Материалы для подготовки к экзамену по электротехнике. Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон ДжоуляЛенца
 Скачать 2.39 Mb.
|
|
Преимущества электрической энергии. Основные электротехнические понятия. Электрический ток. Электрическая цепь. Сила тока. ЭДС. Напряжение. Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон Джоуля-Ленца. Ответ: Преимущества электрической энергии. В настоящее время электрическая энергия – самый распространенный вид энергии и по сравнению с другими видами энергии обладает следующими преимуществами: 1. Электрическая энергия – единственный вид энергии, который можно производить централизованно в больших количествах, что обеспечивает низкую её стоимость; 2. быстро и экономично передается на большие расстояния; 3. легко делится и распределяется между потребителями; 4. легко преобразуется в другие виды энергии, что делает её универсальным энергоносителем; 5. является единственным видом энергии, на использовании которой основана работа телекоммуникационных систем, электронно-вычислительной техники, современных систем управления и автоматики. 6. Потребители электрической энергии отличаются высокой экономичностью и экологической чистотой. Несмотря на все эти достоинства электрической энергии свойственны и определенные недостатки: 1. Электрическая энергия в промышленном масштабе не может быть запасена впрок в больших количествах; 2. В природе нет естественных источников и запасов электрической энергии, пригодных для практического использования. 3. специфические загрязнения окружающей среды: электромагнитные поля и электромагнитные излучения, действие которых на человека практически не исследованы. Электрическую энергию в промышленных масштабах получают в основном на тепловых электрических станциях за счет использования энергии первичных источников (уголь, газ, мазут). 1). Электрический ток. Сила тока Упорядоченное направленное движение свободных электрических зарядов в пространстве под действием силы электрического поля называют электрическим током. Количественной мерой электрического тока является сила тока I [A]. Сила тока в электрической цепи определяется количеством электричества dQ[ Кл ], проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени (с): I = dQ /dt [ Кл/с ], [A].При измерении количества электричества часто пользуются единицей измерения - Ампер-секунда (Q = 1 Кл = 1 А-с), а при измерении больших количеств – Ампер-час (1А-час = 3600 А-с ). 2). Электрическая цепь Электрическая цепь – это совокупность соединённых между собой электротехнических устройств, обеспечивающих прохождение электрического тока и предназначенных для производства электрической энергии, а также её передачи, распределения и преобразования в требуемый вид энергии (работу). Чтобы по электрической цепи протекал электрический ток, эта цепь должна быть «замкнута». «Разрыв» электрической цепи в любом месте, т.е. появление в цепи непроводящего участка, приводит к прекращению электрического тока. Простейшая электрическая цепь содержит следующие элементы: 1. Источник электрической энергии (генерирующее устройство) - преобразует какой-либо вид первичной энергии в электрическую; 2. Соединительные провода – соединяют зажимы источника электрической энергии и потребителя и служат для передачи электрической энергии; 3. Потребитель электрической энергии - служит для преобразования электрической энергии в требуемый вид энергии, т.е. в работу. Кроме этих устройств электрическая цепь обычно содержит электроизмерительные приборы, различные сигнальные, регулирующие, коммутирующие, защитные и другие электротехнические устройства. 3.) Электродвижущая сила (ЭДС) и напряжение При протекании электрического тока по электрической цепи совершается работа (механическая, тепловая и др.), на выполнение которой источник электрической энергии затрачивает некоторую энергию. Количественной мерой этой энергии источника является электродвижущая сила[Е] - ЭДС источника электрической [В] – это его полная энергия, которую он может израсходовать на получение работы, совершаемой при перемещении единицы количества электричества по замкнутому контуру электрической цепи (а - а): Eаа = dWаа /dQ [B]. Для характеристики работы, совершаемой источником электрической энергии на некотором участке электрической цепи, используется понятие разность потенциалов или напряжение [U]. Напряжение [U] характеризуется работой, совершаемой источником электрической энергии на некотором участке цепи (c - d): Ucd = dWcd/dQ[B]. 4). Закон Ома закон Ома: I = YU ,здесь Y [1/ Ом ], [Сименс], [См] – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от свойств и параметров проводника и называется проводимостью. Для цепи постоянного тока закон Ома записывается в виде формулы:I = U/R , а для цепи переменного тока: I = U/Z , где Z - полное сопротивление электрической цепи переменного тока. 5). Работа и мощность в электрической цепи При прохождении электрического тока по электрической цепи в ней происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии, т.