Электрический ток
Условия существования электрического тока. Закон Ома для участка цепи. Последовательное и параллельное соединение проводников. Электрический ток в газах, растворах и расплавах электролитов. Понятие о плазме. Ток в вакууме. Источники постоянного тока.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 08.01.2014 |
| Размер файла | 622,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
Термин постоянный ток не совсем корректен: в действительности для постоянного тока неизменным является прежде всего значение напряжения (измеряется в Вольтах), а не значение тока (измеряется в Амперах), хотя значение тока также может быть неизменным. Путаница возникла в результате того, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще. Поэтому термин постоянный ток следует понимать как постоянное напряжение. Далее будем использовать термин именно в этом смысле.
Термин постоянный ток имеет несколько значений:
· Питающее напряжение, величина которого не зависит от времени. Пример: устройство запитано от источника постоянного тока. В данном смысле использование термина постоянный ток (так же, как и переменный ток) подчёркивает «силовой» характер данного сигнала, то есть это электрический сигнал, передающий мощность, предназначенный для питания электрических устройств. В других смыслах используют более точные термины: напряжение, сигнал и т.п.
· Постоянная составляющая сигнала.
· Термин также может использоваться не в смысле напряжения, а в смысле частоты сигнала (для постоянного тока она нулевая). Пример: рабочий диапазон частот: от постоянного тока до 1 МГц
Применение: Постоянный ток широко используется в технике: подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. Переменный ток используется преимущественно для более удобной передачи от генератора до потребителя. Иногда в некоторых устройствах постоянный ток преобразуют в переменный ток преобразователями (инверторами).
1. УСЛОВИЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Для возникновения и поддержания тока в какой-либо среде необходимо выполнение двух условий:
наличие в среде свободных электрических зарядов
создание в среде электрического поля.
В разных средах носителями электрического тока являются разные заряженные частицы.
Электрическое поле в среде необходимо для создания направленного движения свободных зарядов. Как известно, на заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = q* E, которая и заставляет свободные заряды двигаться в направлении электрического поля. Признаком существования в проводнике электрического поля является наличие не равной нулю разности потенциалов между любыми двумя точками проводника,
Однако, электрические силы не могут длительное время поддерживать электрический ток. Направленное движение электрических зарядов через некоторое время приводит к выравниванию потенциалов на концах проводника и, следовательно, к исчезновению в нем электрического поля.
Для поддержания тока в электрической цепи на заряды кроме кулоновских сил должны действовать силы неэлектрической природы (сторонние силы).
Устройство, создающее сторонние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию, называется источником тока.
Для существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо включение в нее источника тока.
Основные характеристики:
1. Сила тока - I, единица измерения - 1 А (Ампер).
Силой тока называется величина, равная заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени.
I = Dq/Dt (1)
Формула (1) справедлива для постоянного тока, при котором сила тока и его направление не изменяются со временем. Если сила тока и его направление изменяются со временем, то такой ток называется переменным.
Для переменного тока:
I = lim Dq/Dt
Dt - 0
т.е. I = q', где q' - производная от заряда по времени.
2. Плотность тока - j, единица измерения - 1 А/м2.
Плотностью тока называется величина, равная силе тока, протека-ющего через единичное поперечное сечение проводника:
j = I/S . (2)
3. Электродвижущая сила источника тока - э.д.с. ( ? ), единица измерения - 1 В (Вольт). Э.д.с.- физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении по электрической цепи единичного положительного заряда:
e = Аст./q. (3)
4. Сопротивление проводника - R, единица измерения - 1 Ом.
Под действием электрического поля в вакууме свободные заряды двигались бы ускоренно. В веществе они движутся в среднем равномерно, т.к. часть энергии отдают частицам вещества при столкновениях.
Теория утверждает, что энергия упорядоченного движения зарядов рассеивается на искажениях кристаллической решетки. Исходя из природы электрического сопротивления, следует, что
R = r*l/S , (4)
где
l - длина проводника,
S - площадь поперечного сечения,
- коэффициент пропорциональности, названный удельным сопротивлением материала.
Эта формула хорошо подтверждается на опыте.
Взаимодействие частиц проводника с движущимися в токе зарядами зависит от хаотического движения частиц, т.е. от температуры проводника. Известно, что
r = r0(1 +--a t) , (5)
R = R0(1 +--a--t) .(6).
Коэффициент a называется температурным коэффициентом сопротивления:
a = (R - R0)/R0*t.
Для химически чистых металлов a > 0 и равно 1/273 К-1. Для сплавов температурные коэффициенты имеют меньшее значение. Зависимость ?(t) для металлов линейная:
В 1911 году открыто явление сверхпроводимости, заключающееся в том, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, сопротивление некоторых металлов падает скачком до нуля.
