Реферат: Цепи постоянного тока

Основной характеристикой источника электрической энергии является электродвижущая сила.

Электродвижущая сила характеризует способность стороннего поля (или индуцированного поля) вызывать электрический ток, т.е. совершать работу по перемещению свободных зарядов. ЭДС (Е) численно равна работе (А), совершаемой сторонними силами (полями) при переносе единицы заряда Q.

E=A/Q

В системе СИ ЭДС измеряется в вольтах (В).

Электрический ток – направленное движение заряженных свободных носителей электрического заряда.

В металлах – это электроны, а в электролитах и плазме – ионы.

При переменном токе , а при постоянном токе I=Q/t.

В системе СИ величина тока измеряется в амперах (А). [I]=[Q]/[t]=Кл/с=А.

Во внешней цепи (в нагрузке) за положительное направление тока принято направление от (+) к (-), а внутри источника – от (-) к (+).

При расчёте токов в цепи положительным направлением его в каждой ветви задаются произвольно (указывают стрелками). Если в результате расчёта получается отрицательное значение тока, то это означает, что действительное положительное направление обратно указанному стрелкой.

Электрическое напряжение

При протекании тока через внешние элементы электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии и силами электрического поля выполняется работа по переносу электрических зарядов, которая характеризуется электрическим напряжением.

Напряжение U численно равно работе по перемещению заряда в один кулон (Кл) вдоль пути l:

 (1.1.2)

Под знаком интеграла берётся скалярное произведение векторов. За положительное направление напряжения между точками a и b цепи принимают направление, совпадающее с положительным направлением тока на этом участке цепи (рис. 1.1). Измеряется U в вольтах (В).

Электрический потенциал и разность потенциалов

Электрическое напряжение вдоль электрической цепи вне источника между точками a и b, называют также разностью потенциалов  между этими точками.

При этом под потенциалом любой точки электрической цепи понимается электрическое напряжение между этой точкой и точкой цепи, потенциал которой выбран равным нулю.

Таким образом и потенциал и напряжение и разность потенциалов являются электрическими характеристиками точек цепи, отнесёнными к единице электрического заряда и все они измеряются в вольтах.

Электрическое сопротивление

Среда (материал проводника) противодействует движению зарядов. На преодоление этого противодействия затрачивается электрическая энергия, которая преобразуется в тепло.

Величина, характеризующая противодействие проводящей среды движению электрических зарядов, т.е. электрическому току называется электрическим сопротивлением. Определяется оно как отношение напряжения на участке электрической цепи к току в этом участке цепи R≈U/I (1.2)

Элемент электрической цепи, предназначенный для ограничения тока в цепи, параметром которого является электрическое сопротивление, называется резистором. В системе СИ электрическое сопротивление R измеряется в Омах (Ом).

[R]=[U]/[I]=В/А=Ом.

Для однородных проводов постоянного сечения:

R=ρ*l/S, где

ρ – удельное сопротивление, Ом*м

S – площадь поперечного сечения провода, м2

l – длина провода, м.

Сопротивление проводов, резисторов и других проводников электрического тока зависит от температуры окружающей среды.

Электрическая проводимость – это величина, обратная сопротивлению, т.е. G=1/R (1.1.4)

[G]=[1/R]=1/Ом=А/В=См (сименс)

7 Энергия и мощность в электрической цепи. Баланс мощности

В источнике электрической энергии, так же, как и в нагрузке (в резисторах) происходит необратимое преобразование электрической энергии в тепло. Это учитывается внутренним сопротивлением R0 источника ЭДС, показываемого на схеме замещения отдельным резистором, включённым последовательно с ЭДС E.

Работа, совершаемая источником электрической энергии за время t, т.е. работа по разделению зарядов сторонними силами в источнике равна W=E*Q=E*I*t.

В приёмнике электрической энергии при напряжении U и токе I расходуется энергия

Wпр=U*Q=U*I*t=I2 *R*t=U2 *t/R.

Мощность P характеризует интенсивность преобразования энергии из одного вида в другую за единицу времени.

Для цепей постоянного тока мощность источника

, (1.1.5)

а мощность приёмника

 (1.1.6)

В системе СИ энергия и мощность измеряются в Джоулях (Дж) и Ваттах (Вт) соответственно.

