Лекция 2 Цепи постоянного тока
Электрическую энергию получают путём преобразования других видов энергии посредством соответствующих устройств, которые принято называть источниками электрической энергии. В настоящее время основными источниками электрической энергии являются электромеханические генераторы – электрические машины для преобразования механической энергии в электрическую энергию. Турбогенераторы и гидрогенераторы являются машинами переменного тока.
В цепях постоянного тока в качестве источников энергии применяют: электромеханические генераторы, термогенераторы (устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию), фотоэлектрогенераторы. Отметим общее свойства источников: при преобразовании любого вида энергии в электрическую энергию в источнике происходит разделение положительного и отрицательного зарядов и образуется электродвижущая сила (ЭДС). Таким образом, величина, характеризующая способность внешнего поля и индуктированного электрического поля вызывать электрический ток, называется электродвижущей силой.
В 1821 году немецкий физик Зеебек описал явление возникновения ЭДС на концах проводников из разнородных металлов, которые спаяны между собой, при нагревании спая. Эту ЭДС называют термоЭДС. В технике это явление находит применение для измерения температуры и получения электрической энергии в термогенераторах (КПД термогенераторов составляет 7 – 10 %).
Явление охлаждения или нагревания металлической пластины, соединяющей полупроводники с разным типом проводимости, при протекании тока в прямом и обратном направлениях называют явлением Пельтье.
2.1 Основные определения
Согласно физической теории, электрическая проводимость металлов является электронной, а электролитов (растворы солей, кислот и щелочей) – ионной.
Явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или в вакууме называется электрическим током проводимости.
Значение тока определяется совокупным электрическим зарядом Q всех частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени
В практических расчётах используют понятие плотности электрического тока, которая равна J ;
где S – площадь поперечного сечения проводника, м2.
Электрический ток, не изменяющийся во времени, называется постоянным, а ток, изменяющийся с течением времени, - переменным.
При постоянном токе, несмотря на движение заряженных частиц, распределение заряда в проводнике стационарно, потому что в любом элементе объёма за некоторый промежуток времени заряд уходящих и входящих частиц одинаков. Постоянный ток создаёт стационарное электрическое поле при условии неподвижности проводника с током. Оно отличается от электростатического поля тем, что связано с движущимися носителями заряда и имеет те же количественные характеристики. Поэтому при рассмотрении постоянных токов используют выражения, которые получены для электростатического поля.
Опытами установлено, что плотность электрического тока пропорциональна напряжённости электрического поля Е и зависит от физических свойств проводника, которые выражает удельная электрическая проводимость
.
Удельная электрическая проводимость характеризует электропроводность – свойство вещества проводить постоянный электрический ток под действием стационарного электрического поля.
Отсюда электрическая проводимость G равна
Величина обратная электрической проводимости называется электрическим сопротивлением R. Аналогично, называется удельным электрическим сопротивлением.
- это выражение закона Ома для цепи постоянного тока, где R электрическое сопротивление, Ом.
Электрическое сопротивление имеют все элементы электрических цепей (провода и кабели, обмотки электрических машин, аппаратов, приборов). Однако в электротехнике, радиотехнике, электронике широко применяют устройства с электрическим сопротивлением, которые специально созданы для применения в электрических цепях. Такие элементы называют резисторами.
Если токопроводящий резистор изготовлен из материала с постоянным значением удельной электрической проводимости, независимой от напряжения, то резистор называют линейным. В практике используют резисторы с сопротивлением, зависящим от значения приложенного к ним напряжения (варисторы). Резистор такого типа называют нелинейным, так как он имеет нелинейную вольт-амперную характеристику.
Известно, что сопротивление проводников зависит от температуры. В линеаризованном виде эта зависимость имеет вид:
где α – температурный коэффициент сопротивления,1/0С. Ниже для некоторых металлов приведены значения температурного коэффициента и удельного электрического сопротивления :
A l α=0,004
Cu α=0,004 ; 1/0С
Pl α=0,004
A l ρ=0,0290
Cu ρ =0,0175 ; .
Pl ρ =0,100
Зависимость сопротивления проводников и полупроводников от температуры используют для измерения температуры. Устройства, в которых реализуется эта зависимость, называют термометрами электрического сопротивления. В промышленных условиях часто применяют термометры сопротивления, у которых чувствительный элемент изготовлен из меди или платины.