У некоторых веществ (например, у электролитов и полупроводников) удельное сопротивление с ростом температуры уменьшается, что объясняется ростом концентрации свободных зарядов.
Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью
s = 1/r. (7)
5. Напряжение - U , единица измерения - 1 В.
Напряжение - физическая величина, равная работе, совершаемой сторонними и электрическими силами при перемещении единичного положительного заряда.
U = (Aст.+ Аэл.)/q . (8)
Так как Аст./q = e, а Аэл./q = f1-f2, то
U = e + (f1-----f2)--.--(9)
2. ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрический ток. Сила тока.
Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводников.
Последовательное и параллельное соединение проводников.
Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.
Работа и мощность тока.
Всякое движение электрических зарядов называют электрическим током. В металлах могут свободно перемещаться электроны, в проводящих растворах - ионы, в газах могут существовать в подвижном состоянии и электроны, и ионы.
Условно за направление тока считают направление движения положительных частиц, поэтому в металлах это направление противоположно направлению движения электронов.
Плотность тока - величина заряда, проходящего в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к линиям тока. Эта величина обозначается j и рассчитывается следующим образом:
j=nev.
Здесь n - концентация заряженных частиц, e - заряд каждой из частиц, v - их скорость.
Сила тока i - величина заряда, проходящего в единицу времени через полное сечение проводника. Если за время dt через полное сечение проводника прошел заряд dq, то
i=(dq)/(dt).
По другому, сила тока находится интегрированием плотности тока по всей поверхности любого сечения проводника. Единица измерения силы тока - Ампер. Если состояние проводника (его температура и др.) стабильно, то между приложенным к его концам напряжением и возникающим при этом током существует однозначная связь. Она называется Закон Ома и записывается так:
I=U/R.
R - электрическое сопротивление проводника, зависящее от рода вещества и от его геометрических размеров. Единичным сопротивлением обладает проводник, в котором возникает ток 1 А при напряжении 1 В. Эта единица сопротивления называется Ом.
Закон Ома в дифференциальной форме:
j=sE,
где j - плотность тока, Е - напряженность поля, ? - проводимость. В этой записи закон Ома содержит величины, характеризующие состояние поля в одной и той же точке.
Различают последовательное и параллельное соединения проводников.
При последовательном соединении ток, протекающий по всем участкам цепи, одинаков, а напряжение на концах цепи складывается как алгебраическая сумма напряжений на всех участках.
R=S(Ri).
При параллельном соединении проводников постоянным остается напряжение, а ток складывается из суммы токов, протекающих по всем ветвям. В этом случае складываются величины, обратные сопротивлению:
1/R=S(1/Ri)
Для получения постоянного тока на заряды в электрической цепи должны действовать силы, отличные от сил электростатического поля; их называют сторонними силами.
Если рассматривать полную электрическую цепь, необходимо включить в нее действие этих сторонних сил и внутренне сопротивление источника тока r. В этом случае закон Ома для полной цепи примет вид:
I=E/(R+r).
Е - электродвижущая сила (ЭДС) источника. Она измеряется в тех же единицах, что и напряжение. Величину (R+r) называют иногда полным сопротивлением цепи.
Сформулируем правила Киркгофа:
Первое правило: алгебраическая сумма сил токов в участках цепи, сходящихся в одной точке разветвления, равна нулю.
Второе правило: для любого замкнутого контура сумма всех падений напряжения равна сумме всех ЭДС в этом контуре.
Мощность тока рассчитывается по формуле
P=UI=I2R=U2/R.
Закон Джоуля-Ленца. Работа электрического тока (тепловое действие тока)
A=Q=UIt=I2Rt=U2t/R.
Электронная проводимость металлов. Сверхпроводимость.
Электрический ток в растворах и расплавах электролитов.
Закон электролиза. Электрический ток в газах.
Самостоятельный и несамостоятельный разряды.
Понятие о плазме. Ток в вакууме.
Электронная эмиссия. Диод. Электронно-лучевая трубка.
Электрический ток в металлах есть движение электронов, ионы металла участия в переносе электрического заряда не принимают. Другими словами, в металлах есть электроны, способные перемещаться по металлу. Они получили название электронов проводимости. Положительные заряды в металле представляют собой ионы, образующие кристаллическую решетку. В отсутствии внешнего поля электроны в металле движутся хаотично, претерпевая соударения с ионами решетки. Под воздействием внешнего электрического поля электроны начинают упорядоченное движение, накладывающееся на их прежние хаотические флуктуации. В процессе упорядоченного движения электроны по-прежнему сталкиваются с ионами кристаллической решетки. Именно этим и обусловлено электрическое сопротивление.