Для всех величин, введённых выше, применяются кратные и дольные единицы измерения (см. приложение 2).

Энергия часто выражается в киловатт-часах. 1кВт*ч=3,6*106 Дж.

На основании закона сохранения энергии мощность, развиваемая всеми источниками электрической энергии, входящими в электрическую цепь, должна быть равна мощности преобразования электрической энергии в другие виды энергии всеми приёмниками, входящими в эту цепь:

, где (1.1.7)

ΣEiIi – алгебраическая сумма мощностей, развиваемых источниками (Если положительное направление тока через источник ЭДС, то источник ЭДС работает в режиме генератора и произведение E*I>0. Если же направление I и E противоположны, то источник ЭДС потребляет энергию, т.е. работает в режиме приёмника и произведение E*I<0).

ΣRjIj2 – сумма мощностей всех приёмников.

Уравнение (1.1.7) называется уравнением баланса мощности для цепей постоянного тока.

8 Мощность потерь и КПД электрической цепи

В реальной электрической цепи источник электрической энергии имеет внутреннее сопротивление R0, а приёмник соединяется с источником ЭДС линией передачи и изготавливается из проводов, имеющих сопротивление RЛ.

Схема замещения такой цепи имеет вид (рис. 1.3)

                               a                                                    c            

                             E                      RA                                      

                                                                                                 RН

                    R0            b                                                   d            

Рис. 1.3

По закону Ома для полной цепи, ток I в цепи равен:

, или R0I+RЛI+RНI=E

Умножив все члены этого уравнения на I, получим уравнение баланса мощности:

R0I2+RЛI2+RНI2=EI, где

EI – мощность, развиваемая источником ЭДС;

R0I2, RЛI2 – мощность потерь в источнике и в линии передачи;

RНI2=UcdI – мощность в приёмнике, т.е. полезная мощность.

Технико-экономические расчёта показывают, что для передачи электрической энергии на большие расстояния выгодно использовать ЛЭП большого напряжения, что увеличивает один из важнейших параметров электрической цепи – коэффициент полезного действия этой цепи (КПД).

КПД электрической цепи это отношение мощности приёмника (полезной мощности) к суммарной мощности всех потребителей (или к мощности, развиваемой источником):

 (1.1.8)

КПД линии передачи большой протяжённости достигает 95%.

9 Режимы работы электрической цепи

Электрическая цепь в зависимости от значения RН может работать в различных характерных режимах: номинальном, согласованном, холостого хода и короткого замыкания.

Номинальный режим – это расчётный режим, при котором элементы цепи (источники, приёмники, линии передачи) работают в условиях, соответствующих проектным данным и параметрам.

Номинальные напряжения стандартизированы по ГОСТ 21128-83 и для сетей до 1000В равны 27, 110, 220, 440В – при постоянном токе и 40, 220, 380, 660В – при однофазном переменном токе.

Превышение этих напряжений приводит к пробою изоляции, увеличению токов в цепи и другим аварийным последствиям.

Под номинальным током понимается ток, рассчитанный по тепловому режиму работы цепи.

ГОСТ 6827-76 устанавливает, что предпочтительно выбирать номинальные токи, равные 1,00; 1,60; 2,50; 4,00; 6,30 А, а также десятично-дольные и кратные значения этих токов. Таким образом получается шкала 0,1мА до 25кА.

Номинальное значение мощности для источника электрической энергии – это наибольшая мощность, которую источник может отдать во внешнюю цепь без пробоя изоляции и без превышения допустимой температуры нагрева.

Номинальные значения напряжений, токов и мощностей указаны в поспортах изделий.

Согласованный режим – соответствует случаю, когда RН=R0 . При таком режиме мощность приёмника максимальна. Ток в цепи и мощность представляются выражениями:

 (1.1.9)

Приравняв нулю производную dP/dRН=0, получим, что действительно RН=R0.

Однако КПД при согласованном режиме низкий:

  (1.1.10)

По этой причине работа мощных цепей в согласованном режиме невыгодна. В электрических цепях большой мощности R0<<RН и КПД достаточно высокий.

Режим холостого хода (х. х) и короткого замыкания (к. з) – являются предельными режимами работы электрической цепи.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6