Характеристика электрических цепей постоянного тока

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 31 Октября 2010 в 21:55, Не определен

Описание работы

Контрольная работа

Файлы: 1 файл

Электротехника.doc

— 5.14 Мб (Скачать файл)

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ЛИНЕЙНЫЕ  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Систематическое исследование электрических  явлений и их практических приложений исторически  началось с изучения свойств не изменяющегося  во времени тока — постоянного тока на рубеже XVIII— XIX вв. Этому способствовали наличие и доступность источников электрической энергии постоянного тока — сначала гальванических элементов (А. Вольта, 1745—1827), позднее аккумуляторов, а также первые успехи применения электричества для освещения (П. Н. Яблочков, 1847— 1894),  электролиза  и   гальванопластики   (Б. С.  Якоби,  1801-1874).

Экспериментальное исследование свойств  постоянного тока позволило выявить  и обосновать ряд  закономерностей  и понятий (А. М. Ампер, 1775-1836; Г. С. Ом, 1787-1854; Ш. О. Кулон, 1736-1806 и др.). Дальнейшие исследования (М. Фарадей, 1791-1867; Э.Х. Ленц, 1804— 1865; Д. Генри, 1797-1878; В. Сименс, 1816-1892; Д. П. Джоуль, 1818-1889; В. Э. Вебер, 1804-1891; Д. К. Максвелл, 1831-1879; Г. Р. Герц, 1857-1894 и др.) показали, что большинство закономерностей, первоначально полученных при анализе цепей постоянного тока, являются фундаментальными законами электротехники.

Термином  электротехническое устройство принято называть промышленное изделие, предназначенное для определенной функции при решении комплексной проблемы производства, распре деления, контроля, преобразования и использования электрической энергии. Электротехнические устройства постоянного тока весьма разнообразны, например аккумулятор, линия передачи энергии, амперметр, реостат. Постоянный ток применяется при электрохимическом получении алюминия, на городском и железнодорожном электротранспортере, в электронике, медицине и других областях науки и техники.

Быстрыми  темпами развиваются и совершенствуются различные типы источников электрической энергии постоянного тока. Так, солнечные батареи и фотоэлементы служат основными источниками энергии космических аппаратов в автономном полете. Разрабатываются новые источники электрической энергии постоянного тока — МГД-генераторы. Их освоение позволит в перспективе существенно повысить КПД электрических станций.

1.2. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электрическая цепь, или, короче, цепь, постоянного тока в общем случае содержит источники электрической энергии, приемники электрической энергии, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные линии и провода.

В источниках электрической энергии осуществляется преобразование в электрическую энергию каких-либо других форм энергии, например энергии химических процессов в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловой энергии в термопреобразователях на основе термопар.

В приемниках электрической энергии электрическая энергия преобразуется, например, в механическую (двигатели постоянного тока), тепловую  (электрические печи), химическую  (электролизные ванны).

Коммутационная  аппаратура, линии  и измерительные  приборы служат для  передачи электрической  энергии от источников, распределения ее между приемниками  и контроля режима работы всех электротехнических устройств.

Графическое изображение электрической  цепи называется схемой. Различают несколько способов изображения цепи. На рис. 1.1 в качестве примера приведено эскизное изображение электротехнических устройств и способа их соединения в простейшей цепи постоянного тока. При замыкании рубильника 1 к лампе накаливания 2 — приемнику электрической энергии — подключается источник электрической энергии постоянного тока — аккумуляторная батарея 3. Для контроля режима приемника энергии включены амперметр 4 и вольтметр 5. Но натурное изображение электротехнических устройств и их соединений приводит к громоздким и трудоемким чертежам. Изображение цепи можно упростить, если каждое электротехническое устройство заменить (по

правилам  ГОСТ) его условным обозначением (рис. 1.2). Такие графические изображения цепей называются принципиальными схемами. Принципиальная схема показывает назначение электротехнических устройств и их взаимодействие, но неудобна при расчетах режима работы цепи. Для того чтобы выполнить расчет, необходимо каждое из электротехнических   устройств   представить   его   схемой   замещения.

Схема замещения электрической цепи состоит из совокупности различных идеализированных элементов, выбранных так, чтобы можно было с заданным или необходимым приближением описать процессы цепи.

Конфигурация  схемы замещения  цепи определяется следующими геометрическими (топологическими) понятиями: ветвь, узел, контур. Ветвь схемы состоит иэ одного или нескольких последовательно соединенных элементов, каждый из которых имеет два вывода (начало и конец), причем к концу каждого предыдущего элемента присоединяется начало следующего. В узле схемы соединяются три или большее число ветвей. Контур — замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречается больше одного раза.

Схема замещения (рис. 1.3) цепи, показанной на рис. 1.1, содержит три ветви, причем две состоят  из одного элемента каждая, а третья — из трех элементов. На рисунке указаны  параметры элементов: г — сопротивление цепи лампы, гусопротивление цепи вольтметра, г. —

сопротивление цепи амперметра, Е - ЭДС аккумулятора иг -его внутреннее сопротивление. Три ветви соединены в двух узлах а и Ь.

Бели  значения параметров всех элементов схемы  замещения цепи известны, то, пользуясь законами электротехники, можно рассчитать режим работы всех ее элементов, т. е. определить электрическое состояние всех электротехнических устройств.

