Основы электротехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Постоянный ток

Строение вещества

Все тела состоят из отдельных очень малых частиц - атомов и молекул. Атомов свыше 100 видов, они различаются массой и химическими свойствами.

Упрощенно атом можно представить в виде ядра окруженного оболочкой из постоянно движущихся с большой скоростью электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Электроны располагаются вокруг ядра несколькими слоями (оболочками, уровнями).

Электроны, расположенные на внешней оболочке, называются валентными. Они слабее связаны с ядром, чем электроны, находящиеся на ближних к ядру орбитах. Ими определяется способность атомов данного элемента вступать в химические связи, а также электропроводность различных материалов.

Ядро и электроны обладают электрическими зарядами. Протоны имеют положительный заряд, электроны - отрицательный, нейтроны - не имеют заряда.

В целом атом электрически нейтрален.

Масса протона равна массе нейтрона, масса электрона = 1/1836 массы ядра водорода.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля, электрический потенциал и напряжение

В пространстве вокруг заряженного тела существует электрическое поле, обладающее запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные частицы. Условно электрическое поле изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направление действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую бы двигалась в поле положительно заряженная частица.

Напряженность поля (Н) - характеризует интенсивность электрического поля, т.е. его способность притягивать или отталкивать некоторый электрический заряд принятый за единицу.

Численно напряженность поля определяется как отношение силы, действующей на заряженное тело, к заряду этого тела.

E=F/q

Электрический потенциал (ц) характеризует энергию, запасенную в каждой точке поля.

Электрический потенциал поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

За нулевой потенциал условно принят потенциал поверхности земли.

Разность потенциалов двух точек поля характеризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемещение единичного положительного заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую точку с меньшим потенциалом, и называется электрическим напряжением (U) [В].

U=W/q.

Электрический ток и электропроводность вещества

Согласно электронной теории одни атомы могут терять электроны, другие же приобретать их, в результате чего превращаются в положительные и отрицательные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Ионизация может возникнуть только при сообщении атому определенного количества энергии: в виде тепла, облучения и т.д. Электроны, потерявшие связь с атомами и перемещающиеся в пространстве между ними, называются свободными.

Если в каком-либо теле накопятся электроны или ионы, то говорят, что в теле накопилось электричество или они несут электрический заряд. Единицей электрического заряда принято считать заряд электрона. В системе СИ количество электричества измеряют в кулонах 1Кл=6,29*10¹⁸ эл.

В веществе, помещенном в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения элементарных носителей электричества - ионов и электронов.

Направленное движение электрически заряженных частиц под действием электрического поля называется электрическим током (I).

За единицу силы тока принят ампер [A]: это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит 1 кулон электричества.

Постоянным называется ток, значение и направление которого в любой момент времени остаются неизменными. Токи, значение и (или) направление которых не остаются постоянными, называются переменными.

Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью. Электропроводность веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Существует два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока. Это металлы - ток в них обусловлен движением свободных электронов (электронная проводимость) и электролиты - прохождение тока в них связано с движением ионов (ионная проводимость).

Электрическое поле распространяется со скоростью 300000 км в секунду, с такой же скоростью проходит электрический ток, хотя электроны движутся со скорость несколько мм или см в секунду.

Электрическое сопротивление и проводимость

При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются с ионами и атомами вещества, из которого сделан проводник и передают им часть своей энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего проводник.

Противодействие проводника прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением (R) [Ом].

Проводимость - величина обратная сопротивлению.

G=1/R [См].

Удельное сопротивление (с) - сопротивление куба с ребром 1 м. [Ом/м]

Удельная проводимость (у) - проводимость куба с ребром 1 м.

(у)=1/(с) [См/м]

Сопротивление прямолинейного проводника зависит не только от материала проводника, но и его длины и площади поперечного сечения. R= сl/s; с [Ом/м/ммІ]

Электрическую цепь образуют источники электрической энергии (источники питания), ее приемники (электродвигатели, электронагревательные приборы, лампы) и соединительные провода, а также вспомогательное оборудование (для включения и выключения электроустановок), электроизмерительные приборы, защитные устройства.

Электрическую цепь можно разделить на два участка: внутреннюю цепь (сам источник) и внешнюю цепь (линейные провода и приемники).

Чертеж, на котором на котором изображены электрические цепи с помощью условных графических обозначений, называют электрической схемой.

Для того чтобы обеспечить непрерывное прохождение тока по электрической цепи, цепь должна быть замкнутой, а на зажимах источника питания необходимо поддерживать разность потенциалов.

Во внешней цепи ток направлен от плюса к минусу, внутри источника наоборот. Такое перемещение зарядов внутри источника совершается благодаря э.д.с., которая возбуждается внутри источника.