В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам классической механики. Взаимодействием электронов между собой пренебрегают, взаимодействие электронов с ионами сводят только к соударениям. Можно сказать, что электроны проводимости рассматривают как электронный газ, подобный идеальному атомарному газу в молекулярной физике. Поскольку средняя кинетическая энергия на одну степень свободы для такого газа равна kT/2, а свободный электрон обладает тремя степенями свободы, то
mv2t/2=3kT/2,
где v2t - среднее значение квадрата скорости теплового движения.
На каждый электрон действует сила, равная еЕ, в результате чего он приобретает ускорение еЕ/m. Скорость к концу свободного пробега равна
v=eEt/m,
где t - среднее время между соударениями.
Поскольку электрон движется равноускоренно, его средняя скорость равна половине максимальной:
vc=eEt/(2m).
Среднее время между соударениями есть отношение длины свободного пробега к средней скорости:
t=L/vt.
Поскольку обычно скорость упорядоченного движения много меньше тепловой скорости, то скоростью упорядоченного движения пренебрегли.
Окончательно, имеем
vc=eEL/(2mvt).
Коэффициент пропорциональности между vc и Е называется подвижность электронов.
С помощью классической электронной теории газов могут быть объяснены многие закономерности - закон Ома, закон Джоуля-Ленца и другие явления, однако эта теория не может объяснить, например, явления сверхпроводимости:
При определенной температуре удельное сопротивление для некоторых веществ скачком уменьшается практически до нуля. Это сопротивление настолько мало, что однажды возбужденный в сверхпроводнике электрический ток существует длительное время без источника тока. Несмотря на скачкообразное изменение сопротивления, другие характеристики сверхпроводника (теплопроводность, теплоемкость и др.) не меняются либо меняются мало.
Более точным методом, объясняющим такие явления в металлах, является подход с использованием квантовой статистики.
3. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов
Электрический ток может выделять в некоторых проводниках их химические составные части. Это явление получило название электролиза. Согласно первому закону Фарадея для электролиза, масса вещества выделившаяся на каком-либо из электродов, пропорциональна величине заряда, прошедшего через электролит.
m=Kq,
где K - электрохимический эквивалент.
Фарадей обратил внимание на то, что электрохимический эквивалент любого вещества всегда пропорционален атомному весу А и обратно пропорционален валентности Z этого вещества. Это второй закон Фарадея. Отношение A/Z называется химическим эквивалентом вещества.
Оба закона можно выразить одной формулой:
m=Aq/(ZF),
где F=96500 кулонов - число Фарадея.
При наличии электрического поля ион обретает такую скорость установившегося движения, при которой сила трения и сила еЕ со стороны поля уравновешены.
Отсюда получаем, что
v=bE.
Через b обозначена подвижность иона. Вообще говоря, подвижность анионов и катионов различна, поэтому вводят обозначения b+ b-.
Число переноса катионов
pk= b+/(b++b-).
Соответственно, число переноса анионов
pа= b-/(b++b-).
4. Электрический ток в газах
В обычном состоянии газы не проводят электричества. Однако под влиянием различных внешних факторов (высокая температура, различные излучения) газы становятся электропроводящими. Это происходит вследствие того, что от нейтральных атомов отделяются электроны и образуются проводящие частицы - положительные ионы и свободные электроны. Часть свободных электронов может быть захвачена нейтральными атомами и образуются отрицательные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Ионизация атома (отрыв электрона) требует определенной энергии, величина которой зависит от строения атома и называется энергией ионизации.
Если ионизацию не поддерживать, например, бомбардируя атомы электронами, ускоренными во внешнем электрическом поле, то со временем происходит рекомбинация ионов - положительный и отрицательный ион в результате теплового движения сталкиваются и избыточный электрон переходит к положительному иону. В результате образуется два нейтральных атома. Рассмотрим принципиальную схему, изображенную на рисунке:
Пусть на отрицательный электрод падают ультрафиолетовые лучи, обеспечивающие ионизацию газа. Если увеличивать напряжение между электродами (например, плавно уменьшая сопротивление r) то сила тока будет увеличиваться, пока не достигнет максимума (тока насыщения), при котором все свободные электроны достигают противоположного электрода.
Сила тока насыщения зависит только от интенсивности процесса ионизации (в нашем случае, от интенсивности ультрафиолетовых лучей). Если снять внешнюю ионизацию, разряд между электродами исчезнет. Такие разряды называются несамостоятельными. Если же продолжать уменьшать сопротивление (увеличивая тем самым напряжение) произойдет резкое (в сотни раз) увеличение силы тока, в газе появятся световые и тепловые эффекты. Если прекратить действие ионизатора, то разряд будет продолжаться. Это значит, что новые ионы для поддержания разряда образуются благодаря процессам в самом разряде. Такие разряды называют самостоятельными.
