединенными называются элементы электрической цепи, находящиеся под одним и тем же напряжением.
При параллельном соединении сопротивлений (см. рис. 17) ток будет проходить по четырем направлениям, что уменьшит общее сопротивление или увеличит общую проводимость цепи, которая равна сумме проводимостей отдельных ветвей.
В этом можно легко убедиться, если представить увеличение числа параллельно соединенных проводников как увеличение площади поперечного сечения проводника, по которому протекает ток. Как известно, общее сопротивление обратно пропорционально, а проводимость прямо пропорциональна площади поперечного сечения проводника. Таким образом, обозначив проводимость всех проводников в совокупности буквой g, а проводимость каждого в отдельности проводника g1, g2, g3, и g4
Параллельное включение сопротивления на участке электрической цепи на практике используется для уменьшения силы тока в данном участке. В частности, такое параллельно включаемое сопротивление, называемое шунтом, применяют для расширения пределов измерения токов амперметрами. При наличии шунта в прибор ответвляется лишь часть измеряемого тока. Шунт включают последовательно в цель и параллельно шунту подключают амперметр.
Пример 1. Параллельно включено четыре приемника энергии с сопротивлениями, соответственно равными 10; 15; 25 и 30 ом. Требуется определить: 1) общее сопротивление четырех приемников энергии; 2) силу тока в параллельных ветвях и в неразветвленной цепи, если приемники энергии включены на зажимах генератора, э. д. с. которого 170 в и внутреннее сопротивление 0,55 ом.
8.1) Электрические заряды последовательно проходят от источника тока к ключу, лампе, реостату и амперметру, т. е. через все проводники, составляющие цепь. Такое соединение приборов называется последовательным.
Последовательное соединение находит широкое применение в технике. Например, электрический звонок включается последовательно с кнопкой, поэтому звонок звенит только тогда, когда кнопка нажата, т. е. цепь замкнута. Электрический выключатель включается последовательно с тем прибором, который он должен включать и выключать: лампочкой, электромотором и т. д. Лампочки в елочной гирлянде включаются также последовательно.
Сила тока в цепи с последовательным соединением проводников всюду одна и та же. I = I1 = I 2= In
Если бы это было не так, то электрические заряды где-то должны были бы исчезать, а в другом месте возникать, что противоречит закону сохранения электрического заряда. Данное явление похоже на то, что происходит в водопроводной сети. Сколько воды протечет в одном месте, столько же должно протечь и в другом.
Общее напряжение при последовательном соединении проводников равно сумме напряжений на всех участках цепи.
Показания вольтметров на каждом из включенных резисторов разные. Однако, сложив напряжения U1, U2, U3 и U4, можно увидеть, что их сумма равна напряжению на зажимах всей цепи:
U = U1 + U2 + U3 + U4.
10.1) Электроизмерительные приборы, используемые для измерения силы электрического тока, называются амперметрами, миллиамперметрами и микроамперметрами. Они включаются непосредственно в ту электрическую цепь, ток в которой нужно измерить, для чего замкнутая электрическая цепь разрывается и в место разрыва включается измерительный прибор. Электрическая цепь оказывается замкнутой через измерительный прибор (рис. а).
При этом к общему сопротивлению электрической цепи добавляется сопротивление измерительного прибора и ток, измеренный прибором, будет меньше истинного тока. Ошибка измерения тем меньше, чем меньше сопротивление измерительного прибора. Поэтому микроамперметры, миллиамперметры и амперметры конструируют таким образом, чтобы они имели возможно меньшие внутренние сопротивления.
Микроамперметром с током полного отклонения стрелки 100 мкА без какой-либо дополнительной доработки можно измерять электрический ток, не превышающий 100 мкА. При включении такого прибора в цепь с током, например 1 мА, произойдет «зашкаливание» стрелки вправо, в результате сильного броска она может согнуться, и если быстро не отключить прибор, в нем перегорит обмотка.
Шунт — устройство, которое позволяет электрическому току протекать в обход какого-либо участка схемы, обычно представляет собой низкоомный резистор, катушку или проводник.
Шунтирование — процесс параллельного подсоединения электрического элемента к другому элементу, обычно с целью уменьшения итогового сопротивления цепи.
Например, шунты применяются для изменения верхнего предела измерения у амперметров магнитно-электрической системы. При этом необходимое сопротивление шунта рассчитывают по формуле:
где
R2 — сопротивление шунта;
R1 — сопротивление амперметра;
I — максимальный ток, который будет соответствовать полному отклонению стрелки прибора;
I1 — номинальный максимальный ток, измеряемый амперметром без шунта.
Если необходимый предел измерения значительно превосходит номинальный ток амперметра, то этим током в знаменателе можно пренебречь, и тогда формула принимает вид:
Например, для измерения токов до 10 А амперметром, имеющим сопротивление 2000 Ом и максимальный ток 50 мкА, понадобится шунт сопротивлением
Применение шунтов позволяет расширить пределы показаний амперметра (за счёт ухудшения разрешающей способности и чувствительности прибора).
11.1) Для измерения напряжения U, действующего между какими-либо двумя точками электрической цепи, вольтметр 2 (рис. 332, в) присоединяют к этим точкам, т. е. параллельно источнику 1 электрической энергии или приемнику 3.
Для того чтобы включение вольтметра не оказывало влияния на работу электрических установок и он не создавал больших потерь энергии, вольтметры выполняют с большим сопротивлением. Поэтому практически можно пренебрегать проходящим по вольтметру током.
Для расширения пределов измерения вольтметров последовательно с обмоткой прибора включают добавочный резистор 4 (Rд) (рис. 332,г). При этом на прибор приходится лишь часть Uv измеряемого напряжения U, пропорциональная сопротивлению прибора Rv.
Зная сопротивление добавочного резистора и вольтметра, можно по значению напряжения Uv, фиксируемого вольтметром, определить напряжение, действующее в цепи:
U = (Rv+Rд)/Rv * Uv = nUv (107)
Величина n = U/Uv=(Rv+Rд)/Rv показывает, во сколько раз измеряемое напряжение U больше напряжения Uv, приходящегося на прибор, т. е. во сколько раз увеличивается предел измерения напряжения вольтметром при применении добавочного резистора.
Сопротивление добавочного резистора, необходимое для измерения напряжения U, в п раз большего напряжения прибора Uv, определяется по формуле Rд=(n— 1) Rv.
Добавочный резистор может встраиваться в прибор и одновременно использоваться для уменьшения влияния температуры окружающей среды на показания прибора. Для этой цели резистор выполняется из материала, имеющего малый температурный коэффициент, и его сопротивление значительно превышает сопротивление катушки, вследствие чего общее сопротивление прибора становится почти независимым от изменения температуры. По точности добавочные резисторы подразделяются на те же классы точности, что и шунты.