Э.д.с. поддерживает разность потенциалов на зажимах источника и определяет собой напряжение источника питания.

Э.д.с. обозначается Е и численно, равна работе, которую необходимо затратить на перемещение единичного положительного заряда от одного зажима к другому.

При составлении расчетных схем элементы электрической цепи, имеющие сопротивление обозначают в виде резисторов с сопротивлением R, то же относится к индуктивностям и емкостям, источники питания часто представляют с нулевым сопротивлением, а чтобы его учесть его сопротивление в схему добавляют резистор R₀. Вспомогательные элементы в большинстве случаев имеют малые сопротивления и их не указывают на схемах.

Направления тока, напряжения и э.д.с. на схемах изображают стрелками, за положительное направление тока принимают движение положительных зарядов, т.е. от плюса к минусу. Положительное направление напряжения и э.д.с. совпадает с направлением тока.

Закон Ома для электрической цепи: сила тока в электрической цепи равна э.д.с. источника поделенного на полное сопротивление цепи, которое можно представить виде суммы сопротивления приемника и внутреннего сопротивления источника питания. I=E/R I=E/R+R₀

Закон Ома может быть применен не ко всей цепи, но к любому ее участку (например аб): сила тока на данном участке цепи равна напряжению, приложенному к участку, поделенному на сопротивление этого участка. I=U/R; U=IR; R=U/I

Закон Ома применим только к линейным цепям.

Способы соединения потребителей

Закон Ома устанавливает зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением для простейшей электрической цепи, представляющей собой один замкнутый контур. В практике цепи имеют несколько замкнутых контуров и несколько узлов, к которым сходятся токи, проходящие по отдельным ветвям. Расчеты таких цепей производят с помощью законов Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа устанавливает зависимость между токами для узлов электрической цепи, к которым подходит несколько ветвей: алгебраическая сумма токов ветвей сходящихся в узле эл. цепи равна 0. УI=0

При этом токи, направленные к узлу берут с одним знаком, а от узла с другим. I₁+ I₂+ I₃-I₄=0, преобразуем I₁+ I₂+ I₃=I₄

Второй закон Кирхгофа устанавливает зависимость между э.д.с. и напряжением в замкнутой электрической цепи: во всяком замкнутом контуре алгебраическая сумма э.д.с. равна алгебраической сумме падений напряжений на сопротивлениях, входящих в этот контур. УE=УIR.

При последовательном соединении по всем элементам цепи протекает один и тот же ток.

E=IR₁₊IR₂+IR₃= I(R₁₊R₂+R₃)=IR_Э.

R_Э =R₁₊R₂+R₃

U₁:U₂:U₃=R₁:R₂:R₃.

Если последовательно включено n резисторов с одинаковыми сопротивлениями

R, то R_Э=nR; U₁=U/n.

При параллельном соединении нескольких приемников ко всем резисторам приложено одинаковое напряжение I=I₁+I₂+I₃,

I=U/R₁+U/R₂+U/R₃=U/(1\R₁+1/R₂+1/R₃); 1/R_Э=1\R₁+1/R₂+1/R₃

I₁:I₂:I₃=1\R₁+1/R₂+1/R₃.

Для двух резисторов R_Э= R₁* R₂/ R₁+R₂; При параллельном включении n одинаковых резисторов R_Э= R₁/n.

При смешанном соединении резисторов эквивалентное сопротивление определяют методом преобразования.

Мостовая схема соединения резисторов. В некоторых случаях (например при электрических измерениях) резисторы включают по схеме моста. Резисторы R₁; R₂; R₃ и R₄ образуют плечи моста. Участки цепи, соединяющие точки а и с, а также b и d называются диагоналями моста. На одну диагональ подается напряжение от источника питания, а в другую включается какой-либо аппарат. При равенстве сопротивлений R₁=R₄ и R₃=R₂ напряжения на участках аb и аd, а также bс и dс будут одинаковыми, поэтому точки b и d будут иметь одинаковые потенциалы. Если в диагональ включить прибор, то ток через диагональ будет равен 0. Такой мост называется уравновешенным. Мост будет уравновешенным при равенстве отношений R₁/R₄ и R₂/R₃. При несоблюдении этих условий, через диагональ будет протекать ток, такой мост называется неуравновешенным.

Мостовую схему применяют для включения реле боксования на некоторых электровозах. Реле Р включается в диагональ моста, образованного двумя последовательно включенными двигателями М₁ и МІ, которые рассматриваются как источники э.д.с. Е₁ и Е₂ и двумя резисторами. При отсутствии боксования Е₁= Е₂. Ток через обмотку реле равен 0.

