§ 12. Мостовая схема соединения резисторов и ее применение

При электрических измерениях, а также в некоторых других слу­чаях резисторы включают по схеме электрического моста, или мостовой схеме (рис. 28, а). Резисторы с сопротивлениями #1, /?₂, /?з, #4 образуют так называемые плечи моста. Участки цепи, сое­диняющие точки а и с, а также Ь и а", называются диагоналями моста. Обычно на одну из диагоналей, в данном случае ас {питаю­щая диагональ), подается напряжение I/ от источника электри­ческой энергии; в другую диагональ Ъй (измерительная диагональ) включают электроизмерительный прибор или какой-либо аппарат. При равенстве сопротивлений /?|=/?4 и /?₂ = /?з напряжения на участках аЬ и ай от токов /1 и /г (а также на участках Ьс и йс) будут одинаковыми, поэтому точки Ь и й будут иметь одинаковые потен­циалы. Следовательно, если включить в диагональ Ьй какой-либо резистор Л или электроизмерительный прибор, то в диагонали / = 0 (рис. 28, б). Такой мост называется уравновешенным.

Для равновесия моста необходимо, чтобы напряжения (/_а» = {Лк< и Ььс = 1}лс\ эти условия имеют место не только при равенстве сопротивлений /?| = /?₄ и /?₂ = /?з, но и при равенстве отношений /?1//?4 = /?г//?з. Следовательно, мост будет уравновешен при равен­стве произведений сопротивлений резисторов, включенных в проти­воположные его плечи: /?1/?з== /?г/?4- При несоблюдении этого условия через резистор /? будет проходить ток /; такой мост называется неуравновешенным.

в диагональ моста, образованного двумя последовательно включен­ными электродвигателями М\ и М2, по которым проходит ток /_д (электродвигатели в данном случае рассматриваются как источники с э. д. с. Е] и Еч), и двумя резисторами сопротивлением /?. При отсутствии боксования Е\=Е₂, следовательно, токи, проходящие через резисторы, 1\—1₂. Поэтому ток в катушке реле / = Л—/2 = 0. При возникновении боксования частота вращения тягового дви­гателя, связанного с боксующей колесной парой, резко возрастает. При этом резко увеличиваются его э. д. с, например Е\, и ток Л. В результате по катушке реле Р начнет проходить ток /==/:—/г, который вызовет его срабатывание. Реле Р своим блок-контактом включает сигнализацию и подачу песка или воздействует на систему управления электровоза.

§13. Работа и мощность электрического тока

Электрическая энергия. В природе и технике непрерывно происходят процессы превращения энергии из одного вида в другой (рис. 30). В источниках электрической энергии различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. Например, в элек­трических генераторах /, приводимых во вращение каким-либо механизмом, происходит превращение в электрическую энергию механической, в термогенераторах 2 — тепловой, в аккумуляторах 9 при их разряде и гальванических элементах 10 — химической, в фото­элементах //—лучистой.

Приемники электрической энергии, наоборот, электрическую энергию превращают в другие виды энергии — тепловую, механиче­скую, химическую, лучистую и пр. Например, в электродвига­телях 3 электрическая энергия превращается в механическую, в электронагревательных приборах 5 — в тепловую, в электроли­тических ваннах 8 и аккумуляторах 7 при их заряде — в химиче­скую, в электрических лампах 6 — в лучистую и тепловую, в антеннах 4 радиопередатчиков — в лучистую.

Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напря­жении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энер­гии. Эта единица называется джоулем (Дж). Джоуль, который на­зывают также ватт-секундой (Вт-с), — очень маленькая единица измерения, поэтому на практике для измерения электрической энергии приняты более крупные единицы — ватт-час (1 Вт-ч = = 3600 Дж), киловатт-час (1 кВт-ч = 1000 Вт-ч = 3,6-10⁶ Дж), мегаватт-час (1 МВт-ч= 1000 кВт-ч=3,6-10⁹ Дж).

Электрическая мощность. Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течение 1 с, называется мощностью. Мощность Р при неизменных значениях С/ и I равна произведению напряжения V на силу тока I: Используя закон Ома для определения силы тока и напряже­ния в зависимости от сопротивления /? и проводимости О, можно получить и другие выражения для мощности. Если заменить в фор­муле напряжение или силу тока

Следовательно, электрическая мощность равна произведению квадрата силы тока на сопротивление, или электрическая мощность равна квадрату напряжения, поделенному на сопротивление, либо квадрату напряжения, умноженному на проводимость.

45

Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности и называется ватт (Вт). В технике мощность измеряют более крупными единицами: кило­ваттами (1 кВт=1000 Вт) и мегаваттами (1 МВт=1 000 000 Вт).

Потери энергии и коэффициент полезного действия. При превра­щении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот не вся энергия превращается в требуемый вид энергии, часть ее непроизводительно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.

Отношение мощности, отдаваемой источником или приемником электрической энергии, к получаемой им мощности, называется коэф­фициентом полезного действия К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии. Иногда к. п. д. выражают в про­центах. Так, тяговые двигатели электровозов и тепловозов имеют к. п. д. 86—92 %, мощные трансформаторы — 96—98 %, тяговые подстанции — 94—96%, контактная сеть электрифицированных железных дорог — около 90 %, генераторы тепловозов — 92—94 %.

Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в электри­ческой цепи (рис. 31). Генератор /, питающий эту цепь, получает от первичного двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность Р_чх —28,9 кВт, а отдает электрическую мощность Р_эл = = 26 кВт (2,9 кВт составляют потери мощности в генераторе). Поэтому он имеет к. п. д. 1]_ген = Р_эл/Р_чч = 26/28,9 = 0,9.

Мощность Р_эл = 26 кВт, отдаваемая генератором, расходуется на питание электрических ламп (6 кВт), на нагрев электрических плиток (7,2 кВт) и на питание электродвигателя (10,8 кВт). Часть мощности АР„_Р = 2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соединяющих генератор с потребителями.

В каждом приемнике электрической энергии также имеют место потери мощности. В электрическом двигателе 3 потери мощности составляют 0,8 кВт (он получает из сети мощность 10,8 кВт, а отдает только 10 кВт), поэтому к. п. д. г|_дв= 10/10,8 = 0,925. Из мощности б кВт, полученной лампами, лишь незначительная часть идет на создание лучистой энергии, большая часть ее бесполезно рассеи­вается в виде тепла. В электрической плитке на нагрев пищи расхо­дуется не вся полученная мощность 7,2 кВт, так как часть созданного ею тепла рассеивается в окружающем пространстве.

При рассмотрении электрических цепей наряду с определением токов и напряжений, действующих на отдельных участках, необхо­димо определять и передаваемую по ним мощность. При этом должен соблюдаться так называемый энергетический баланс мощностей. Это означает, что мощность, получаемая каким-либо устройством (источником тока или потребителем) или участком электрической цепи, должна быть равна сумме отдаваемой ими мощности и потерь мощности, которые возникают в данном устройстве или участке цепи.