83646

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Лекция

Физика

Эрстедом влияния электрического тока на магнитную стрелку. Омом было найдено соотношение между силой тока электродвижущей силой источника энергии и сопротивлением проводника по которому проходит ток т. Создателем техники трехфазного тока является русский ученый М. Им создан первый асинхронный двигатель с ротором типа беличье колесо 1889 первый трехфазный генератор переменного тока 1888.

Русский

2015-03-15

122.5 KB

1 чел.

Лекция N 1

Научно-технический прогресс происходит при все более широком применении электрической энергии. В наше время нет ни одной отрасли народного хозяйства, ни одной научно-исследовательской работы, где бы она так или иначе не использовалась. Применение электроэнергии стало возможным с появлением электротехники - науки о практическом применении электрических и магнитных явлений природы и законов, их описывающих.

Начала электротехники заложили ученые XVIII и XIX столетий, когда был сделан ряд важных открытий в области изучения электромагнетизма и изобретений, связанных с его применением.

Во второй половине XVIII в. были проведены замечательные работы в области изучения электрических явлений академиками Петербургской Академии наук М. В. Ломоносовым, Г. В. Рихманом и Т. У. Эпинусом. Г. В. Рихман начал работу по изучению электрических явлений в 1744 г., стремясь получить возможность количественно измерять электричество. Для этого им был построен прибор, явившийся первым в мировой практике электрометром.

Одним из пионеров идеи о существовании связи между электрическими и магнитными явлениями был русский академик Т. У. Эпинус.

Серия важнейших работ появилась начиная с 1820 г., после открытия датским ученым X. К. Эрстедом влияния электрического тока на магнитную стрелку. Он установил, что ток, проходя по проводнику, оказывает механические воздействия на находящуюся вблизи него магнитную стрелку, стремясь повернуть ее перпендикулярно проводнику. Таким образом впервые был установлен факт существования магнитного поля вокруг проводника с током.

Французский ученый Д. Ф. Араго с помощью создаваемого электрическим током магнитного поля намагнитил кусок стали, создав первый электромагнит со стальным сердечником (1824). Его соотечественник А. М. Ампер открыл явление механического взаимодействия токов и установил закон этого взаимодействия, положив таким образом начало электродинамике (1826).

В 1821 г. английский ученый М. Фарадей показал, что проводник с током вращается вокруг магнитного полюса. Это в дальнейшем было использовано изобретателями электродвигателей. В 1821 г. Т. И. Зеебеком было открыто явление термоэлектричества, позволившее непосредственно превращать тепловую энергию в электрическую.

В 1827 г. немецким ученым Г. С. Омом было найдено соотношение между силой тока, электродвижущей силой источника энергии и сопротивлением проводника, по которому проходит ток, т. е. был открыт закон Ома. Последовавшее затем установление правил Кирхгофа для разветвленных цепей позволило облегчить расчеты сложных электрических цепей и понимание процессов, протекающих в них.

Теоретическим фундаментом для развития электротехники послу-жили открытие Фарадеем закона электромагнитной индукции (1831) и работы Дж. К. Максвелла и Э. X. Ленца. На основании теоретических и экспериментальных исследований этих ученых уже в XIX в. появились первые образцы электрических машин, трансформаторов, электрических ламп. Особенно большие заслуги в этой области принадлежат русским ученым и изобретателям.

В 1833 г. академиком Петербургской Академии наук Э. X. Ленцем было установлено правило, названное его именем; затем экспериментально обоснован закон Джоуля - Ленца (1842). Им же совместно с академиком Б. С. Якоби были разработаны методы расчетов электромагнитов и открыта обратимость электрических машин. Б. С. Якоби построил первый в мире электродвигатель (1834-1838), он же является создателем гальванопластики (1838), изобретателем первого буквопечатающего телеграфного аппарата (1850). В 1802 г. русским ученым В. В. Петровым была открыта электрическая дуга. Первое ее практическое применение для освещения было осуществлено П. Н. Яблочковым с помощью изобретенной им электрической "свечи" (1875). Затем электрическую дугу использовали для сварки и резания металлов, что было сделано также русскими изобретателями Н. Н. Бенардосом и Н. Г. Славяновым. П. Н. Яблочков предложил оригинальные конструкции машин постоянного и переменного токов.