Дело в том, что с увеличением напряжения возрастает скорость и кинетическая энергия электрона, и он при столкновении с атомом сам способен произвести его ионизацию - высвободить еще один электрон. На следующем этапе два электрона образуют уже четыре и т.д. Происходит лавинообразное увеличение количества носителей. Это явление получило название электронной (или ионной) лавины, а напряжение, при котором это происходит - напряжением пробоя газового промежутка (напряжением зажигания газового разряда).
В зависимости от свойств и внешнего вида разрядов различают коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды.
В различных формах газового разряда иногда образуется сильно ионизированный газ, в котором концентрация электронов приблизительно равна концентрации положительных ионов. Такая система получила название ионной плазмы.
5. Ток в вакууме
Как известно, в металлах имеются электроны проводимости, образующие "электронный газ" и участвующие в тепловом движении. Для того, чтобы свободный электрон мог выйти из металла, должна быть совершена определенная работа, различная для разных металлов и названная работой выхода.
Существование работы выхода показывает, что в поверхностном слое металла существует электрическое поле, значит, электрический потенциал при переходе через этот слой изменяется на некоторую величину, также специфичную для разных металлов. Эта поверхностная разность потенциалов связана с работой выхода соотношением:
A=ef
Поскольку выйти из металла могут только "самые быстрые" электроны, то можно записать условие выхода так:
mv2/2>ef
В обычных условиях работа выхода в сотни раз больше энергии теплового движения электронов, поэтому подавляющее большинство их остается в металле. Но если сообщить электронам дополнительную энергию, можно наблюдать явление испускания электронов или электронной эмиссии. В зависимости от того, каким образом сообщена дополнительная энергия, различают термоэлектронную эмиссию, фотоэмиссию, вторичную электронную эмиссию и др.
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии используется принципиальная схема, содержащая вакуумный диод (см. рис.).
В такой цепи возникнет ток, только если катод раскалить до высокой температуры. Вольт-амперная характеристика диода показывает, что при нулевой разности потенциалов ток очень мал. В дальнейшем, при увеличении потенциала на аноде, увеличивается и ток, пока не достигнет некоторого постоянного значения - тока насыщения Is. Его значение увеличивается с увеличением температуры катода. Также с увеличением температуры растет и напряжение Us, при котором достигается ток насыщения.
По графику наглядно видно, что зависимость между током и напряжением для диода носит нелинейный характер, то есть диод не подчиняется закону Ома. Богуславский и Лэнгмюр независимо друг от друга показали, что зависимость тока диода от потенциала анода имеет вид:
I=CU3/2,
Где С зависит от формы и размеров электродов.
Зависимость плотности тока насыщения от температуры известна под названием формулы Ричардсона:
Js=CT1/2exp(-ef/kT),
где С - константа, различная для разных металлов. Эта формула выведена на основании классической электронной теории. Квантовая теория металлов дает следующее соотношение:
Js=АT2exp(-ef/kT)
Заметим, что это различие не существенно, так как зависимость плотности тока от температуры определяется главным образом экспоненциальным множителем exp(-ef/kT).
6. ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Простейшим источником постоянного тока является химический источник (гальванический элемент или аккумулятор), поскольку полярность такого источника не может самопроизвольно измениться.
Для получения постоянного тока используют также электрические машины - генераторы постоянного тока.
В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения пульсирующего тока используют выпрямитель. Далее для уменьшения пульсаций может быть использован сглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор напряжения.
Усилитель постоянного тока (УПТ) -- электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток).
На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, термин УПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе.
В подавляющем большинстве случаев УПТ является усилителем не тока, как следует из названия, а напряжения. Путаница обусловлена тем, что термин ток употребляется для описания электрических процессов вообще.
Машины постоянного тока
Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижного статора (индуктора) с полюсами и вращающегося ротора (якоря) с коллектором. Статор является источником магнитного поля и механическим остовом машины, якорь- часть машины, в обмотке которой индуцируется э. д. с.
электрический ток плазма ом
На одном валу с якорем жестко закрепляется коллектор, электрически соединенный с его обмоткой. Коллектор - характерная деталь машины постоянного тока. Его медных пластин касаются неподвижные угольно-графитовые щетки, размещенные в щеткодержателях на траверсе и электрически соединенные с внешней цепью. Во избежание искрения щетки тщательно притираются к коллектору, а их умеренный нажим должен быть отрегулирован.