е. совершается работа [dW] [Дж] или [Н∙м]. Из выражения для напряжения: U = dW/dQ можно записать: dW = UdQ = UIdt [Дж], или : W = UIt[Дж]. Для характеристики скорости энергетического процесса преобразования и обмена электрической энергией в электрических цепях переменного тока используют понятие - полная мощность [S] [ВА]: S = dW /dt = UI . Скорость процесса преобразования электрической энергии в другие виды энергии – характеризуется понятием - активная мощность Р [Вт]. В случае, когда проводник, по которому течёт электрический ток не перемещается (отсутствует механическая работа) и в проводнике не происходит химических превращений, то вся энергия электрического тока преобразуется во внутреннюю энергию, которая выделяется в виде тепла. В случае такого полного преобразования электрической энергии в тепловую для определения активной мощности используется формула Джоуля-Ленца: P = I2 R [Вт]. По этой же формуле обычно определяют тепловые потери («джоулевы» потери) в различных электротехнических устройствах, машинах, аппаратах и др. Скорость процесса обмена электрической энергией между электромагнитными полями в электрических цепях переменного тока вводится понятие - реактивная мощность Q=I2X, единица измерения Вольт-Ампер реактивный [ВАр] 2. Электрическая цепь постоянного тока. Основные элементы и их условно-графические обозначения. Методы расчета цепей постоянного тока (правила Кирхгофа, метод эквивалентных преобразований). Электрической цепью называют совокупность электротехнических устройств, образующих путь для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в которой могут быть описаны с помощью электрических величин - электродвижущей силы (E), тока (I) и напряжения (U). Для расчета и анализа режимов работы реальных устройств электрических цепей используют эквивалентные схемы замещения. Чем точнее элементы схемы замещения отражают реальную цепь, тем точнее ее расчет и анализ режимов работы. Схемы замещения линейных электрических цепей постоянного тока можно составить с помощью двух типов идеальных элементов (Рис.1):  идеального источника Э.Д.С. с параметром Е (Рис.1а) и идеального резистора (сопротивления) с параметром R (Рис.1б). Электрические провода, соединяющие такие элементы, изображаются на схемах в виде отрезков прямых линий, электрическим сопротивлением этих проводов при анализе и расчете пренебрегают. Ветвью называют участок цепи вдоль которого протекает один и тот же ток и который состоит из последовательно соединенных элементов. Узлом называется место соединения трех и более ветвей. Контуром называется любой замкнутый путь цепи, который можно обойти, двигаясь по ее ветвям.  Расчет и анализ электрических цепей производится с использованием закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа. Закон Ома для участка цепи Соотношение между током I, напряжением UR и сопротивлением R участка аb электрической цепи выражается законом Ома: или UR = RI-падение напряжения на резисторе R При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением R, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью: Закон Ома для всей цепи Этот закон определяет зависимость между ЭДС Е источника питания с внутренним сопротивлением r0 , током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением RЭ = r0 + R всей цепи:  Сложная электрическая цепь содержит, как правило, несколько ветвей, в которые могут быть включены свои источники питания и режим ее работы не может быть описан только законом Ома. Но это можно выполнить на основании первого и второго законов Кирхгофа, являющихся следствием закона сохранения энергии. Первый закон Кирхгофа В любом узле электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю: , где m-число ветвей подключенных к узлу. При записи уравнений по первому закону Кирхгофа токи, направленные к узлу, берут со знаком «плюс», а токи, направленные от узла – со знаком «минус». Второй закон Кирхгофа В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех его участках:  , где n – число источников ЭДС в контуре; m – число элементов с сопротивлением Rк в контуре;Uк = RкIк – напряжение или падение напряжения на к-м элементе контура. При записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо: 1) задать условные положительные направления ЭДС, токов и напряжений; 2) выбрать направление обхода контура, для которого записывается уравнение; Электрическая цепь с последовательным соединением элементов   Последовательным называют такое соединение элементов цепи,при котором во всех включенных в цепь элементах возникает один и тот же ток IU = U1 + U2 + U3 или IRэкв = IR1 + IR2 + IR3, Rэкв = R1 + R2 + R3. Недостаток последовательного включения элементов - при выходе из строя хотя бы одного элемента, прекращается работа всех остальных элементов цепи. Электрическая цепь с параллельным соединением элементов Параллельным называют такое соединение, при котором все включенные в цепь потребители электрической энергии, находятся под одним и тем же напряжением (рис. 1.6). I = I1 + I2 + I3, т.е.  откуда следует, что    ; gэкв = g1 + g2 + g3. , ток в цепи распределяется между параллельными ветвями обратно пропорционально их сопротивлениям.3. Основные электроизмерительные приборы. Способы измерения электрических величин и расчет параметров элементов электрической цепи. Электрическими измерительными приборами называют специальные технические средства, предназначенные для нахождения опытным путём значений измеряемой электрической величины и представления их в форме, доступной для непосредственного восприятия и оценки. С помощью электроизмерительных приборов (ЭИП) и присоединяемых к ним дополнительных устройств (преобразователей) можно измерять и неэлектрические величины (например, температуру, давление, влажность и др.). 