Так как нагрузка отключается от источника питания и ток в нагрузке становится равным нулю, то внешнее сопротивление равно 0.
2. Зависит ли напряжение на выводах источника электрической энергии от электрического сопротивления внешнего участка цепи.
Да, зависит. Согласно закону Ома для полной цепи, сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника e, деленной на сумму внутреннего сопротивления источника r и сопротивления внешнего участка цепи R:
I = e / (R + r).
Следовательно, сила тока в цепи ЗАВИСИТ от сопротивления внешнего участка цепи. Далее, согласно закону Ома для участка цепи, напряжение на зажимах источника (оно же - напряжение на концах внешнего участка) равно произведению силы тока на сопротивление внешнего участка. Таким образом, напряжение на зажимах источника зависит от электрического сопротивления внешнего участка:
U = I * R = e * R / (R + r).
3.При режиме короткого замыкания источника, напряжение на его зажимах равно нулю. Почему ток короткого замыкания достигает больших величин?
Коротким замыканием (к.з.) называют такой режим работы источника, когда его зажимы замкнуты проводником, сопротивление которого можно считать равным нулю. Практически к. з. возникает при соединении друг с другом проводов, связывающих источник с приемником, так как эти провода имеют обычно незначительное сопротивление и его можно принять равным нулю.
К. з. может происходить в результате неправильных действий персонала, обслуживающего электротехнические установки или при повреждении изоляции проводов.
При коротком замыкании ток равен:
Ввиду того что внутреннее сопротивление источника R обычно очень мало, проходящий через него ток возрастает до весьма больших значений (ток идет по пути наименьшего сопротивления). Напряжение же в месте к. з. становится равным нулю, т. е. электрическая энергия на участок электрической цепи, расположенный за местом к. з., поступать не будет.
Короткое замыкание является аварийным режимом, так как возникающий при этом большой ток может привести в негодность как сам источник, так и включенные в цепь приборы, аппараты и провода. Лишь для некоторых специальных генераторов, например, сварочных, короткое замыкание не представляет опасности и является рабочим режимом.
4. При анализе сложной цепи c помощью закона Кирхгофа следует ли принимать одинаковое направление обхода для всех контуров?
Правила Кирхгофа (Зако́ны Кирхго́фа) - соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Правила Кирхгофа позволяют рассчитывать любые электрические цепи постоянного, переменного и квазистационарного тока. Имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности, так как пригодны для решения многих задач в теории электрических цепей и практических расчётов сложных электрических цепей.
а) первый закон Кирхгофа (применяется для узлов электрической цепи)
Алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю, или сумма токов, направленных к узлу электрической цепи, равна сумме токов, направленных от узла электрической цепи.
Пример: для узла 2 (Рис. 1).
Токи, направленные к узлу имеют знак «+»; направленные от узлf имеют знак «–».
б) второй закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма всех действующих ЭДС в любом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме всех падений напряжения на сопротивлениях, входящих в данный контур.
Раскрытие алгебраических сумм ЭДС и падения напряжения следует производить в соответствии с правилом знаков:
1. Если направление ЭДС совпадает с условно выбранным направлением обхода по контуру, то ЭДС берут со знаком «+», если направление ЭДС не совпадает с выбранным направление обхода, то со знаком «–».
2. Если направление тока на участке цепи совпадает с выбранным направлением обхода контура, то падение напряжения на этом участке будет со знаком «+», если направление тока не совпадает с направлением обхода контура, то со знаком «–».
5. Можно ли индуктивную катушку, предназначенную для работы в цепи переменного тока, включить в цепь постоянного тока, сохранив при этом значение подведенного к ней напряжения равным номинальному?
Нельзя. Из-за влияния X L ток катушки в цепи переменного тока меньше, чем в цепи постоянного тока. Поэтому катушки, рассчитанные на включение в цепьпеременного тока, нельзя включать в цепь постоянного тока на то же напряжение(они сгорят).
6. Почему в нейтральный провод не ставят предохранители?