Принцип действия машин постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции и законе Ампера. Магнитное поле машины создается постоянным током (током возбуждения) в обмотке полюсов или постоянными магнитами в машинах малой мощности. Его силовые линии замыкаются через стальные станину, сердечники полюсов и сердечник якоря, дважды преодолевая на своем пути воздушный зазор между ними. Магнитная цепь четырехполюсной машины постоянного тока разветвленная, симметричная. Плоскость, проходящую через ось машины под углом а, при котором она перпендикулярна к силовым линиям, называют геометрической нейтралью (при а. = 0 и 772).
Существует два режима работы эл. двигателей
а: режим генератора
б: режим двигателя
В режиме генератора машина преобразует механическую энергию в электрическую: к обмотке возбуждения статора подводится постоянный ток возбуждения, а якорь вращается каким-либо первичным двигателем. При этом провода обмотки якоря пересекают магнитные силовые линии полюсов и в них индуцируются э. д. с. С помощью коллектора и щеток, которые являются механическим выпрямителем, эти переменные пульсирующие э. д. с. суммируются в постоянную по значению и направлению э. д. с. машины Е. Если к щеткам подключить приемник, то в нем установится постоянный ток I.
В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в механическую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится постоянный ток от источника. Взаимодействие магнитного поля полюсов статора с током обмотки якоря создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит в движение якорь (ротор).
7. ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
До 60-х годов основным источником электрической энергии на автомобилях являлись генераторы постоянного тока.
Схема электроснабжения автомобиля показана на рис. 4.1.
Генератор постоянного тока состоит из статора -- неподвижного корпуса, вращающегося якоря с обмотками и коллектора со щеточным узлом. Вращающийся якорь, снабженный обмотками, пересекающими магнитное поле статора, индуцирует в обмотках ЭДС. В каждой секции обмотки якоря ЭДС меняется и по величине и по направлению в зависимости от ее положения относительно магнитного поля.
Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока, где подводимая механическая энергия преобразуется в электрическую энергию постоянного тока. Для этого воспользуемся упрощенной схемой генератора постоянного тока (рис. 4.2). В магнитном поле постоянного магнита вращается стальной сердечник, в продольных пазах которого расположен диаметральный виток abcd Начало d конец а этого витка присоединены к двум взаимно изолированным медным полукольцам. Образующим коллектор, который вращается вместе со стальным цилиндром. По коллектору скользят неподвижные контактные щетки А и В, от которых отходят провода к потребителю энергии R. Стальной сердечник с витком (обмоткой) и коллектором образует вращающуюся часть машины постоянного тока -- якорь.
Рис. 4.1. Структурная схема системы электроснабжения автомобиля
Если с помощью какой-либо внешней силы вращать якорь, то стороны витка будут пересекать магнитное поле и в обмотке якоря будет возникать ЭДС:
e = 2Blu
где В -- индукция; l -- длина стороны витка; u -- скорость перемещения пазовых сторон витка.
Рис. 4.2. Упрощенная схема генератора постоянного тока.
Так как длина и скорость перемещения пазовых сторон обмотки якоря неизменны, то е обмотки якоря прямо пропорциональна В, а форма графика ЭДС определяется законом распределения магнитной индукции S, размещенной в воздушном зазоре между поверхностью якоря и полюсом самого магнита. Так, например, магнитная индукция в точках зазора, лежащих на оси полюсов, имеет максимальные значения (рис. 4.3, а): под северным магнитным полюсом (N) -- положительное значение и под южным магнитным полюсом (S) -- отрицательное. В точках n и n' лежащих на линии, проходящей через середину межполисного пространства, магнитная индукция равна нулю.
Допустим, что магнитная индукция в воздушном зазоре рассматриваемой схемы распределяется синусоидально:B=BmaxsinЈ. Тогда ЭДС витка при вращении якоря будет также изменяться по синусоидальному закону. Угол а определяет изменение положения якоря относительно исходного положения. На рис. 4.3, а показан ряд положений витка abcd (обмотки) в различные моменты времени за один оборот якоря. При а, равном 360°, ЭДС якоря равна нулю, а при а, равном 270°, имеет максимальное значение, причем отрицательное. Таким образом, в обмотке якоря генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, и, следовательно, при подключении нагрузки в обмотке будет переменный ток (рис. 4.3, б, линия 7). За время второго полуоборота якоря, когда ЭДС и ток в обмотке якоря отрицательны, ЭДС и ток во внешней цепи генератора (в нагрузке) не меняют своего направления, т. е. остаются положительными, как и в течение первой половины оборота якоря.