Создателем техники трехфазного тока является русский ученый М. О. Доливо-Добровольский. Им создан первый асинхронный двигатель с ротором типа "беличье колесо" (1889), первый трехфазный генератор переменного тока (1888). В 1891 г. на Всемирной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне М. О. Доливо-Добровольский демонстрировал первую в мире систему электропередачи трехфазного тока на расстояние около 170 км. Им же были разработаны все элементы трехфазных цепей переменного тока, трансформаторы трехфазного тока, пусковые реостаты, измерительные приборы.

Первую в мире лампу накаливания (1872) изобрел А. Н. Лодыгин.

Русский ученый С. Н. Вавилов разработал теорию, связанную с явлением люминесценции, и под его руководством была разработана технология производства ламп "дневного" света. Работы А. Н. Лодыгина, А. Г. Столетова, Т. А. Эдисона, Дж. А. Флеминга и других исследователей привели к созданию в 1904 г. двухэлектродной лампы - диода. Первые радиолампы в России были изготовлены Н. Д. Папалекси, а первые электровакуумные приемно-усилительные лампы - М. А. Бонч-Бруевичем.

Большой вклад в полупроводниковую технику внесли ученые школы академика А. Ф. Иоффе, кристаллический (полупроводниковый) усилитель и генератор были созданы О. В. Лосевым.

Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок исследованиям в области полупроводников. Новым этапом в развитии элементной базы электроники было изобретение американских ученых Бардина и Браттейна - германиевый точечный транзистор (позднее были разработаны кремниевый то-чечный транзистор, плоскостные транзисторы и другие полупроводниковые приборы). По сравнению с лампами транзисторы той же мощности имеют значительно меньшие размеры, практически неограниченный срок работы, высокую механическую прочность, невысокое питающее напря-жение и другие преимущества.

Следующий этап повышения технического уровня развития элементной базы электронной аппаратуры обусловлен переходом на интегральные микросхемы (ИМС). Интегральная технология оказала глубокое влияние на все этапы разработки, изготовления и эксплуатации современной электронной аппаратуры. Электроника стала основой электронно-вычислительной техники, автоматических систем других устройств. В СССР первую электронную ЦВМ (цифровую вычислительную машину), разработанную под руководством академика С. А. Лебедева, построили в 1950 г.

Итак, электротехника и электроника заняли важнейшее место в жизни современного общества, так как в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, быту, медицине, культуре они способствуют кардинальному изменению экономических и социальных условий жизни человека.


1.  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА


1.1. Общие сведения об электрических цепях и их элементах

Как известно, направленное движение носителей электрических зарядов называется электрическим током. Для получения направленного непрерывного движения носителей электрических зарядов необходимо создать электрическую цепь, состоящую из источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой проводниками. Таким образом, электрическая цепь представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих генерирование, передачу и использование электрической энергии. Отдельные устройства, составляющие электрическую цепь, называют элементами электрической цепи. Элементы электрической цепи, генерирующие электрическую энергию, называют источниками электрической энергии (или источниками энергии, источниками питания, просто источниками), а элементы, потребляющие электроэнергию, - приемниками электрической энергии (или приемниками, потребителями). С помощью источников различные виды энергии преобразуются в электрическую энергию. Например, в машинных генераторах в электрическую энергию преобразуют механическую энергию, в гальванических элементах и акку-муляторах - химическую энергию, в термогенераторах - тепловую энергию, в фотоэлементах - энергию излучения и т. д. Приемники, наоборот, преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии, а именно; электродвигатели - в механическую, электронагревательные устройства - в тепловую, лампы- в световую, аккумуляторы - в химическую и т. д.