1) Амперметр (А) – служит для измерения силы тока I(A). Обладает очень малым электрическим сопротивлением (RA≈0) и включается в электрическую цепь последовательно. 2) Вольтметр (V) – служит для измерения напряжения U(B). Обладает очень большим электрическим сопротивлением (RV=∞, IV=0) и включается в электрическую цепь параллельно. 3) Ваттметр (W) – служит для измерения электрической мощности P(Вт). Включается по сложной схеме, так как имеет две обмотки: I*- I – амперметровая обмотка (токовая) служит для измерения тока и включается в цепь последовательно, U*- U – вольтметровая обмотка (напряжения). Служит для измерения напряжения и включается в цепь параллельно. I*, U* - генераторные зажимы ваттметра, включаются со стороны источника. Амперметр Вольтметр Ваттметр 4. Основные электроизмерительные приборы. Схемы включения. Расширение пределов измерения (шунты, добавочные резисторы). Особенности работы с многопредельными приборами. Электрическими измерительными приборами называют специальные технические средства, предназначенные для нахождения опытным путём значений измеряемой электрической величины и представления их в форме, доступной для непосредственного восприятия и оценки. В процессе измерения с помощью электроизмерительных приборов производится сравнение измеряемой электрической величины с принятой единицей измерения. 1) Амперметр (А) – служит для измерения силы тока I(A). Обладает очень малым электрическим сопротивлением (RA≈0) и включается в электрическую цепь последовательно. 2) Вольтметр (V) – служит для измерения напряжения U(B). Обладает очень большим электрическим сопротивлением (RV=∞, IV=0) и включается в электрическую цепь параллельно. 3) Ваттметр (W) – служит для измерения электрической мощности P(Вт). Включается по сложной схеме, так как имеет две обмотки: I*- I – амперметровая обмотка (токовая) служит для измерения тока и включается в цепь последовательно, U*- U – вольтметровая обмотка (напряжения). Служит для измерения напряжения и включается в цепь параллельно. I*, U* - генераторные зажимы ваттметра, включаются со стороны источника. Схемы включения электроизмерительных приборов:    Расширение пределов измерения (шунты, добавочные резисторы). Для расширения пределов измерения, приборы магнитоэлектрической системы, а также приборы других систем снабжают набором резисторов для делителей измеряемых величин. Резистор, включаемый последовательно с катушкой измерительного механизма, называется добавочным резистором. Резистор, который включается параллельно с катушкой измерительного механизма или с ветвью, содержащей катушку и добавочный резистор, называется шунтом. Особенности работы с многопредельными приборами. В общем случае для обеспечения более высокой точности измерений из нескольких имеющихся ЭИП (или из пределов многопредельного прибора) следует выбрать прибор с минимальной относительной погрешностью d по условию: d = Кл * АН / АИ = min , где Кл - класс точности измерительного прибора ( % ), АИ - заданное (выбранное или предполагаемое, оценочное) значение измеряемой величины. Из этого условия следует, что с целью снижения погрешности измерений в случае ЭИП с одинаковым классом точности выбирают прибор, предел измерения которого АН является большим ближайшим значением к измеряемой величине АИ . Другими словами выбирают прибор с пределом измерения АН ближайшим большим к измеряемой величине АИ (заданной или предполагаемой) т.е. так, чтобы показания прибора находились в конце шкалы, где относительная погрешность измерения d снижается и приближается к классу точности ЭИП. Из формулы d = Кл * АН / АИ следует, что при АИ ≈ АН d ≈ Кл = min . 5. Классы точности электроизмерительных приборов. Погрешность электрических измерений и способы ее минимизации при выборе измерительного прибора. Класс точности ЭИП (Кл) является обобщённой метрологической характеристикой прибора и определяет его основную погрешность, обусловленную конструкцией и качеством изготовления прибора при нормальных условиях его эксплуатации (нормируемый диапазон температур и влажности, атмосферное давление, внешние магнитные и электрические поля, вибрации, параметры питающей сети, правильность установки прибора и др.). Класс точности (Кл) обозначается числом, выраженным в процентах, и представляющим собой нормированное (стандартизованное) значение наибольшей допускаемой приведенной погрешности ЭИП: Кл ≥ γ MAX = (ΔАMAX / АН ) х 100 [%]. Восемь классов точности ЭИП стандартизованы следующими значениями: 0,05 - 0,1 - 0,2 - 0,5 - 1,0 - 1,5 - 2,5 - 4,0 , поэтому по известному классу точности, указанному на шкале электроизмерительного прибора, можно легко вычислить возможные наибольшие абсолютную и относительную погрешности выполненного единичного измерения: ΔАМАХ = (АН * Кл ) / 100 [А; В; Вт], δМАХ = (AH * Кл ) / АИ [%]. Погрешности электрических измерений |