Рис. 4.3. Принцип действия генератора постоянного тока: а -- различные положения витка обмотки; б -- преобразование переменного тока якоря в постоянный ток внешней цепи; 1 -- ток в обмотке якоря; 2 -- ток во внешней цепи
Действительно, при a = 90° щетка А соприкасается с коллекторной пластиной проводника d, расположенного под полюсом N, и имеет положительный потенциал, а щетка В -- отрицательный, так как она соприкасается с пластиной коллектора, соединенной со стороной а витка, находящейся под полюсом S. При a = 270°, когда стороны а и d поменялись местами, щетки А и В сохраняют неизменной свою полярность, так как полукольца коллектора также поменялись местами и щетка А по-прежнему имеет контакт с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом N9 а щетка В -- с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом 5. В результате ток во внешней цепи не изменяет своего направления (рис. 4.3, б, линия 2), т. е. переменный ток обмотки якоря с помощью коллектора и щеток преобразуется в постоянный. Ток во внешней цепи постоянен лишь по па-правлению, а его величина изменяется, т. е. ток пульсирует.
Рис. 4.4. Генератор с двумя витками в обмотке якоря: a -- схема генератора; б -- пульсация тока; 1,2 -- ток в обмотках якоря; 3 -- ток во внешней цепи
Пульсации тока и ЭДС значительно ослабляются, если обмотку якоря выполнить из большого числа равномерно распределенных по поверхности сердечника витков и увеличить соответственно число коллекторных пластин. Например, при двух витках на сердечнике якоря (четырех пазовых сторонах), оси которых смещены относительно друг друга на угол 90°, и четырех пластинах в коллекторе (рис. 4.4, а). В этом случае ток во внешней цепи генератора пульсирует с удвоенной частотой, но глубина пульсации значительно меньше (рис. 4.4, б). Если витков в обмотке якоря от 12 до 16, то ток на выходе генератора практически постоянен.
На рис. 4.5 представлена конструкция генератора постоянного тока.
Рис. 4.5. Генератор постоянного тока: 1 и 16 -- крышки; 2 и 12 -- шариковые подшипники; 3 и 10 --масленки; 4 -- корпус; 5 -- соединительный провод; 6 -- защитная лента; 7 и 11 -- стяжные болты; 8 -- щеткодержатель положительной щетки; 9 и 25-- уплотнительные манжеты; 13 -- защитный колпачок; 14-- отражательная шайба; 15-- отрицательная щетка; 17 -- щеткодержатель отрицательной щетки; 18-- коллектор; 19 -- обмотка якоря; 20-- конец обмотки возбуждения; 21 -- сердечник якоря; 22 -- вал якоря; 23 -- полюсный сердечник; 24 -- катушка обмотки возбуждения; 26-- крыльчатка шкива; 27-- шкив.
8. БЕСКОНТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Двигатели постоянного тока обычного исполнения имеют ценное качество-возможность широко и плавно регулировать скорость вращения. Вместе с тем они обладают существенным недостатком, обусловленным щеточно-коллекторным узлом. Вполне естественно, что появилась мысль создать двигатели, обладающие достоинствами двигателей постоянного тока и свободные от их недостатков. Такие двигатели называются бесконтактными двигателями постоянного тока.
Рис.5.1. Структурная схема бесконтактного двигателя постоянного тока
Бесконтактные двигатели постоянного тока состоят из трех элементов (рис. 5.1):
1) бесконтактного двигателя с m-фазной обмоткой на статоре и возбужденным ротором обычно в виде постоянного магнита;
2) датчика положения ротора (ДПР), выполненного в одном корпусе с двигателем и предназначенного для выработки сигналов управления моментами времени и последовательностью коммутации токов в обмотках статора;
3) коммутатора, как правило, транзисторного, осуществляющего по сигналам ДПР коммутацию токов в обмотках статора.
П р и н ц и п д е й с т в и я бесконтактного двигателя рассмотрим на примере упрощенной схемы (рис. 5.2). В ее состав входит двигатель с тремя обмотками на статоре, сдвинутыми в пространстве на 120 градусов и соединенными в звезду, ДПР с одним сигнальным элементом (СЭ) и тремя чувствительными элементами (ЧЭ) (их число равно числу обмоток статора), коммутатор, выполненный на трех транзисторах, работающих в ключевом режиме, т.е. в режиме "закрыт" или "открыт".
