5.3 Соединение проводников. Превращение электрической энергии

Любой проводник электрической энергии характеризуется сопротивлением протекания электрического тока. Сопротивление определяется соотношением R= ρ l/ S, где l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление (характеризует свойства материала). При последовательном соединении сопротивлений (см. рисунок 5.2.а) общее сопротивление равно сумме отдельных сопротивлений: R = R₁ + R₂ +…+ R_n (подобно сопротивлению движения жидкости). В такой последовательной цепи сила тока одинакова во всех участках цепи, а напряжения на концах отдельных участков пропорциональны сопротивлениям этих участков: U₁ / U₂ = R₁ / R₂. Полное напряжение на концах последовательной цепи равно сумме напряжений на отдельных участках: U = U₁ + U₂ + … + U_n.

Рисунок 5.2.а - Последовательное соединение сопротивлений

При параллельном соединении сопротивлений (см.рисунок 5.2.б) складываются обратные сопротивлениям величины – проводимости: 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ +…+ +1/R_n. В этом случае одинаковы напряжения на отдельных сопротивлениях, а токи в различных неразветвленных участках обратно пропорциональны их сопротивлениям: I₁ / I₂ = R₂ / R₁. Величина тока в неразветвленной части цепи равна сумме токов в параллельно включенных участках: I = I₁ + I₂ + … + I_n.

Рисунок 5.2.б - Параллельное соединение сопротивлений

В однородном участке цепи вся совершаемая током работа реализуется в выделяющейся теплоте. Если сопротивление какого-либо участка цепи значительно больше, чем сопротивление всех остальных участков, то здесь выделяется практически все джоулево тепло. Такой случай осуществляется в лампах накаливания и нагревательных приборах, сопротивление которых значительно больше, чем сопротивление подводящих проводов. Таким же распределением сопротивлений пользуются при контактной электросварке, применяемой для металлов со значительным удельным сопротивлением (никель, тантал, молибден и др.) При такой сварке все сопротивление сосредоточено в месте контакта свариваемых деталей.

5.4 Электрические машины. Трансформаторы и выпрямители

При практическом использовании энергии электрического тока очень часто возникает необходимость изменять напряжение, даваемое каким-либо генератором. Осуществить такого рода преобразования постоянного напряжения очень трудно, между тем как переменное напряжение можно преобразовывать – повышать или понижать – достаточно просто и почти без потерь энергии. Электрические машины, с помощью которых производится преобразование переменного тока, получили название трансформаторов. Принципиальная схема трансформатора показана на рисунке. 5.3.а.

Рисунок 5.3.а - Принципиальная схема трансформатора	Рисунок 5.3.б - Схема генератора с неподвижным якорем (Я) и вращающимся индуктором (И)

Каждый трансформатор имеет железный сердечник, на который одеты две катушки (обмотки). Концы одной из обмоток подключены к источнику переменного тока с напряжением U₁, а нагрузка – к концам второй обмотки, в которых создается переменное напряжение U_2. Величины напряжений в первичной и вторичной обмотке связаны соотношением U₁ / U₂ = n₁ / n₂, где n₁ и n₂ – число витков в первичной и вторичной обмотке соответственно. Отношение к = U₁ / U₂ называют коэффициентом трансформации. Трансформаторы рассчитываются так, чтобы токи в первичной и вторичной обмотке были приблизительно обратно пропорциональны соответствующим напряжениям I₂ / I₁ ≈ U₁ / U₂ (т.е. передача мощности осуществлялась практически без или при минимальных потерях W₁=W₂).

Поэтому, если напряжение вторичной обмотки во много раз меньше чем первичной, то во вторичной цепи такого понижающего трансформатора можно получить очень большие токи. Такие трансформаторы применяются при электросварке, подробнее о них можно прочесть в гл.6, посвященной сварке. Трансформаторы для небольших мощностей, применяющиеся главным образом в лабораториях и для бытовых целей, они имеют очень небольшие размеры. Мощные трансформаторы, преобразующие сотни и тысячи киловатт, представляют собой сложные инженерные сооружения. Обычно мощные трансформаторы помещают в стальной бак, заполненный специальным минеральным маслом. Это улучшает условия охлаждения трансформатора, и, кроме того, масло играет важную роль как изолирующий материал. Концы обмоток трансформатора выводятся через проходные изоляторы, укрепленные на верхней крышке бака.

В технике применяется преимущественно переменный ток, однако в ряде случаев бывает необходимо иметь постоянный ток. В связи с этим важное техническое значение имеют устройства, позволяющие превращать переменный ток в постоянный, или, как принято говорить–выпрямлять его. В основе действия всех устройств такого рода–выпрямителей–лежит применение полупроводниковых вентилей, приборов, которые пропускают ток в одном направлении и не пропускают его в противоположном (см.Рисунок 5.4).

а – однополупериодная, б – двухполупериодная (мостовая); D1-D4 – полупроводниковые вентили, R – нагрузка.

Рисунок 5.4. - Схемы выпрямления переменного тока.