Нейтральный провод необходим для выравнивания фазных напряжений нагрузки, когда сопротивления этих фаз различны.
Благодаря нейтральному проводу, каждая фаза нагрузки оказывается включенной на фазное напряжение генератора, которое практически не зависит от величины тока нагрузки, так как внутреннее падение напряжения в фазе генератора незначительно. Поэтому напряжение на каждой фазе нагрузки будет практически неизменным при изменениях нагрузки.
Если сопротивления фаз нагрузки будут равными по величине и однородными, то нейтральный провод не нужен. Примером такой нагрузки являются симметричные трехфазные токоприемники.
Обычно осветительная нагрузка не бывает симметричной, поэтому без нейтрального провода ее не соединяют звездой. Иначе это привело бы к неравномерному распределению напряжений на фазах нагрузки: на одних лампах напряжение было бы выше нормального и они могли бы перегореть, а другие, наоборот, находились бы под пониженным напряжением и горели бы тускло.
По этой же причине никогда не ставят предохранитель в нейтральный провод, так как перегорание предохранителя может вызвать недопустимые перенапряжения на отдельных фазах нагрузки.
§ 2.1. Электропроводность.
Под электрическим током понимают направленное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля. Различают два рода тока:
1. постоянный ток – где направленное движение заряженных частиц не меняется и принято за направление от “+” к “-“ источника тока;
2. переменный ток – величина и направление которого непрерывно изменяются.
Сила тока – это количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени:
Под электропроводностью понимают способность вещества создавать электрический ток под действием электрического поля. В зависимости от электропроводности все вещества подразделяют на:
1. проводники – практически все металлы, растворы кислот, щелочей, которые хорошо проводят электрический ток;
2. диэлектрики – лаки, минеральные масла, химические соединения, которые практически не проводят электрический ток;
3. полупроводники – занимают промежуточное положение между веществами первой и второй группы.
§ 2.2. Электрическая цепь и ее элементы.
Рис.2-1. Схема электрической цепи.
Совокупность устройств для получения в них электрического тока называются электрической цепью. В состав цепи входят:
1. электрический генератор (аккумулятор) – источник электрической энергии. В них под действием не электрической силы на выходе данного прибора появляется напряжение;
2. потребитель электрической энергии – в котором электрическая энергия преобразуется в другой вид: в механическую (электродвигатель), в световую (лампы накаливания), в тепловую (нагревательные приборы);
3. проводник, который классифицируют:
по виду материала (алюминий, медь);
по числу токоведущих жил (одножильный, многожильный).
В любой цепи имеет место следующие ее виды:
1. внутренняя цепь – то, что находится между “+” и “-“ источника питания;
2. внешняя цепь – соединительные провода с потребителем.
Источник электрической энергии характеризуется понятием ЭДС (Е), под которой понимают величину, численно равную энергии, получаемой внутри источника единицей электрического заряда.
Потребитель характеризуется напряжением, под которым понимают какая электрическая энергия преобразуется в нем с каждым электрическим зарядом.
При отключении внешней цепи ЭДС и напряжение на зажимах источника равны между собой. Если подключить внешнюю цепь, то между ЭДС источника питания и напряжением на зажимах источника (не учитывая потери напряжения в проводах можно считать, что это напряжение потребителя) существует разность, которая называется внутренним падением напряжения (U 0) – то часть энергии, которая теряется, переходит в тепловую в каждом единичном заряде E-U=U 0 .
§ 2.3. Сопротивление, проводимость.
При прохождении электрического тока в проводниках движущиеся электрические заряды (в основном электроны), сталкиваясь с атомами и молекулами вещества, испытывают противодействие своему движению, отдавая материалу вещества часть кинетической энергии. При этом говорят, что провод обладает сопротивлением. Сопротивление проводника
где ρ – удельное сопротивление, значение которого при 20 °С можно взять из таблиц; l – длина проводника, м; S – сечение, мм 2 .
При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью:
,
где γ – удельная проводимость.
Единицей электрической проводимости является Сименс (См):
[g]=1/1Ом=1См.
