электрические и магнитные цепи. 1 электротехнические устройства постоянного тока
 Скачать 1.08 Mb.
|
|
1.4. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ПОСТОЯННОГО ТОКА Систематическое исследований электрических явлений и их практических приложений исторически началось с изучения свойств не изменяющегося во времени тока — постоянного тока на рубеже ХУШ-*-XIX вв. Экспериментальное исследование свойств постоянного тока дозволило выявить н обосновать ряд закономерностей я понятий показали, что большинство закономерностей, первоначально полученных при анализе цепей постоянного тока, являются фундаментальными законами электротехники. Термином электротехническое устройство принято называть промышленное изделие, предназначенное для выполнения определенной функции при решении комплексной проблемы производства, распределения, контроля, преобразования и использования электрической энергии. Быстрыми темпами развиваются и совершенствуются различные типы источников электрической энергии постоянного тока. Так, источники электрической энергии постоянного тока, преобразующие лучистую энергию Солнца при помощи фотоэлементов, служат основными источники анемической энергии токе — магнитогидродинамический генераторы. Их освоение позволит в перспективе существенно повысить КПД электрических станций. 1.2. ЭЛЕМЕНТУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОИД Электрическая 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 Например', энергия химических процессов преобразуется в «скую энергию в гальванических элементах и аккумулятора, тепловая энергия преобразуется в электрическую с помощью термопреобразователей на основе термопар.  рис.1.1В приемниках электрической энергии электрическая энергия источников 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 электротенических устройств и способа их соединения в простейшей цепи постоянного тока. Из приведенного примера видно, что натурное изображение электротехнических устройств и их соединений при графическом представлении электрической цепи приводит к громоздким и трудоемким чертежам. Изображение электрической цепи, можно существенно упростить, если каждое электротехническое устройство заменить (по правилам ГОСТ) его условным обозначением (рнс. 1.2). Условные обозначения .электротехнических устройств определяют их .функциональные назначения. Поэтому графические изображения электрических цепей, составленных из условных обозначений электротехнических устройств, называются принципиальными   рис.1.2 Рис. 1.3.Схема замещения электрической цепи является ее количественной моделью. Она состоит из совокупности различных идеализированных элементов, выбранных так, чтобы можно было с достаточно хорошим приближением описать процессы в электрической цепи. Представив .все элементы принципиальной схемы цепи в виде соединений соответствующих идеализированных : элементов, получим схему замещения щери, состоящую, из схем замещения отдельных устройств. Схемы замещения различных электротехнических устройств постоянного тока будут подробно рассмотрены в следующих параграфах. Здесь же приведем только схему замещения (рис. 1.3) для простейщей электрической цепи, показанной на рис. 11. Конфигурация схемы замещения электрической цепи определяется следующими геометрическими (топологическими) понятиями; ветвь, увел, контур. Ветвь схемы состоит из одного или нескольких последовательно соединенных идеализированных 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 цепи на рис, 1.3 содержит три ветви» причем две состоят из одного элемента каждая, а третья — из трех элементов. На рисунке указаны параметры элементов: гл, -—сопротивление цепи лампы, гV — сопротивление цепи вольтметра, га — сопротивление цепи амперметра, Е — электродвижущая сила (ЭДС) аккумулятора и гвт - его внутреннее сопротивление. Три ветви соединены в двух узлах а и б. В дальнейшем вместо термина схема замещения (эквивалентная) электрической цепи будем пользоваться сокращенными: схема цепи и, еще короче, схема. 1,3 ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ТОКОВ И НАПРЯЖЕНИЯ Если в электрической цепи (см. рис. 1.1) рубильник 1 включен, то во всех токопроводящих частях электротехнических устройств, т. е. во всех элементах схемы замещения рис. 1.3, будет постоянный ток. Рассмотрим вкратце явления, возникающие при этом в проводниках цепи, например в нити лампы, в соединительных проводах, в проводах обмоток измерительных приборов. Для этого выделим в электрической цепи участок однородного цилиндрического проводника длиной / (рис. 1.4).  Согласно электронной теории электропроводности валентные электроны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся положительными ионами. Ионы образуют в твердом теле кристаллическую решетку, обладающую 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 источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) и дополнительно перемещаются в одном направлении (вдоль проводника на рис. 1.4). Таким образом, постоянный ток в металлах представляет собой сравнительно медленное дрейфовое движение свободных электронов, накладывающееся на их беспорядочное тепловое движение, происходящее с относительно большой скоростью. 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. В настоящее время принято .считать направлением тока направление движения положительных зарядов. Постоянный ток I =Q/t, где t — время равномерного перемещения суммарного положительного заряда Q через поперечное сечение рассматриваемого участка электрической цепи. Основной единицей измерения тока в Международной системе единиц СИ является ампер (А). В практике часто встречаются кратные единицы измерения тока: микроампер (мкА), 1 мкА = 1*10-6 А; миллиампер (мА), 1 мА = 1*10-3А; килоампер (кА), 1 кА = 1*103 А, и мегаампер (МА), 1 МА= 1-106 А. Основной единицей измерения заряда (количества электричества) служит кулон (Кл) — количество электричества, проходящего через поперечное сечение при токе 1 А за одну секунду (1 с). 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.)  