Лекции для помощника машиниста тепловоза и электровоза. Изучения курса
 Скачать 1.11 Mb.
|
|
Электрическая цепь и ее элементы – электрическая цепь – совокупность соединенных между собой источников электрической энергии, приемников и соединяющих их проводов (линия передачи)  1 – потребитель 2 – провода 3 – источник электрической энергии (генератор, аккумулятор, гальванические элементы и т.д.). Электрическая цепь делится на внутреннюю (сам источник электрической энергии) и внешнюю (соединительные провода, приборы и т.д., т.е. все, что присоединено к зажимам источника электрической энергии). Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока. В своем движении свободные электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии. То есть электроны, проходя по проводнику, встречают сопротивление своему движению (трение проводника). На схемах электрическое сопротивление обозначается   а) постоянное электрическое сопротивление; б) переменное электрическое сопротивление. Сопротивление проводника зависит от материала и температуры проводника, от длины и поперечного сечения. Сопротивление (Ом) проводника длиной L = 1 м, сечением S = 1 мм  называется удельным сопротивлением, обозначается греческой буквой -  (ро) .1 Ом – это ≈ сопротивление, которое имеет медная проволока длиной 62 метра и сечением 1 мм .Удельное сопротивление различных проводников; основные характеристики металлов и сплавов; значения температурного коэффициента для некоторых металлов – приводятся в справочном материале. Чтобы электрический ток проходил по цепи продолжительное время, нужно непрерывно поддерживать разность потенциалов на полосах источника напряжения, к которому присоединена электрическая цепь. Причина, которая устанавливает и поддерживает разность потенциалов на зажимах источника, вызывает ток в цепи, преодолевая ее внутреннее и внешнее сопротивления, называется электродвижущая сила (Э.Д.С.). Эти силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают по перемещению зарядов в замкнутой цепи и обусловлены химическим процессом, диффузией носителей заряда через границы двух разнородных проводников, магнитными полями, другими принципами. Разность потенциалов, вызывающая прохождение тока через сопротивление участка электрической цепи, называется напряжением между концами этого участка. При постоянном напряжении ток в цепи будет тем больше, чем меньше сопротивление этой цепи, причем ток в цепи увеличивается во столько раз, во сколько раз уменьшается сопротивление цепи. Как показывают опыты, ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению того же участка. Эта зависимость известна под названием закона Ома:  ;   Пример: Определить ток, который будет проходить по нити лампы накаливания, если нить имеет неизменное сопротивление 240 Ом, а лампа включена в сеть U = 120 В.  .С учетом длины и сопротивления проводников возникает потеря напряжения, потому что часть напряжения будет теряться в проводах линии. При этом потеря U будет тем больше, чем больше I линии и чем больше сопротивление проводов. Потеря U равна I, протекающему по проводам линии, умноженному на сопротивление проводов:  , где напряжение в начале линии, В напряжение в конце линии, ВI – ток линии – удельное сопротивление линииl – длина линии (в один конец), м S – сечение проводов, мм .Пример: От генератора, напряжение на зажимах которого 115 В, электрическая энергия передается электродвигателем по проводам, сопротивление которых 0,1 Ом. Определить U на зажимах двигателя, если он потребляет ток в 50 а.  .Если в линии потеря напряжения 5 В, то U у электродвигателя будет 115-5=110 В. Разветвленные цепи. Правило Кирхгофа.  Электрическая цепь, содержащая в себе узлы, называется разветвленной. Узел – место в цепи, где сходятся три или более проводников (рис. 3.3.1.1.1). Для расчета разветвленных цепей применяют правило Кирхгофа (Kirchhoff G., 1824-1887), являющиеся прямым следствием основных законов теории электричества. Этих правил два. Рис. 3.3.1.1.1. Участок разветвленной цепи. Первое правило: алгебраическая сумма всех токов, сходящихся в узле равна нулю:
Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда в применении к узлу, через который протекают постоянные токи. Если в цепи имеется N узлов, то пишется N-1 уравнение для любых узлов. Второе правило: для любого замкнутого контура, выделенного внутри разветвленной цепи, алгебраическая сумма падений напряжений на сопротивлениях равна сумме ЭДС, действующих в этом контуре:
Второе правило Кирхгофа является следствием равенства нулю циркуляции электростатического поля по замкнутому контуру, то есть следствием его потенциальности. Соединение сопротивлений. Соединение сопротивлений бывает последовательным, параллельным и смешанным.