Элементы электрической цепи, характеризующиеся сопротивлением R называются резистивными . Они могут быть проволочными и непроволочными. Проволочные реостаты и резисторы изготавливают из материалов с большим удельным сопротивлением. При этом обеспечивается нужное сопротивление при относительно малых габаритах.
Реостат обеспечивает получение переменного сопротивления, значение которого регулируется изменением положения подвижного контакта реостата.
§ 2.4. Закон Ома.
Для участка цепи:
Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению, приложенному к данному участку и обратно пропорционален сопротивлению этого участка. Из этого закона вытекает, что так как , то 1 Ом=1В/1А.
Для полной цепи:
Ток в цепи прямо пропорционален ЭДС источника питания и обратно пропорционален сумме внешнего и внутреннего сопротивления цепи.
§ 2.5. Работа и мощность электрического тока.
Из определения ЭДС источника питания следует (например, генератор), что работа, совершаемая внешними силами на получение электрической энергии, т.е.
здесь, так как , то .
Из определения напряжения на потребитель следует, что
часть энергии теряется внутри источника в тепловую
А – работа, Дж; W – электрическая энергия, Дж.
Под мощностью понимают скорость, с которой совершается работа, т.е.
Следует помнить, что согласно закону сохранения и превращения энергии всегда справедливо, что энергия, вырабатываемая источником питания, равна энергии, которую потребляет приемник электрической энергии плюс энергии потерь. Также , мощность вырабатываемая источником равна мощности потребителя плюс мощность потерь.
При включении электрической цепи в сеть, по мере прохождения тока в проводниках, происходят следующие тепловые процессы, которые неразрывно связаны с тепловым действием тока, который поясняется законом Джоуля-Ленца: количество тепла, выделенное при прохождении его в проводнике прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения ток:
Тепловое действие тока объясняется тем, что в процессе сталкивания движущихся электронов с атомами и молекулами материала проводника, электроны отдают часть кинетической энергии, которая переходит в тепловую. Тепловое действие тока имеет положительную и отрицательную сторону: положительная – возможность использования данного явления в электронагревательных приборах; отрицательная – любая перегрузка, вызванная неправильным расчетом электрической цепи, приводит к перегреву элементов цепи, возникновению короткого замыкания.
В проводах электрической цепи при включении ее в сеть следует выделить следующие этапы нагрева:
1. все тепло, выделяемое током при прохождении его в проводнике, идет на нагрев провода, в результате чего температура провода быстро повышается;
2. начиная с какого-то момента часть тепла, выделенная током в проводе, начинает отдаваться в окружающую среду, что приводит к замедлению роста температуры проводника.
По истечению времени, которое называется временем переходного процесса, наступает режим, при котором все тепло выделенное током в проводе отдается в окружающую среду, температура провода замирает на отметке, называемой установившейся, и для каждой изоляции провода устанавливается температура своя. При этом, в цепи величина тока, соответствующая этому циклу, называется допустимым. Для нормальной работы любой цепи необходимо чтобы расчетный ток провода (ток потребителя ) был меньше или равен допустимому току провода (Р – мощность потребителя; U- напряжение потребителя).
Для правильного расчета любой цепи решающим фактором является выбор сечения провода, т.к. правильно выбранное сечение влияет на качество работы цепи.
Порядок расчета:
1. определят расчетный ток потребителя, используя выражение:
2. в соответствии с маркой провода, числом токоведущих жил провода, материалом проводника (алюминий, медь) выбирают, пользуясь таблицей допустимых токовых нагрузок сечение провода из условия, что допустимый ток, соответствующий данному сечению, должен быть больше или равен расчетного тока
Таблица 1
3. выбранное сечение провода проверяем на потерю напряжения:
где I – расчетный ток провода; l – длина провода – задана; ρ – удельное сопротивление; S – выбранное сечение. Причем, в процентном отношении
,
где U – напряжение потребителя. Эта цифра не должна превышать 7%.