Наряду с источниками, приемниками и соединительными проводами в реальных электрических цепях содержится ряд вспомогательных элементов: коммутационная аппаратура, служащая для включения и отключения отдельных участков цепи, электроизмерительные приборы, защитные устройства, а также преобразующие устройства в виде трансформаторов, выпрямителей и инверторов, которые позволяют рационально передавать электроэнергию на дальние расстояния и распределять ее между потребителями. Свойства каждого элемента электрической цепи характеризуются параметрами. Свойство элемента поглощать энергию из электрической цепи и преобразовывать ее в другие виды энергии (тепловую, световую) характеризует параметр сопротивлевние r. Свойство элемента, состоящее в возникновении собственного магнитного поля при прохождении через элемент электрического тока, характеризует параметр индуктивность L. Свойство элемента накапливать заряды характеризует параметр емкость С. Реальные элементы цепи в общем случае обладают всеми тремя параметрами: r, L, С. В некоторых случаях каким-либо параметром элемента можно пренебречь. Так, катушку индуктивности на схеме замещения можно представить в виде элемента, обладающего индуктивностью L (пренебрегая емкостью С и сопротивлением r). Элементы цепи, характеризуемые только одним параметром, называют идеальными.

Следует помнить, что распределенные параметры на схемах изображают в виде сосредоточенных сопротивлений, индуктивностей, емкостей. Электрические цепи могут быть неразветвленными или разветвленными, с одним или несколькими источниками питания, линейными или нелинейными, постоянного или переменного тока.

Зависимости напряжения на сопротивлении от тока U(I) или тока от напряжения I(U) (рис. 1.1) получили название вольт-амперных характеристик. Если в приемнике отношение напряжения к току есть величина постоянная [U(I) = r = const], то приемник является линейным элементом и его вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат (на рис. 1.1 линия 2). Если же это отношение непостоянно, то приемник будет нелинейным элементом электрической цепи и его вольт-амперная характеристика непрямолинейна (на рис. 1.1 кривая 1).

Электрические цепи, которые состоят только из линейных элементов, называют линейными. Электрические цепи, в которые входит хотя бы один нелинейный элемент, называют нелинейными.

Важнейшей задачей анализа и расчета электрических цепей является определение (нахождение) токов, напряжений и мощностей отдельных ее участков. Часто возникает задача, когда для получения требуемого распределения токов, напряжений и мощностей нужно определить параметры цепи или ее отдельных элементов.

В электрических цепях постоянного тока получение, передача и преобразование электрической энергии в приемниках происходит при неизменных во времени токах и напряжениях, вследствие чего магнитные и электрические поля электроприемников также постоянны во времени. Следовательно, в цепях постоянного тока не возникают э. д. с. самоиндукции и токи смещения в диэлектриках, окружающих проводники.

Рассмотрим простейшую электрическую цепь (рис. 1.2), в которой сопротивлением проводов, соединяющих источник питания с приемником, можно пренебречь. Электрическое поле, возникающее в проводниках между зажимами источника, воздействует на свободные носители зарядов проводников и вызывает электрический ток в цепи. Перемещение носителей зарядов по электрической цепи требует затраты энергии на преодоление противодействия их движению со стороны проводников (элементов) цепи. Это противодействие - результат столкновений носителей электрических зарядов с атомами или молекулами при перемещении их по проводнику. Противодействие проводника направленному движению носителей электрических зарядов, т. е. электрическому току, характеризуется сопротивлением проводника r.

Для поддержания тока постоянным необходимо стационарное поле, энергия которого должна непрерывно восстанавливаться, что и осуществляется за счет источников электрической энергии. Одной из важнейших характеристик электрического поля является потенциал φ, численно равный работе А, которую совершают силы поля при переносе единичного положительного заряда q из данной точки поля в точку, потенциал которой равен нулю.