При последовательном соединении ток, текущий через все сопротивления, одинаковый, а падения напряжения разные (рис. 3.3.1.1.2).  Рис. 3.3.1.1.2. Последовательное соединение сопротивлений.  откуда следует, что
При параллельном соединении падения напряжения на всех сопротивлениях одинаковые, а токи, текущие в них, разные (рис. 3.3.1.1.3).  Рис. 3.3.1.1.3. Параллельное соединение сопротивлений.  откуда следует, что  Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца. При протекании по проводнику электрического тока проводник нагревается. Нагревание происходит за счет работы, совершаемой силами поля над носителями заряда:    Рис. 3.3.1.1.4. Проводник с током. Джоуль (Joule J., 1818 – 1889) и независимо от него Э. Х. Ленц (1804 – 1865) установили экспериментально, что количество теплоты, выделяющейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока:  Джоулей.Если сила тока изменяется со временем, то за промежуток времени  выделится теплота: .Написанные соотношения выражают закон Джоуля – Ленца. Если теплоту измерять в калориях, то:  Количество теплоты, выделяющееся в единице объема проводника за единицу времени, называется удельной мощностью:  где  - плотность тока.Это соотношение представляет собой закон Джоуля – Ленца в дифференциальной форме:  .Работа, производимая током за единицу времени, называется мощностью:  .Размерность мощности в СИ:  (ватт).КПД источника тока. Перемещая электрические заряды по замкнутой цепи, источник тока совершает работу. Различают полезную и полную работу источника тока. Полезная работа – это та, которую совершает источник по перемещению зарядов во внешней цепи; полная работа – это работа источника по перемещению зарядов во всей цепи:  - полезная работа; - полная работа.Соответственно этому, различают полезную и полную мощность источника тока:  .Коэффициентом полезного действия (КПД) источника тока называют отношение:  .Выясним, при каком сопротивлении внешней цепи R полезная мощность максимальна. И  меем:  , где  ; Откуда  .Рис. 3.3.11.5. Зависимость  от R.Условие R = r называется условием согласования источника и нагрузки. В этом случае мощность, выделяемая источником во внешней цепи, максимальна (рис. 3.3.1.1.5). Отметим, что при выполнении условия согласовании КПД источника тока  (50%), то есть максимальная полезная мощность и максимальный КПД несовместимы. Из приведенного графика видно также, что одну и ту же полезную мощность моно получить при двух различных сопротивлениях внешней нагрузки  .3.3.1.2. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. Переменный ток создается переменным напряжением. В случае переменного напряжения, потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно, с положительного на отрицательный, и, наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудой, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через нуль, после чего цикл всех изменений возобновится. Время, за которое происходит один такой цикл (время, включающее изменение тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током в одну секунду, носит название частота. Единице частоты присвоили имя Герца, который первый экспериментально получил электромагнитные волны. Таким образом, один Герц соответствует одному периоду в секунду. Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны. Также существует “ток смещения”, протекание которого обусловлено процессом заряда емкости, то есть изменением разности потенциалов между обкладками. Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор “протекает” (сам электрический ток – ни постоянный, ни переменный – через конденсатор не проходит. В цепи, соединяющей источник переменного тока с конденсатором, течет ток заряда и разряда этого конденсатора. Эта особенность переменного тока чрезвычайно широко используется в радиотехнике). Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника (см. Скин-эффект). Для получения от генератора стандартной частоты тока – 50 Гц, ротор двухполюсного генератора (т.е. машина с одной парой полюсов) должен сделать 3000 об/минуту    .Таким образом, для машин имеющих p пар полюсов, частота тока при n об/мин или  будет p раз больше чем для 2-ух полюсной машины. То есть,  , отсюда формула для определения скорости вращения ротора будет иметь вид  .Пример: Определить частоту переменного тока, получаемого от генератора с восемью полюсами (p = 4), скорость вращения ротора которого n = 750 об/мин.  Пример: Ротор генератора, приводимого в движение водяной турбиной, делает 75 об/мин. Определить число полюсов генератора, если частота его тока 50 Гц.  Следовательно, генератор имеет 80 полюсов. Электрические цепи переменного тока.
 . .Закон Ома для цепи переменного тока, тот же что и для цепи переменного тока, содержащей сопротивление r. Сопротивление проводников переменному току несколько больше их сопротивления постоянному току. Примечание: это объясняется тем, что при переменном токе наблюдается неравномерное распределение тока по сечению проводника, так как плотность тока будет возрастать от оси к поверхности проводника. Однако, при f = 50 Гц, небольшом сечении и медных или алюминиевых проводах, это сказывается слабо. При высокой частоте, большом сечении и стальных проводах оно значительное. Поэтому сопротивление проводников переменному току называется активным, в отличие от сопротивления, которое оказал бы этот проводник при постоянном токе. Обозначается оно также, буквой r. В цепи, представленной на рисунке, приложенное внешнее напряжение компенсирует падение напряжения в сопротивлении r, которое называется активным падением напряжения и обозначается  .  . Рис. 3.3.1.2.1. Графики и векторная диаграмма для цепи переменного тока, содержащей активное сопротивление.  (угол поворота), где - угловая частота,  .Так как,  , то  .Формула активной мощности цепи переменного тока (с активным сопротивлением) такая же, как формула мощности для цепи постоянного тока  , Вт или  , Вт.В цепях при постоянном токе, активным сопротивлением обладают все проводники. В цепи переменного тока только одним активным сопротивлением обладают нити ламп накаливания, спирали электронагревательных приборов и реостатов, дуговые лампы, специальные фибилярные обмотки и прямолинейные проводники небольшой длины.
Переменный ток, проходя по виткам катушки, создает переменное магнитное Полею Магнитные нити этого поля, пересекая витки своей же катушки, индуктируют в них э. д. с. самоиндукции.   L – катушка с индуктивностью без стального сердечника Цепь переменного тока, содержащая индуктивность. Формула закона Ома для цепи переменного тока, содержащей индуктивность  ; где  - индуктивное сопротивление цепи (реактивное сопротивление индуктивности), Ом.  - напряжение, приложенное к зажимам цепи, содержащей индуктивность, В. |
.
.
.