Под коротким замыканием понимают место соединения двух проводников разного потенциала через ничтожно малое сопротивление. В результате короткого замыкания возникают опасные тепловые и механические разрушения элементов электрических установок. Для защиты от короткого замыкания пользуются элементами защиты, простейшими из которых являются плавкие предохранители. Плавкая вставка предохранителя, рассчитанная на ток превышающий расчетный в 2,5 раза, при достижении рабочих токов выше этой величины перегорает, отключет неисправную цепь. В настоящее время плавкие вставки заменяют автоматическими выключателями.
§ 2.7. Соединение сопротивлений.
В практике электрических цепей имеются участки, где сопротивления между собой последовательно, параллельно, а по отношению к зажимам электрической цепи соответственно смешанно.
Для анализа работы таких цепей изучим законы последовательного и параллельного соединений.
Последовательное соединение.
Последовательным называют такое соединение сопротивлений, при котором потребители идут друг за другом без разветвления и по ним протекает один и тот же ток.
Законы соединений.
Ток в цепи определяется по закону Ома
где U AB – напряжение, приложенное в цепи; R AB – эквивалентное сопротивление, полученное расчетным путем из последовательно включенных сопротивлений в цепи
.
В эквивалентном сопротивлении будет протекать такой же ток, по величине, как и ток, который протекал в схеме с тремя сопротивлениями, которые были включены последовательно.
Напряжение на зажимах цепи определяется как сумма падений напряжений на участках цепи, т.е.
,
Особенностью эквивалентного сопротивления является то, что мощность потребляемая этим сопротивлением равна сумме мощностей потребляемых каждым участком, т.е.
,
Параллельное соединение сопротивлений.
Узлом или точкой разветвления является место соединения трех и более проводов.
Закон Кирхгофа.
Алгебраическая сумма токов в точке разветвления равна 0, т.е.
Приняв за положительное значение направление тока притекающего к точке разветвления, а за отрицательное – направление истекающего, распишем выражение закона Кирхгофа и получим:
.
Преобразуя данное выражение, получим более понятное определение закона Кирхгофа: сумма токов притекающих к точке разветвления равна сумме токов вытекающих из нее.
.
Параллельным называется такое соединение, при котором между одними и теме же двумя точками разветвления находится несколько параллельных ветвей. Ветвью электрической цепи называется участок цепи, расположенный между двумя точками разветвления.
Законы соединений.
Напряжение на потребителях, включенных параллельно – это одна и та же величина.
Для узла 1 по первому закону Кирхгофа
а для узла 2:
Для данной схемы справедливо
где ; ; . Здесь R 2 – эквивалентное сопротивление цепи, равное . Эквивалентное сопротивление здесь работает аналогично как в схеме последовательного соединения. Так же для эквивалентного сопротивления справедливо, что
§ 2.8. Потери напряжения в проводах.
R л – сопротивление двух проводов линии; U 1 – напряжение в начале линии (генераторе); U 2 – напряжение в конце линии (на потребителе (R)); l – длина линии; I – нагрузка – величина тока потребителя.
Сопротивление проводника
значит, что при передаче электрической энергии от источника к потребителю неизбежна потеря напряжения в линии электропередач, т.е.
или ,
где - удельная проводимость.
Для расчета электрических цепей принято при длине провода до 10 м не учитывать потери напряжения в линиях, а при длине провода свыше 10 м- потерей напряжения в линиях пренебрегать нельзя, т.к. потеря напряжения приводит так же:
1. к потери мощности
2. к потери энергии
Решающим фактором качества работы любой сети является сечение провода, которое в соответствии с методикой расчета должно быть правильно выбрано и выбранное сечение проверенно на потери напряжения.
Качественная оценка линии также определяется КПД линии
здесь P 1 – мощность генератора.
Как видно из формулы КПД, с увеличением тока нагрузки значение КПД уменьшается.
§ 2.9. Два режима работы источника питания.
На автомобиле два источника.
ABCD – точки разветвления сложной электрической цепи, а путь соединения этих точек – контур электрической цепи.
Контуром электрической цепи называется замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.