В рассматриваемой цепи на внешнем участке аb положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала φ, а на участке 1-2, т. е. в источниках, перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания потенциала, т. е. против электростатического поля. Перемещение носителей в источнике возможно только за счет сил неэлектростатического происхождения, называемых сторонними. Сторонние силы могут быть обусловлены химическими процессами в гальванических элементах и аккумуляторах, электрическими полями (неэлектростатическими), получаемыми в электромашинных генераторах, и т. д. Интенсивность сторонних сил характеризуется значением электродвижущей силы (э. д. с.) Е.

Э. д. с равна работе А сторонних сил, совершаемой при перемещении единичного положительного заряда q внутри источника от зажима с отрицательным потенциалом к зажиму с положительным потенциалом:

Е = A/q          (1.1)

Иначе, э. д. с. равна разности потенциалов или напряжению между положительным и отрицательным зажимами разомкнутого источника:

          (1.2)

Электрическое поле на внешнем участке цепи ab характеризуется напряжением или разностью потенциалов между этими точками:

Если электрическая цепь представляет собой замкнутый контур, то напряжение между точками 1 и ,2 не равно э. д. с. из-за падения напряжения внутри источника U0 = Ir0, т. е. э.д.с. замкнутого контура равна сумме падений напряжения на его участках:

          (1.3)

Так как причиной возникновения напряжения и тока в электрической цепи является э. д. с. источника питания, то от характера изменения э. д. с. зависит и закономерность изменения тока и напряжения в электрической цепи. Например, в цепях постоянного тока э. д. с. источников неизменна, поэтому напряжения и токи в таких цепях также неизменны. Основной единицей э. д. с., напряжения и потенциала в Международной системе единиц (СИ) является вольт (В). Вольт есть напряжение между концами проводника, в котором при перемещении положительного заряда в 1 кулон (Кл) совершается работа в 1 джоуль (Дж). Используют также и производные единицы: микровольт - 1 мкВ = 1 · 10-6 В; милливольт - 1 мВ = 1 · 10-3 В; киловольт - 1 кВ = 1 · 103 В; мегавольт - 1 MB = 1 · 106 В.

За положительное направление э. д. с. принимают направление действия сторонних сил на положительный заряд, т. е. направление от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом. За положительное направление напряжения принимают направление в сторону понижения потенциала в электрической цепи, т. е. направление от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом.

Важной характеристикой источника питания является внешняя характеристика U (I) (рис. 1.3), представляющая собой зависимость напряжения на зажимах нагруженного источника питания от тока в электрической цепи. Напряжение на зажимах источника питания при увеличении тока сначала (участок cb) убывает по линейному закону: затем при дальнейшем росте тока линейность нарушается и внешняя характеристика (участок ) становится нелинейной. Нелинейность характеристики может быть обусловлена уменьшением э. д. с. источника или увеличением его внутреннего сопротивления или того и другого вместе взятых. При токе короткого замыкания напряжение становится равным нулю (точка а).

Мощность источника питания определяется формулой

P = E·I.          (1.4)

Следует иметь в виду, что в зависимости от проводящей среды носителями зарядов могут быть движущиеся электроны (в металлах и полупроводниках) или положительные и отрицательные ионы (в электролитах). За положительное направление тока принимают направление движения положительных носителей зарядов, которые во внешней цепи перемещаются от положительного зажима источника питания к отрицательному (см. рис. 1.2, участок ab), т. е. во внешней цепи положительные направления тока и напряжения совпадают. На участке 1-2 (см. рис. 1.2), содержащем источник питания, положительные носители зарядов под действием сил стороннего поля перемещаются от меньшего потенциала к большему: здесь положительное направление тока совпадает с положительным направлением э. д. с. и противоположно положительному направлению напряжения.