При возникновении боксования частота вращения тягового двигателя, связанного с боксующей парой, резко возрастает, увеличивается его э.д.с., через обмотку реле пойдет ток, который вызовет его срабатывание. Реле включает сигнализацию и т.д.

Работа и мощность электрического тока

Мерой количества энергии является работа. Работа, совершаемая электрическим током за время t при известном напряжении и силе тока, равна их произведению W=UIt.

Работа, совершаемая электрическим током силой в 1А, при напряжении 1В, в течении 1 сек, принята за единицу электрической энергии джоуль (Дж) или Вт*с.

кВт*час=3,6*¹⁰⁶Дж

Энергия, получаемая приемником или отдаваемая источником тока в течении одной секунды, называется мощностью.

P=UI=I²R

Тепловое действие тока

При прохождении тока по проводнику в результате столкновения свободных электронов с атомами и ионами проводник нагревается. Количество этого тепла определяется по закону Джоуля-Ленца: количество выделенного тепла равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока через проводник.

Q=I²Rt (Дж) Q=0,24I²Rt (кал)

Т.е. количество выделенного тепла равно количеству электрической энергии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.

Каждый проводник может пропускать, не перегреваясь, ток определенной силы. Для определения токовой нагрузки пользуются понятием плотность тока: сила тока, приходящаяся на 1 ммІ площади поперечного сечения проводника. J=I/S

Режимы работы электрической цепи

Нагрузочный режим: к источнику подключен потребитель с сопротивлением R. E=IR+IR₀ или E=U+IR₀

Э.д.с. источника больше напряжения на его зажимах на величину падения напряжения внутри источника, которое зависит от тока в цепи. Ток зависит от сопротивления нагрузки.

Режим холостого хода. Внешняя цепь разомкнута, тока в цепи нет. E=Uи

Режим короткого замыкания. Зажимы источника замкнуты проводником с сопротивление равным нулю. Iк.з.=E/R₀

Т.к. внутреннее сопротивление источника обычно мало, проходящий через него ток возрастает до значительных величин, что может привести в негодность, как сам источник, так и приборы, провода. Это аварийный режим.

электрический поле цепь напряжение

Химические источники электрической энергии

Это устройства, в которых энергия протекающих химических процессов превращается в электрическую. Первичные - гальванические элементы; вторичные - аккумуляторы.

Растворы солей, кислот, щелочей в воде или другом растворителе называются электролитами. В них происходит непрерывный самопроизвольный распад молекул на положительные и отрицательные ионы, что выражается обычным уравнением.

CuSO₄> Cu⁺⁺+SO₄ ^{- -}

В целом такой раствор электрически нейтрален.

Если в сосуд с электролитом поместить две металлические пластины (электроды), присоединенные к источнику электрической энергии постоянного тока, то вследствие разности потенциалов между электродами через электролит будет протекать ток.

Прохождение тока через электролит сопровождается химическим процессом, который называется электролиз: положительные ионы будут двигаться к катоду (-), а отрицательные к аноду (+). Подойдя к катоду положительный ион получает недостающие электроны и образует химически нейтральный атом, на аноде отрицательные ионы отдают свои избыточные электроны.

Это упорядоченное движение ионов представляет собой электрический ток в жидких проводниках.

Гальванический элемент Вольта состоит из медного анода и цинкового катода помещенных в раствор серной кислоты.

Цинковый электрод растворяется в серной кислоте и образует нейтральные молекулы ZnSO₄, при этом на цинковом электроде скапливаются оставшиеся свободные электроны, т.е. электрод приобретает отрицательный заряд. Электролит из-за нейтрализации отрицательных ионов SO₄ приобретает положительный заряд, медный электрод практически не растворяется и приобретает положительный заряд. Разность потенциалов между цинковым и медным электродами определяет э.д.с. элемента.

Элемент Вольта не может долго работать, т.к. ионы водорода получают электроны от медного электрода и покрывают его слоем водорода, что ухудшает работу элемента. Для нейтрализации добавляют деполяризаторы.

Сухие гальванические элементы: нашатырь смешан с древесными опилками и крахмалом, цинковый электрод - сосуд, положительный электрод угольный, газоотводная трубка.

Аккумулятор - прибор, обладающий способностью накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию в результате химических процессов.

В зависимости от состава электролита различают кислотные и щелочные аккумуляторы.

Простейший кислотный аккумулятор состоит из двух свинцовых электродов, погруженных в раствор серной кислоты.

Процессы проходящие в кислотном аккумуляторе можно представить следующим уравнением:

PbO₂+Pb+2H₂SO₄=2PbSO₄+2H₂O

Полностью заряженный аккумулятор имеет э.д.с. около2,2В, приблизительно такое же напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление очень мало.