Второй закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма ЭДС, действующая в замкнутом контуре, равна алгебраической сумме падения напряжения на участках этого контура. Развернем эту формулу для семы рис.2-6, приняв во внимание, что Е 1 >Е 2 .
Для составления уравнения по второму закону Кирхгофа необходимо обходить контур по направлению, совпадающим с направлением большей ЭДС. Тогда, если направление обхода совпадает с направлением ЭДС, то значение ЭДС берут со знаком “+”, если не совпадает – со знаком “-“. Это же правило действует при определении знака падения напряжения, т.е. направление обхода и направление тока в ветви совпадают – берут знак “+”, на совпадают – знак “-“. Тогда выражение второго закона Кирхгофа для схемы рис.1 будет иметь вид
отсюда ток в цепи (от генератора к аккумулятору) равен
,
где R 0 – внутреннее сопротивление источников Е 1 и Е 2 ; R – нагрузка схемы. Из этого следует, что при таком соотношении величины ЭДС источник Е 1 остается генератором, Е 2 переходит в режим потребителя (аккумулятор после запуска двигателя подзаряжается).
§ 2.10. Расчет сложной электрической цепи.
Сложной электрической цепью называют цепь, состоящую из нескольких контуров и с несколькими ЭДС, рассчитать которую, используя законы последовательного и параллельного соединения невозможно.
Для расчета таких цепей существует несколько методов на базе законов Кирхгофа. Сущность его заключается в том, что для нахождения токов I 1 , I 2 , I 3 нужно составить систему уравнений с тремя неизвестными.
Для точки разветвления С имеем
Для контура abcf по второму закону Кирхгофа с учетом, что Е 1 >Е 2 имеем
Для контура abde по второму закону Кирхгофа имеем
Запишем в систему
.
Из первого уравнения выразим и подставим его во второе и третье и …
Пути снижения потери напряжения в линиях электропередач.
1. Т.к., потеря напряжения в линии
,
то с увеличением напряжения в линии электропередач снижается расчетный ток провода (это позволяет уменьшить сечение, вес и стоимость воздушной сети), что в дальнейшем приводит к уменьшению потери напряжения в линии.
2. Прокладку линии (сетей) надо вести по наименьшему расстоянию.
3. Правильно выбирать сечение провода.
Контрольные вопросы:
1. Что называется электрическим током?
3. Что понимают под электрической цепью?
4. Что такое ЭДС?
5. От чего зависит электрическое сопротивление проводника? Единицы измерения электрического сопротивления.
6. Закон Ома для участка цепи.
7. Закон Ом для полной цепи.
9. Закон Джоуля-Ленца.
10. Виды соединений сопротивлений.
11. Законы Кирхгофа.
13. Режимы работы источников питания.
14. Что называется сложной электрической цепью?
15. Как производится расчет сложной электрической цепи?
1.1. Электрическая цепь и ее элементы
Электрическая цепь – 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.
Простейшая электрическая цепь (рис. 1-1 ) состоит из источника энергии (гальванического элемента, аккумулятора, генератора), приемника энергии (электрической лампы, электронагревательного прибора, электродвигателя) и двух проводов, соединяющих зажимы источника и приемника энергии. Источник энергии (или, короче, источник) преобразует механическую, химическую, тепловую или другого вида энергию в электромагнитную энергию, которую для краткости часто называют просто электрической энергией; приемник энергии (или, короче, приемник), наоборот, превращает электрическую энергию в другие виды энергии: световую, тепловую, механическую и т. д. Источник энергии вместе с присоединенными к нему проводами и приемником образует замкнутый контур, вдоль которого происходит непрерывное движение электрических зарядов (электрический ток) и который называется электрической цепью. По отношению к источнику провода и приемник образуют так называемую внешнюю цепь.
Электрический ток - явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или в вакууме. Численно электрический ток равен скорости изменения заряда q в течение данного интервала времени t .
Постоянный электрический ток (в дальнейшем ток) - это неизменное и однонаправленное движение заряженных частиц (зарядов). При постоянном токе в течение каждого одинакового промежутка времени переносится одинаковый заряд.