Постоянное напряжение для участка проводника (рис. 1.4)где F = q ξ — сила, действующая на положительный q заряд в однородном постоянном электрическом поле с напряженностью ξ \ А = ƒabFdt-работа электрического поля при перемещении' положительного заряда вдоль участка проводника; фa и фb— потенциалы однородного постоянного электрического поля в поперечных сечениях а и Ь участка проводника. Основной единицей измерения напряжения в системе СИ служит вольт (В). Это напряжение между концами проводника, в котором при перемещении положительного заряда 1 кулон (Кл) совершается работа 1 джоуль (Дж). Для измерения напряжений применяются и кратные единицы: микровольт (мкВ), 1 мкВ = 1 • 10-6 В; милливольт (мВ), 1 мВ = 1*10-3 В; киловольт (кВ), 1 кВ = 1-103 В; мегавольт (МВ), 1 МВ = 1*106 В. При расчетах электрических цепей действительные направления токов в элементах цепи в общем случае заранее неизвестны. Поэтому необходимо предварительно выбрать условные положительные направления токов во всех элементах цепи.  Условное положительное направление тока в элементе (с сопротивлением г па рис. 1.5) или в ветви выбирается произвольно я указывается стрелкой. Если в результате расчета электрической цепи при выбранных условных положительных направлениях токов 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. Условное положительное направление напряженияна элементе схемы электрической цепи(рис. 1.5} также выбирается произвольно и указывается стрелкой. Если выводы элемента электрической цепи обозначены (например, а и Ь на рис. 1.5) и стрелка направлена от вывода а к выводу Ь, то условное положительное направление означает, что определяется напряжение. U=Uab Аналогичное обозначение можно принять и для тока. Например, обозначение 1а6 указывает положительное направление тока в элементе электрической цепи или схемы (рис. 1.5) от вывода а к выводу Ь. В приемнике электрической энергии положительные направления тока и напряжения, как правило, выбираются одинаковыми (рис. 1.5). 1.4. РЕЗИСТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Столкновения свободных электронов в проводниках с атомами кристаллической решетки тормозят их поступательное (дрейфовое) движение. Частота таких столкновений зависит от структуры и свойств материала. Это противодействие направленному движению свободных электронов, т. е. постоянному току, составляет физическую сущность сопротивления проводника. Аналогично можно пояснить возникновение механизма сопротивления постоянному току в электролитах и газах. Электротехническое устройство, обладающее сопротивлением и применяемое для ограничения тока, называется резистором. Регулируемый резистор называется реостатом. Например, на рис. 1.6 показан проволочный реостат со скользящим контактом. Условные обозначения различных типов резисторов даны в табл. 1.1. Идеализированные модели резисторов называются резистивными элементами. Условное обозначение резистивных элементов приведено на рис. 1.5. Оно применяется при составлении схем замещения электрических цепей и их расчетах. Таблица 1.1. Условные графические обозначения для резисторов
Сопротивление г — параметр резистивного элемента. Основной единицей измерения сопротивления в системе СИ служит ом (Ом). Сопротивление проводника равно 1 Ом, если при токе 1А напряжение между концами (выводами) проводника равно I В. Часто встречаются и кратные единицы измерения сопротивления, например килоом (кОм), I кОм = 1*103 Ом, и мегаом (МОм), I МОм - 1 – 106 Ом. Для характеристики проводящих свойств различных материалов вводится понятие объемного удельного сопротивления. Объемное удельное сопротивление ру равно сопротивлению между гранями ' куба с ребром I м, изготовленного из данного материала.  Рис1.6 Так как сопротивление проводника пропорционально его удельному сопротивлению и длине проводника и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника, то единицей удельного сопротивления является 1 Ом-1 ма ; 1 м — 1 Ом-м. Провода электрических линий передач и катушек относительно длинны, а сечение их относительно мало. По этой причине под удельным сопротивлением р материалов для таких электротехнических устройств подразумевают сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мма, т. е. удельное сопротивление измеряется р Ом-ммг/м или, что то же самое, мкОм-м (табл. 1.2). Таблица 1.3. Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления некоторых проводниковых материалов
Величина, обратная объемному удельному сопротивлению называется объемной удельной проводимостью: ук = 1/рк Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью-1/г. Основной единицей измерения проводимости в системе СИ служит сименс (См), 1 См = 1 Ом"1, а единицей удельной проводимости является См/м. Теория электропроводности утверждает, что основным препятствием дрейфу свободных электронов в проводниках являются колеблющиеся атомы, расположенные в узлах кристаллической решетки, а не атомы как таковые. Это обусловливает зависимость удельного сопротивления, а следовательно, и сопротивления проводника постоянному току от температуры. В общем случае наблюдается достаточно сложная зависимость. Но при изменениях температуры в относительно узких пределах (примерно 200 °С) ее можно выразить формулой r2=r1(1+a(Q2-Q1)) где r1 и r2 — сопротивления соответственно при температурах Q1и Q2; а — температурный коэффициент сопротивления, равный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на 1 0С (табл. 1.2). У большинства чистых металлов температурный коэффициент сопротивления положителен, а у электролитов и изделий из графита — отрицателен. Температурный коэффициент сопротивления сплавов, применяемых для изготовления резисторов с постоянным сопротивлением (главным образом для измерительных устройств и приборов), близок к нулю. Таким свойством обладает медно-ннкелево-марганцевый сплав — манганин (85 % Си, 12 % Мп, 3 % N1) Если зависимость сопротивления резистивного элемента от тока невелика и ею можно пренебречь, то резистивный элемент обладает линейным сопротивлением г = сопз1. Если зависимостью сопротивления резистивного элемента от тока пренебречь нельзя, то такой резистивный элемент обладает нелинейным сопротивлением r(/). Для резистивного элемента с сопротивлением г ток и напряжение связаны простым соотношением —законам Ома. При одинаковых положительных направлениях тока и напряжения (см. рис. 1.5) |