Рис. 5.2. Упрощенная принципиальная схема бесконтактного двигателя постоянного тока
В положении, показанном на рис.5.2, сигнальный элемент через чувствительный элемент "А" открывает транзистор ТА. По обмотке А протекает ток IА. Намагничивающая сила обмотки FА взаимодействует с потоком постоянного магнита ротора. Возникает вращающий момент, и двигатель приходит во вращение (1-й такт на рис. 5.3). Вместе с ротором поворачивается и СЭ ДПР. При повороте ротора на угол чуть больший 30° СЭ будет воздействовать сразу на два ЧЭ: на "А" и на "В". Это значит, что будут открыты сразу два транзистора: ТА и ТВ. Ток будет протекать по обеим обмоткам А и В. Появится результирующая НС статора FАВ, которая повернется на 60° по сравнению с первым положением (2-й такт на рис. 5.3).
Рис. 5.3. Первых 3 такта в работе бесконтактного двигателя постоянного тока.
Эта НС продолжает взаимодействовать с полем постоянного магнита; двигатель продолжает развивать вращающий момент.
Когда угол поворота станет чуть больше 90°, транзистор ТА закроется, ток будет проходить только по обмотке В. Поле ротора будет взаимодействовать только с НС этой обмотки, однако вращающий момент по прежнему будет воздействовать на ротор двигателя и вращать его в том же направлении (3-й такт на рис. 5.3). В конечном итоге двигатель разовьет такую скорость, при которой его момент будет уравновешиваться моментом нагрузки.
Если бы бесконтактный двигатель имел обмоток, чувствительных элементов и транзисторов столько же, сколько обычный двигатель имеет коллекторных пластин, то по своим свойствам и характеристикам они ничем бы не отличались друг от друга. Однако увеличение числа элементов сильно усложняет конструкцию машины. Поэтому в реальных двигателях число обмоток, а соответственно, и число чувствительных элементов и транзисторов не превышает 3-4.
Малое число обмоток обусловливает ряд особенностей работы бесконтактного двигателя постоянного тока.
1. Пульсация вращающего момента - возникает вследствие скачкообразного перемещения НС статора (см. положения 1,2,3 рис. 5.3). В соответствии с общими законами электромеханического преобразования энергии момент бесконтактного двигателя может быть определен как скалярное произведение магнитного потока ротора и НС взаимодействующих обмоток статора
(5.1)
где: см - постоянный коэффициент; q - угол между потоком ротора и НС статора.
Так как при вращении двигателя угол q непрерывно меняется, то и момент двигателя не остается постоянным.
2. Реакция якоря периодически изменяется, становясь то поперечной, то продольно намагничивающей, то продольно размагничивающей (рис. 5.4). Объясняется это опять-таки скачкообразным перемещением НС статора (якоря). Размагничивающее действие поля статора особенно сильно при пуске двигателя, т.к. при этом противо-ЭДС равна 0, а ток - наибольший. С этим необходимо считаться при выборе постоянных магнитов, стабилизация которых происходит в режиме короткого замыкания.
Рис. 5.4. Реакция якоря в бесконтактном двигателе постоянного тока
3. Пульсация токов в обмотках статора и суммарного тока двигателя объясняется дискретным питанием обмоток (в тот момент, когда открыты два транзистора, потребляемый ток вырастает в два раза по сравнению с режимом, когда открыт только один транзистор).
4. Влияние индуктивности обмоток статора.В обычном двигателе секции якоря маловитковые, поскольку общее число витков якоря делится на большое число секций. Индуктивность таких секций сравнительно небольшая. В бесконтактном двигателе общее число витков якоря разбивается на 3-4 обмотки (секции). В результате секции получаются многовитковыми, а, следовательно, обладающими большой индуктивностью т.к. L~W2
С учетом ряда допущений уравнение напряжения для якоря можно записать в виде
(5.2)
Решая его относительно тока, получим
(5.3)
где Т = L/r - электромагнитная постоянная времени.
Выражение перед круглой скобкой есть ток якоря при отсутствии индуктивности. Тогда
(5.4)
При больших скоростях, когда время коммутации невелико, ток в обмотках не успевает достигать установившегося значения. Его эффективное значение становится меньше, чем при L = 0
Вращающий момент прямо пропорционален току якоря, поэтому
(5.5)
или
(5.6)
Анализ выражения (5.6) показывает, что момент имеет две составляющие. Первую - не зависящую от времени. Она равна моменту при отсутствии индуктивности. Вторую - переменную. Она появляется из-за индуктивности обмоток. Эта составляющая при всех скоростях имеет отрицательное значение (U > E). Поэтому можно утверждать, что, как и ток, вращающий момент бесконтактного двигателя меньше, чем вращающий момент обычного коллекторного двигателя.