Поэтому ток , где q - весь заряд в кулонах (Кл) за время t (с). Из выражения (1.1. ) получим единицу тока: (ампер).
Непосредственной причиной возникновения электрического тока в цепи является электродвижущая сила (Э.Д.С.) источника энергии. Направление тока в цепи принято считать совпадающим с направлением ЭДС (на рис. 1-1 эти направления указаны стрелками). Тот зажим источника, через который ток «выходит » во внешнюю цепь, называется положительным (+), а тот зажим, через который ток из внешней цепи «входит » в источник, - отрицательным (-).
Таким образом, ток направлен во внешней цепи от (+) к (-), а внутри источника от (-) к (+). Как внешняя цепь, так и сам источник обладают сопротивлениями, величины которых зависят от материалов, форм и размеров проводников, образующих соответствующие участки электрической цепи.
Условное направление тока I во внешней (от источника энергии) цепи противоположно направлению движения потока электронов (электрон - частица, обладающая наименьшим отрицательным зарядом ( Кл, тогда 1Кл = электронов)), т. е. он протекает от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом , вызывая падение напряжения (в дальнейшем напряжение) на сопротивлении этого участка.
(1.2.)
Потенциал электрический – работа, которую нужно выполнить, чтобы перенести единицу заряда (1Кл) из данной точки в бесконечность (где нет электрического поля).
, (1.3.)
где - напряженность (вектор) электрического поля, численно равный отношению силы, действующей на заряженную частицу к её заряду, и имеет единицу (согласно этому определению): [Е] = [Н]/[Кл] = В∙А∙с/м∙А∙с = В/м (вольт на метр). Тогда напряжение - это работа, затрачиваемая на перенос единицы заряда (1Кл) из точки a в точку b поля напряженностью по произвольному пути и равная линейному интегралу напряженности электрического поля
(1.4.)
Однозначно определяют только разность потенциалов между соответствующими точками, т. е. напряжение. Когда говорят о потенциале точки электрической цепи, то подразумевают разность потенциалов между этой точкой и другой (обычно заземленной), потенциал которой принимают равным нулю. Из определения (1.4) получают единицу напряжения (потенциала): [U] =[В/м][м] = В (вольт).
Таким образом, разница потенциалов есть напряжение – напряжение между двумя точками, обладающими различными потенциалами. Ведь если то их разность будет равна нулю . Следовательно, напряжение возможно только между двумя точками при условии, что потенциал точек будет различен. Само по себе напряжение в одной единственной точке не возможно.
От величин ЭДС и сопротивления всей цепи зависит величина или сила тока в ней. Соотношение между этими тремя величинами выражается законом Ома, который играет в электротехнике очень большую роль, являясь основой ряда практических расчетов. Согласно этому закону ток I в цепи прямо пропорционален ЭДС Е и обратно пропорционален сопротивлению R всей цепи:
Закон Ома может быть применен не только ко всей цепи в целом, но и к любому ее участку, не содержащему источника энергии, в отдельности. В этом случае ЭДС в формуле (1.3. ) должен быть заменен напряжением на участке U, а под R вместо сопротивления.
Чтобы создать у читателя конкретное представление об ампере и вольте, приведем следующие цифры. Человек начинает ощущать проходящий через его тело ток, когда он достигает 0,005 а. Если ток через тело человека достигает 0,05 а, он становится уже опасным для его жизни. Наиболее часто применяемые в быту лампы накаливания имеют ток порядка 0,25-1 а, бытовые нагревательные приборы - от 2 до 8 а; трамвайный вагон - до 100 а. Гальванические элементы дают большей частью напряжение немного более 1 в, свинцовый аккумулятор - около 2 в; городские осветительные сети обыкновенно имеют напряжение 127 или 220 в. Трамвай - порядка 600 в (между контактным проводом и рельсами). Распределение электрической энергии по территории города или сельского района производится чаще всего при напряжении порядка 6 600 в; линии, передающие электрическую энергию на большие расстояния, работают при напряжениях 35000, 110000 и 220000 вольт. Линии Куйбышев - Москва и Сталинград - Москва рассчитаны на напряжение 400000 в. Молния имеет напряжение, иногда превышающее 100 000 000 в.