При разряде напряжение быстро падает до 1,8-1,7В, при этом напряжении разряд прекращается во избежание повреждения.

Щелочные аккумуляторы

Наиболее распространены никель-железные (НЖ) и никель-кадмиевые (НК) щелочные аккумуляторы. В тех и других активная масса положительного электрода в заряженном состоянии состоит из гидрата окиси никеля NiOOH, к которому добавляют графит и окись бария. Графит увеличивает электропроводность активной массы, а окись бария - срок службы. Активная масса отрицательного электрода никель-железного аккумулятора состоит из порошкового железа с добавками, а никель-кадмиевого аккумулятора из смеси порошкового кадмия и железа. Электролитом служит раствор едкого калия с примесью моногидрата лития, которая увеличивает срок службы аккумулятора.

Электрохимические реакции протекающие при заряде и разряде щелочного аккумулятора можно представить следующими уравнениями:

2Ni(OOH)+2KOH+Fe 2Ni(OH)₂+2KOH+Fe(OH)₂

2Ni(OOH)+2KOH+Cd 2Ni(OH)₂+2KOH+Cd(OH)₂

Полностью заряженный аккумулятор имеет э.д.с. приблизительно 1,45В. Вследствие большого внутреннего сопротивления его напряжение при разряде значительно меньше этого значения. При разряде напряжение быстро падает до 1,3В, затем медленно до 1В. Разряжать ниже этого напряжения запрещается.

Преимущества щелочных аккумуляторов:

- при их изготовлении не используется дефицитный свинец;

- они обладают большей выносливостью и механической прочностью, не боятся сильных токов разряда, тряски, ударов и даже коротких замыканий;

- при длительном бездействии несут малые потери на саморазряд и не портятся, имеют большой срок службы;

- при работе выделяют меньшее количество вредных газов и испарений;

- имеют меньший вес;

- менее требовательны в отношении постоянного квалифицированного ухода.

Недостатками являются:

- меньшая э.д.с;

- более низкий к.п.д.

- более высокая стоимость.

Соединение химических источников э.д.с.

Последовательное: когда минус каждого предыдущего источника соединен с плюсом последующего

Еб=Е₁+Е₂+…=nЕа; Ro=R₁+R₂+…=nRoa;

если батарея будет замкнута на внешнее сопротивление R, то

I=nEa/Ron+R.

Последовательно соединяют аккумуляторы, когда напряжение потребителя выше напряжения одного аккумулятора.

Параллельное: когда положительные зажимы нескольких аккумуляторов соединяют между собой и выводят на общий плюс, и отрицательные зажимы соединяют между собой и выводят на общий минус

Еб=Е₁=Е₂=…=Еа; Ro =Roa/n; I=Ea/(Ro/n+R).

Параллельное соединение применяют когда напряжение потребителя равно напряжению одного аккумулятора, а ток, необходимый потребителю, больше разрядного тока одного аккумулятора.

Смешанное соединение применяется, когда напряжение и ток потребителя больше напряжения и разрядного тока одного аккумулятора.

Основные характеристики аккумуляторов

Э.д.с. аккумулятора называют разность его электродных потенциалов при разомкнутой внешней цепи.

Величина э.д.с., используемая во внешней цепи, называется напряжением аккумулятора.

Под начальным напряжением понимают напряжение аккумулятора, измеренное через некоторое время после включения в цепь для разряда от нескольких минут до нескольких секунд.

Конечным напряжением называют ту величину напряжения, до которой производят разряд.

Под емкостью понимают количество электричества в ампер*часах, которое можно получить при разряде аккумулятора до конечного напряжения.

За номинальную емкость для большинства кислотных аккумуляторов принимают емкость при десятичасовом режиме разряда, а большинства щелочных аккумуляторов емкость при пятичасовом режиме разряда.

К.п.д. аккумулятора называют отношение количества энергии в квт*часах, полученной от него при разряде, к количеству энергии затраченной при заряде. (к - 65-75%; щ - 47-50%)

Коэффициент отдачи аккумулятора по емкости - отношение количества электричества в ампер*часах, отданного при разряде аккумулятора, к количеству электричества, полученному при заряде. (к - 85-90%; щ - 65-70%).

Эксплуатационные режимы работы аккумуляторных батарей.

Режим постоянного подзаряда, батареи постоянно подключены к генератору. Преимущество: в любое время батарея почти полностью заряжена.

Режим заряд-разряд, когда аккумуляторная батарея питает нагрузку, зарядный агрегат выключен, при заряде батареи нагрузка отключена.

Размещено на Allbest.ru