Электрический ток оценивается количеством носителей зарядов, проходящих в единицу времени через поперечное сечение проводника. Электрический ток, изменяющийся во времени, называется переменным. Значение переменного тока для заданного момента времени называют мгновенным значением тока и обозначают i. Переменный ток определяется как отношение количества электричества dq, протекающего через поперечное сечение проводника за время dt, к этому времени:

i = dq / dt          (1.5)

Электрический ток, значение и направление которого не изменяются, называется постоянным и обозначается I. Постоянный ток определяется отношением

I = q / t          (1.6)

Основными единицами заряда, тока и времени в Международной системе единиц (СИ) являются: кулон (Кл), ампер (А) и секунда (с). Для тока используют также производные единицы: миллиампер - 1 мА = 10-3 А и микроампер - 1 мкА = 10-6 А. Свойства приемников характеризуют параметрами элементов электрической цепи: сопротивлением r, индуктивностью L, взаимной индуктивностью М и емкостью С. Элементы электрической цепи, поглощающие или накапливающие энергию магнитного или электрического поля и характеризуемые параметрами г, L, М, С, называют пассивными (рис. 1.4, а, б, в, г). Источники, заряженные аккумуляторы, двигатели постоянного тока, электронные лампы, транзисторы, диоды, для характеристики работы которых кроме пассивных параметров необходимо вводить э. д. с., называют активными.

Так как мощность, потребляемая элементом, который характеризуется параметром r,

P = I2r          (1.7)

то r = P / I2.

Реальный элемент электрической цепи, основной характеристикой которого является параметр сопротивление r, называется резистором. Резистор - это специальное устройство, вводимое в электрическую цепь для регулирования тока и напряжения. Основной единицей сопротивления в СИ является ом (Ом), однако часто используют и производные единицы: килоом - 1 кОм = 103 Ом, мегаом - 1 МОм = 106 Ом.

Параметр L является коэффициентом пропорциональности между потокосцеплением и током I элемента:

откуда

Для характеристики индуктивной катушки как реального элемента электрической цепи часто не требуется знать распределение магнитного поля вокруг катушки. Достаточно вычислить потокосцепление магнитного потока со всеми w ее витками:

где Фk - магнитный поток, сцепленный с k-м витком. Если все витки катушки пронизаны одним потоком Ф, то ее собственное потокосцепление = wФ, где w - число витков катушки. Основной единицей потокосцепления и магнитного потока в СИ является вебер (Вб): 1 Вб = 1 В · 1 с. За 1 Вб принимают магнитный поток, пронизывающий площадь, ограниченную замкнутым контуром, если при равномерном убывании этого потока до нуля в течение 1 с в контуре индуцируется э. д. с. в 1 В.

Параметр L называют коэффициентом самоиндукции или просто индуктивностью элемента цепи. Единицей индуктивности в СИ является генри (Гн): 1 Гн = 1 В*с*А-1 = Вб*А-1. Часто используют производную единицу миллигенри - 1 мГн = 10-3 Гн. О значении индуктивности элемента в зависимости от тока судят по его вебер-амперной характеристике (рис. 1.5).

Параметр взаимной индуктивности М (см. рис. 1.4, г) характеризует способность одного индуктивного элемента с током It создавать магнитное поле, которое частично пронизывает витки другого индуктивного элемента. Параметр М представляет собой коэффициент пропорциональности между током первого I1 элемента с индуктивностью L1 и потокосцеплением второго элемента, созданным во втором элементе этим током, т. е. или, наоборот, между потокосцеплением первого элемента, обусловленного током второго элемента с индуктивностью L2, и током I2, т. е. Параметр взаимной индуктивности, как и индуктивность, выражают в генри.