Направленное движение зарядов через проводник само по себе невозможно, оно возникает под воздействием приложенного напряжения. Следовательно, можно считать, что напряжение первично, а ток вторичен.
Составные элементы электрической цепи. Электрическую цепь (рис. 12, а) образуют источники " электрической энергии /, ее приемники 3 (потребители) и соединительные провода. В электрическую цепь обычно включают также вспомогательное оборудование: аппараты 4, служащие для включения и выключения электрических установок (рубильники, переключатели и др.), электроизмерительные приборы 2 (амперметры, вольтметры, ваттметры), защитные устройства (предохранители, автоматические выключатели).
В качестве источников электрической энергии применяют главным образом, электрические генераторы и гальванические элементы или аккумуляторы. Источники электрической энергии часто называют источниками питания.
В приемниках электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. К приемникам относятся электродвигатели, различные электронагревательные приборы, лампы накаливания, электролитические ванны и др.
Электрическая цепь может быть разделена на два участка: внешний и внутренний. Внешний участок, или, как говорят, внешняя цепь, состоит из одного или нескольких приемников электри-
В дальнейшем будем употреблять сокращенные термины «источник» и «приемник».
ческой энергии, соединительных проводов и различных вспомогательных устройств, включенных в эту цепь. Внутренний участок, или внутренняя цепь, - это сам источник.
Изображение электрических цепей и их элементов. В схемах реальных электрических устройств (электровозов, тепловозов и др.) отдельные элементы имеют свои условные обозначения в соответствии с государственными стандартами. Некоторые из этих обозначений приведены в табл. 2.
При составлении расчетных схем элементы электрической цепи, имеющие некоторое сопротивление, например электрические лампы, электронагревательные приборы (в том числе и соединительные провода, если их необходимо учитывать при расчете), изображают в виде сосредоточенных в соответствующем месте схемы резисторов с сопротивлением /? (рис. 12, б). То же относится к элементам, имеющим индуктивность (обмотки генераторов, электродвигателей и трансформаторов) и емкость (конденсаторы). На расчетных схемах их изображают в виде сосредоточенных в соответствующем месте катушек индуктивности и конденсаторов. Источники электрической энергии в схеме электрической цепи часто могут быть представлены в виде идеализированных источников, у которых внутреннее сопротивление /?о = 0.
Для того чтобы учесть внутреннее сопротивление реального источника, в схему вводят изображение резистора с сопротивлением /?о или ставят букву /? 0 возле условного обозначения источника.
Вспомогательные элементы электрических цепей (аппараты для включения и выключения, защитные устройства, некоторые электроизмерительные приборы) в большинстве случаев имеют малые сопротивления и практически не оказывают влияние на значения токов и напряжений, поэтому при расчете электрических цепей их не принимают во внимание и не указывают на схемах.
Направления тока, напряжения и э, д. с. в электрической цепи. В схемах электрических цепей направления тока, напряжения и э. д. с. изображают стрелками. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов, т. е. ток во внешней цепи изображают стрелкой /, направленной от
положительного зажима источника электрической энергии к отрицательному его зажиму (см. рис. 12, б), во внутренней цепи ток направлен от отрицательного зажима к положительному. Положительное направление напряжения совпадает с положительным направлением тока. Стрелка И направлена от положительного зажима источника или приемника к отрицательному зажиму. Положительное направление э. д. с. совпадает с положительным направлением тока внутри источника (стрелка Е направлена от отрицательного зажима источника к положительному).
В сложных электрических цепях бывает затруднительно показать действительные направления тока и напряжения на отдельных участках цепи. В таких случаях принимают произвольно какие-либо их направления, которые считают условно положительными, и для этих направлений выполняют расчет электрической цепи. Если в результате расчета выясняется, что какие-то токи и напряжения имеют положительный знак, то это означает, что выбранные для них направления соответствуют действительности. Если же какие-то токи и напряжения получаются отрицательными, то в действительности они имеют направление, противоположное выбранному.