Подставим значение ЭДС Е = сеnФ в формулу (5.6), получим механическую характеристику бесконтактного двигателя
(5.7)
Выразим эту характеристику в относительных единицах, приняв за базисный момент пусковой момент (n = 0, U = Uном), а за базисную скорость - скорость холостого хода (М = 0, U = Uном ). Время t = Ґ
Рис. 5.6. Механические характеристики бесконтактного двигателя постоянного тока при разных значения б и L: L2 > L1 > 0
Разделим обе части уравнения (5.7) на Мп:
(5.8)
Обозначим a = U/Uном. С учетом n0 = U/(сеФ) получим
(5.9)
где n = n/n0 - относительная скорость двигателя.
На рис. 5.6 показаны механические характеристики бесконтактного двигателя при разных индуктивностях обмоток статора L. Видно, что с увеличением L нелинейность характеристик увеличивается.
Частоту вращения бесконтактных двигателей можно регулировать в широких пределах путем изменения напряжения питания.
Однако на практике чаше применяется импульсный способ, сущность которого заключается в изменении не величины постоянно подводимого напряжения, а длительности питания двигателя номинальным напряжением.
Заключение
Постоянный электрический ток - это один из важнейших разделов физики. Постоянный электрический ток нашёл применение практически во всех отраслях, так как подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. За последние несколько столетий была проделана большая работа в исследовании электрического тока: исследование электрических токов в металлах, вакууме и газах. Над этим работали великие учёные такие, как Х.Лоренц, П.Друде, К.Рикке, Д.Томсон, С.Л.Мандельштам, Б.Стюарт и другие. Их вклад в науку не измеримо велик.
Список используемой литературы
1.Т.И.Трофимова - «Курс физики: учебное издание для вузов».М: издательский центр «Академия», 20007г.
2. Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнёв «Справочное руководство по физике». Издательство «Наука», 1989г.
3.И.В.Савельев - «Курс Физики том II»,М: «Наука», 1989г.
4.Д.В.Сивухин - «Общий курс физики»,М: «Наука», 1974г.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Условия, необходимые для существования электрического тока. Достоинства и недостатки параллельного соединения проводников. Единица силы тока. Работа электрического тока в замкнутой электрической цепи. Закон Ома для участка цепи. Химическое действие тока.
презентация [398,2 K], добавлен 07.02.2015Понятие электрического тока и условия его возникновения. Сверхпроводимость металлов при низких температурах. Понятия электролиза и электролитической диссоциации. Электрический ток в жидкостях. Закон Фарадея. Свойства электрического тока в газах, вакууме.
презентация [2,9 M], добавлен 27.01.2014Понятие электрического тока. Закон Ома для участка цепи. Особенности протекания тока в металлах, явление сверхпроводимости. Термоэлектронная эмиссия в вакуумных диодах. Диэлектрические, электролитические и полупроводниковые жидкости; закон электролиза.
презентация [237,4 K], добавлен 03.01.2011Основные величины электрического тока и принципы его измерения: закон Ома, Джоуля-Ленца, электромагнитной индукции. Электрические цепи и формы их построения: последовательное и параллельное соединение в цепи, катушка индуктивности и конденсатор.
реферат [170,9 K], добавлен 23.03.2012Химические источники тока как устройства, вырабатывающие электрический ток за счет энергии окислительно-восстановительных реакций химических реагентов, принцип их действия и оценка эффективности. Условия существования постоянного электрического тока.
презентация [394,1 K], добавлен 28.01.2014Причины электрического тока. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Закон Ома в дифференциальной форме. Работа и мощность. Закон Джоуля–Ленца. Плотность тока, уравнение непрерывности. КПД источника тока. Распределение напряженности и потенциала.
презентация [991,4 K], добавлен 13.02.2016Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике. Цепь постоянного тока. Зависимость силы тока от напряжения. Перемещение единичного положительного заряда по цепи постоянного тока. Применение закона Ома для неоднородного участка цепи.
реферат [168,3 K], добавлен 02.12.2010Понятие электрического тока, выбор его направления, действие и сила. Движение частиц в проводнике, его свойства. Электрические цепи и виды соединений. Закон Джоуля-Ленца о количестве теплоты, выделяемое проводником, закон Ома о силе тока на участке цепи.
презентация [194,6 K], добавлен 15.05.2009Понятие электрической цепи и электрического тока. Что такое электропроводность и сопротивление, определение единицы электрического заряда. Основные элементы цепи, параллельное и последовательное соединения. Приборы для измерения силы тока и напряжения.
презентация [4,6 M], добавлен 22.03.2011Характеристика электрического поля как вида материи. Исследование особенностей проводников, полупроводников и диэлектриков. Движение тока в электрической цепи. Изучение законов Ома, Джоуля-Ленца и Кирхгофа. Изоляционные материалы. Электродвижущая сила.
презентация [4,5 M], добавлен 19.02.2014