В дальнейшем вместо термина  схема замещения электрической цепи будем пользоваться сокращенными; схема цепи и, еще короче, схема.

1.3. ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ  НАПРАВЛЕНИЯ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЙ

Согласно  электронной теории электропроводности валентные электроны  в металлах легко  отделяются от атомов, которые становятся положительными ионами. Ионы образуют в твердом теле кристаллическую решетку с пространственной периодичностью. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решетки между атомами (тепловое движение), сталкиваясь с ними.

Под действием продольного  электрического поля напряженностью £, создаваемого в проводнике длиной / источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) и дополнительно перемещаются в одном направлении (вдоль проводника на рис. 1.4).

В общем случае постоянный ток в проводящей среде представляет собой упорядоченное движение положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля, например в электролитах и газах движутся навстречу друг другу ионы с положительными и отрицательными зарядами. Так как направления движения положительных и отрицательных зарядов противоположны, то необходимо договориться о том, движение каких зарядов следует считать направлением тока. Принято считать направлением тока / направление движения положительных зарядов, т. е. направление, обратное направлению движения электронов в проводнике под действием электрического поля (рис. 1.4). Это направление показано стрелкой.

Постоянный  ток / = \Q\/t, где t — время равномерного перемещения суммарного заряда | Q | через поперечное сечение рассматриваемого участка цепи.

Основная  единица тока в  международной системе  единиц (СИ) — ампер  (А)*, заряда — кулон (Кл).

Напряжением называется скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности электрического поля. Разность потенциалов -напряжение в безвихревом электрическом поле, в котором напряжение не зависит от пути интегрирования. (Электрическое поле цепи постоянного тока — безвихревое.) Она вычисляется вдоль любых участков цепи, не содержащих ЭДС источников.

Постоянное  напряжение для участка проводника (рис. 1.4)

  • При постоянном токе 1 А в двух параллельных прямолинейных  проводниках бесконечной длины  и ничтожно малой площади поперечного  кругового сечения, расположенных  на расстоянии 1 м один от другого  в вакууме, сила их взаимодействия равна  2 • 10»7 Н/м (ньютон на метр.)

UTTU

где t' = qlk - сила, которая действовала бы на положительный заряд q в однородном постоянном электрическом поле с напряженность^ £;

- работа электрического  поля при перемещении  положительного заряда вдоль участка проводника; а и ь - потенциалы однородного постоянного электрического поля в поперечных сечениях а   и  Ь участка проводника.

Основная  единица напряжения в системе СИ - вольт (В), напряженности электрического поля — вольт на метр (В/м).

При расчете це,пи действительные направления токов  в ее элементах  в общем случае заранее не известны. Поэтому необходимо предварительно выбрать  условные положительные  или, короче, положительные  направления токов  во всех элементах  цепи.

Положительное направление тока в элементе (с сопротивлением г на рис. 1.5) или в ветви выбирается произвольно и указывается стрелкой. Если при выбранных положительных направлениях токов в результате расчета режима работы цепи ток в данном элементе получится положительным, т. е. имеет положительное значение, то действительное направление тока совпадает с выбранным положительным. В противном случае действительное направление противоположно выбранному положительному.

Положительное направление напряжения  на  элементе схемы цепи (рис.  1.5)   также  может быть  выбрано произвольно и указывается стрелкой, но для участков цепи, не содержащих источников энергии рекомендуется выбирать его совпадающим с положительным направлением тока, как на рис. 1.5.

Если  выводы элемента обозначены (например, а и b на рис. 1.5) и стрелка направлена от вывода а к выводу bt то положительное направление означает, что определяется напряжение

Аналогичное обозначение можно  принять и для  тока. Например, обозначение  1дЬ указывает положительное направление тока в элементе цепи или схемы от вывода а  к выводу Ъ.

1.4. РЕЗИСТИВНЫЕ  ЭЛЕМЕНТЫ

Столкновения  свободных электронов в проводниках  с атомами кристаллической  репс тки тормозят их поступательное (дрейфовое) движение. Это противодействие  направленному движению свободных электронов, т. е. постоянному току, составляет физическую сущность сопротивления проводника. Аналогичен механизм сопротивления постоянному току в электролитах и газах.

Для участка цепи с  сопротивлением г (рис. 1.5) ток и напряжение связаны простым соотношением — законом Ома:

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью: g = Mr .

Основная  единица сопротивления  в системе СИ —  ом (Ом), проводимости - сименс (См).

Проводящие  свойства материала  определяют его объемное удельное сопротивление р„, равное сопротивлению между противоположными

сторонами куба с ребром 1 м, изготовленного из данного  материала. Величина, обратная объемному  удельному сопротивлению, называется объемной удельной проводимостью:  уу=\1ру.

Единицей  объемного сопротивления служит 1 Ом • м, объемной удельной проводимости — 1 См/м.

Сопротивление проводника постоянному  току зависит от температуры. В общем случае наблюдается достаточно сложная зависимость. Но при изменениях температуры в  относительно узких  пределах (примерно 200 ° С) ее можно выразить формулой

где /*! я /*2 — сопротивления  соответственно при  температурах &i и 02; а — температурный коэффициент сопротивления, равный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на 1 °С.

В табл. 1.1 приведены значения объемного удельного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления некоторых материалов, где 1 мкОм = 10~6 Ом.

Информация о работе Характеристика электрических цепей постоянного тока