Закон Ома
Закон Ома для электрической цепи. Согласно этому закону сила тока I в электрической цепи равна э. д. с. Е источника, поделенной на сопротивление цепи /? Ц) т. е.
Полное сопротивление замкнутой электрической цепи (рис. 13) можно представить в виде суммы сопротивления внешней цепи /? (например, какого-либо приемника электрической энергии) и внутреннего сопротивления /? 0 источника. Поэтому сила тока
Чем больше э. д. с. Е источника и чем меньше сопротивление электрической цепи, тем больший ток проходит по этой цепи.
Закон Ома для участка электрической цепи. Закон Ома может быть применен не только ко всей цепи, но и к любому ее участку, например между точками а и б (см. рис. 13). В этом случае э. д. с. Е источника в формуле (7) должна быть заменена разностью потенциалов между началом и концом рассматриваемого участка, т. е. напряжением 11, а вместо сопротивления всей цепи в формулу должно быть подставлено сопротивление /? данного участка. В этом случае закон Ома формулируется следующим образом. Сила тока I на данном участке электрической цепи равна напряжению V, приложенному к участку, поделенному на сопротивление Я этого участка:
Прохождение электрического тока по проводникам полностью аналогично прохождению воды по трубам (рис. 14). Чем больше разность уровней воды при входе и выходе из трубы (напор) и чем больше поперечное сечение трубы, тем больше воды протекает сквозь трубу в единицу времени. Точно так же, чем больше разность электрических потенциалов (напряжение) на зажимах источника или приемника электрической энергии и чем меньше его сопротивление (т. е. чем больше площадь поперечного сечения проводника), тем больший ток проходит по нему.
Из формулы (9) следует, что напряжение V, действующее на некотором участке цепи, равно произведению силы тока I на сопротивление Я этого участка:
Так как потенциал электрического поля в начале участка электрической цепи больше, чем в конце, разность потенциалов, или напряжение II, приложенное к участку электрической цепи, часто называют падением напряжения на данном участке.
Сопротивление Я участка цепи равно напряжению, приложенному к данному участку, поделенному на силу тока на этом участке, т. е.
Если сопротивление /? не зависит от проходящего по нему тока и приложенного к нему напряжения, то его вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость силы тока / от напряжения с/, представляет собой прямую линию / (рис. 15). Такие сопротивления называют линейными, а электрические цепи, в которых включены подобные сопротивления,- линейными цепями.
Однако в электротехнике широко применяют и такие устройства, сопротивление которых резко изменяется в зависимости от силы или направления проходящего через них тока либо приложенного напряжения. Подобные сопротивления имеют вольт-амперную характеристику, отличающуюся от прямой (кривая 2 на рис. 15), и называются поэтому нелинейными сопротивлениями. Простейшим нелинейным сопротивлением является электрическая лампа накаливания. При протекании тока по металлической нити лампа нагревается и сопротивление ее возрастает. Следовательно, при увеличении приложенного к лампе напряжения сила тока будет возрастать не прямо пропорционально напряжению, а в несколько меньшей степени.
В принципе большинство электрических устройств может быть представлено в виде нелинейного сопротивления, так как при изменении силы тока меняется температура данного устройства, а следовательно, и его сопротивление. Однако у многих из них вольт-амперные характеристики в рабочем диапазоне изменений напряжения и тока мало отличаются от прямой, поэтому приближенно можно их считать линейными сопротивлениями.
К сопротивлениям с нелинейной вольт-амперной характеристикой относятся электрические лампы накаливания, термисторы (полупроводниковые резисторы, сопротивление которых сильно изменяется при изменении температуры), полупроводниковые диоды, тиристоры и транзисторы, электронные лампы и пр. Нелинейные сопротивления широко используют в электротехнике для автоматического регулирования силы тока и напряжения в электрических цепях, электрических измерений, выпрямления тока и пр.