Электрическая емкость С представляет собой коэффициент пропорциональности между зарядом q и напряжением на элементе: q = СU. Реальный элемент, основной характеристикой которого является параметр С, называется конденсатором. Зависимость заряда конденсатора от приложенного напряжения называется кулон-вольтной характеристикой (рис. 1.6). Электрическая емкость С элемента цепи выражается в СИ в фарадах (Ф). Фарада - это емкость такого конденсатора, напряжение между обкладками которого равно 1 В при заряде на обкладках в 1 Кл, т. е. 1 Ф = 1 Кл/1 В. Емкость в 1 Ф - очень большое значение. Например, емкостью в 1 Ф будет обладать уединенный шар радиусом 9 · 109 м, т. е. шар, радиус которого примерно в 1500 раз больше радиуса Земли. Поэтому на практике используют в основном производные единицы: микрофарада (мкФ), нанофарада (нФ) и пикофарада (пФ), которые соответственно рав-ны: 1мкФ = 10-6Ф, 1нФ = 10-9Ф, 1пФ = 10-12Ф = 10-6мкФ

За единицу количества электричества в 1 Кл принимают заряд, пересекающий а 1 с сечение проводника с постоянным током в 1 А.

При анализе и расчете электрических цепей источники питания заменяют эквивалентными идеальными источниками, которые, в свою очередь, подразделяют на идеальные источники э. д. с. и идеальные источники тока. Идеальным источником э. д. с. (напряжения) называется источник, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а э. д. с. Е постоянна и равна э. д. с. реального источника, причем эта э. д. с. не зависит от тока нагрузки, проходящего через источник: E = U = const. На электрических схемах источники э. д. с. изображают в виде окружностей со стрелками внутри, указывающими положительное направление э. д. с., т. е. направление возрастания потенциала внутри источника, и написанной рядом с окружностью буквой Е (рис. 1.7, а). Идеальным источником тока называется источник с внутренним сопротивлением, равным бесконечности, и током, не зависящим от сопротивления нагрузки цепи r, т. е. током, значение которого не зависит от значения напряжения и равно току короткого замыкания Ik источника питания. На электрических схемах источники тока изображают в виде окружностей с двумя стрелками внутри, указывающими положительное направление тока, и написанной рядом с окружностью буквой J (рис. 1.7, б).

Свойства идеальных источников э. д. с. и тока описывают с помощью внешних характеристик (рис. 1.8), причем внешняя характеристика идеального источника э. д. с. представляет собой горизонтальную прямую cd (рис. 1.8, а), а внешняя характеристика идеального источника тока - вертикальную прямую ab (рис. 1.8, б).

Литература

  1.  Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
  2.  Каплянский А.Е. и др. Теоретические основы электротехники. Изд. 2-е. Учеб. пособие для электротехнических и энергетических специальностей вузов. –М.: Высш. шк., 1972. –448 с.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение ЭДС, напряжения, потенциала, разности потенциалов.
2. Поясните физические процессы, происходящие в простейшей замкнутой электрической цепи.
3. Назовите параметры реального и идеального источников ЭДС и тока, нарисуйте их внешние характеристики.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62361. Вправи та задачі на засвоєння таблиць додавання і віднімання. Кругові вирази. Побудова геометричних фігур за зразком 594.61 KB
  Діти до нас сьогодні в гості завітав космонавт. Лист Любі діти я тільки прилетів з дуже далекого космосу. На яке число ми щойно збільшували і зменшували інші числа на 6 Діти відкрийте свої зошити знайдіть новий робочий рядок і запишіть каліграфічно це число в рядок через клітинку.
62364. Слова, які означають назви предметів (іменники) 354.96 KB
  До кожного з них поставте запитання хто або що вчитель читає слова а учні хором ставлять запитання хто або що Комбайн комбайнер льотчик літак футбол село селянин корівник корова мурашка мурашник. На яке питання відповідає слово відгадка Що означає це слово назву предмета...
62367. Істинні та хибні висловлення 302.56 KB
  Мета: дати поняття істинне висловлення та хибне висловлення; навчати учнів розрізняти істинні та хибні висловлення; розвивати логічне мислення память; виховувати любов до праці. Щоб дізнатися що таке істинні та хибні висловлення ми пограємо у гру.
62369. Что такое музыка и что она из себя представляет? 22.79 KB
  В историческом контексте развитие музыки неотделимо от деятельного развития чувственных способностей человека ход слухового освоения человеком музыкального материала в изменяющихся культурных условиях составляет наиболее фундаментальный уровень истории музыки.