В качестве проводниковых материалов наибольшее применение имеют металлы и сплавы. Основными электрическими характеристиками проводниковых материалов являются удельное сопротивление, удельная проводимость и температурный коэффициент. С точки зрения электропроводности различают проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением, сверхпроводящие и с большим удельным сопротивлением.
Материалы с малым удельным сопротивлением идут на изготовление линейных проводов и кабелей, обмоточных проводов (медь и алюминий). Широкое применение меди обусловлено высокой удельной проводимостью, механической прочностью, стойкостью против коррозии. Из меди легко изготовить проволоку разной толщины, ленту и тонкую фольгу; применяют её сплавы (бронзу, латунь). С другой стороны, удельное сопротивление алюминия выше, а механическая прочность ниже, чем у меди, но его плотность примерно в 3,5 раза меньше. Его применяют для изготовления комбинированных проводов линий электропередач и связи (сталеалюминевые провода).
Материалы с большим удельным сопротивлением чаще всего являются металлическими сплавами: манганин – медно-марганцовый сплав, применяется при изготовлении измерительных приборов и образцовых сопротивлений; константан - медно-никелевый сплав применяется для намотки проволочных резисторов и реостатов; нихром – сплав никеля, хрома и железа; фехраль - сплав железа, хрома, алюминия применяют для устройства электронагревательных приборов.
Рассмотрим последовательное и параллельное соединения резисторов:
Последовательное соединение резисторов
I
Параллельное соединение резисторов
2.2 Электрическая цепь
Электрическая цепь – это совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока. Различают электрические цепи переменного и постоянного тока.
Простейшая электрическая цепь состоит из трёх основных элементов: источника 1, приёмника электрической энергии 2, соединительных проводов 3.
R – электрическое сопротивление электроприёмника; r – электрическое сопротивление источника
Рисунок 2.1 - Схема простейшей электрической сети
В электрические цепи, кроме основных элементов, входят вспомогательные элементы, предназначенные для управления, контроля и защиты.
При разработке, монтаже электрических устройств необходимы электрические схемы. Схема электрической цепи – это графическое изображение, содержащее условные обозначения элементов электрической цепи и показывающее соединения между ними. Различают схемы принципиальные, схемы монтажные, схемы замещения (расчётные).
Принципиальные схемы определяют полный состав элементов и связей между ними.
Схемы соединений (монтажные) показывает соединения составных частей изделия, установки, определяет провода, жгуты, кабели, которыми эти соединения осуществляются, а также места их присоединения и ввода.
Схемы замещения (расчётные) электрической цепи отображает свойства этой цепи при определённых упрощающих предположениях и применяются при расчётах.
Условные обозначения для электрических схем установлены стандартом.
Самыми многочисленными и разнообразными элементами цепей являются приёмники электрической энергии, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, тепловую, световую, химическую.
Элемент цепи, в котором электрическая энергия преобразуется в теплоту, в схеме замещения характеризуется значением сопротивления R или проводимости G. Такие элементы называются пассивными.
Элементы электрических цепей, в которых преобразование энергии сопровождается возникновением ЭДС (аккумуляторы, электрические машины), называют активными. Часть энергии при этом превращается в теплоту (потери энергии), поэтому такой элемент в схеме замещения характеризуется Э.Д.С. Е и внутренним сопротивлением r.
Рассматривая схему различных электрических цепей, можно выделить в них такие участки:
Ветвь – это участок цепи, вдоль которого ток имеет одно и то же значение.
Узел – это место соединения ветвей электрической цепи.
Контур – замкнутый путь по нескольким ветвям электрической цепи.
На схемах стрелками отмечают положительные направлениями ЭДС, напряжений, токов.
2.3 Режимы работы электрической цепи
При расчёте электрической цепи определяют ток, напряжение, мощность и другие величины, характеризующие работу её элементов. Режим, при котором действительные значения тока, напряжения, мощности и других величин соответствуют номинальным характеристикам элементов электрической цепи, называют номинальным (нормальным). Номинальные значения величин указаны в паспорте устройства или на шильдике, закреплённом на корпусе устройства.
Отклонения от номинального режима нежелательны, а в сторону превышения номинальных значений электрических величин недопустимы. Если действительные характеристики режима отличаются от номинальных значений, то отклонения находятся в допустимых пределах, то – это рабочий режим.
Режим электрической цепи, при котором ток в её элементах равен нулю, называется режимом холостого хода.
Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами (U = 0), называется режимом короткого замыкания.