Основы электротехники (касаткин а.с.)

1.5. Режимы работы электрических цепей

В зависимости от нагрузки различают следующие режимы работы: номинальный, режим холостого хода, короткого замыкания, согласованный режим.
При номинальном режиме электротехнические устройства работают в условиях, указанных в паспортных данных завода-изготовителя. В нормальных условиях величины тока, напряжения, мощности не превышают указанных значений.Режим холостого хода возникает при обрыве цепи или отключении сопротивления нагрузки. Режим холостого хода является аварийным для источников тока.Режим короткого замыкания получается при сопротивлении нагрузки, равном нулю. Ток короткого замыкания в несколько раз превышает номинальный ток. Режим короткого замыкания является аварийным для источников напряжения.Согласованный режим — это режим передачи от источника к сопротивлению нагрузки наибольшей мощности. Согласованный режим наступает тогда, когда сопротивление нагрузки становится равным внутреннему сопротивлению источника. При этом в нагрузке выделяется максимальная мощность.

Закон Ома

Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и мощность. Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.

Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:

  1. Сила тока: I = U/R (ампер).
  2. Напряжение: U = I x R (вольт).
  3. Сопротивление: R = U/I (ом).

Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким – на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов – напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.

Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.

Первое знакомство с электричеством

В конце XVIII века французский ученый Шарль Кулон стал активно исследовать электрические и магнитные явления веществ. Именно он открыл закон электрического заряда, который и назвали в честь него, — кулон.

Сегодня известно, что любое вещество состоит из атомов и вращающихся вокруг них электронов по орбитали. Однако в некоторых веществах электроны удерживаются атомами очень крепко, а в других эта связь слабая, что позволяет электронам свободно отрываться от одних атомов и прикрепляться к другим.

Для понимания, что это такое, можно представить большой город с огромным количеством машин, которые движутся без каких-либо правил. Эти машины движутся хаотично и не могут совершать полезную работу. К счастью, электроны не разбиваются, а отскакивают друг от друга, как мячики. Чтобы получить пользу от этих маленьких тружеников, необходимо выполнить три условия:

  1. Атомы вещества должны свободно отдавать свои электроны.
  2. К этому веществу необходимо приложить силу, которая заставит двигаться электроны в одном направлении.
  3. Цепь, по которой движутся заряженные частицы, должна быть замкнутой.

Именно соблюдение этих трех условий и лежит в основе электротехники для начинающих.

Виды и характеристики тока

После получения первого электричества появилась идея передавать эту энергию на некоторое расстояние, и здесь возникли трудности. Оказывается, электроны, проходя через проводник, теряют часть своей энергии, и чем длиннее проводник, тем больше эти потери. В 1826 году Георг Ом установил закон, отслеживающий взаимоотношение между напряжением, током и сопротивлением. Читается он следующим образом: U=RI. Если словами, то получается: напряжение равно произведению силы тока на сопротивление проводника.

Из уравнения видно, что чем длиннее проводник, который увеличивает сопротивление, тем меньше будет ток и напряжение, следовательно, уменьшится мощность. Устранить сопротивление невозможно, для этого нужно понизить температуру проводника до абсолютного нуля, что осуществимо лишь в лабораторных условиях. Ток необходим для мощности, поэтому его трогать тоже нельзя, остается только повысить напряжение.

Для конца XIX века это была непреодолимая проблема. Ведь в то время не было ни электростанций, вырабатывающих переменный ток, ни трансформаторов. Поэтому инженеры и ученые устремили свой взор на радио, правда, оно сильно отличалось от современного беспроводного. Правительство разных стран не видело выгоды от этих разработок и не спонсировало такие проекты.

Чтобы можно было трансформировать напряжение, увеличивать или уменьшать его, необходим переменный ток. Как это работает, можно увидеть из следующего примера. Если провод свернуть в катушку и внутри неё быстро перемещать магнит, то в катушке возникнет переменный ток. В этом можно убедиться, подключив к концам катушки вольтметр с нулевой отметкой посередине. Стрелка прибора будет отклоняться влево и вправо, это будет свидетельствовать о том, что электроны движутся то в одном направлении, то в другом.

Такой способ получения электроэнергии называется магнитная индукция. Его используют, например, в генераторах и трансформаторах, получая и изменяя ток. По своей форме переменный ток может быть:

  • синусоидальным;
  • импульсным;
  • выпрямленным.

Типы проводников

Первое, что влияет на электрический ток — это проводимость материала. Такая проводимость у разных материалов разная. Условно все вещества можно разделить на три вида:

  • проводник;
  • полупроводник;
  • диэлектрик.

Проводником может быть любое вещество, свободно пропускающее через себя электрический ток. К ним относятся такие твердые материалы, как, например, металл или полуметалл (графит). Жидкие — ртуть, расплавленные металлы, электролиты. А также сюда входят ионизированные газы.

Исходя из этого, проводники делят на два типа проводимости:

  • электронный;
  • ионный.

В ионной проводимости эту роль выполняет частица, имеющая положительный или отрицательный заряд. Ион — это частица с недостающим или лишним электроном. Одни ионы не прочь захватить «лишний» электрон, а другие не дорожат электронами и поэтому свободно их отдают.

В соответствии с этим такие частицы могут быть отрицательно заряженными и положительно заряженными. Примером служит соленая вода. Основным веществом является дистиллированная вода, которая является изолятором и не проводит ток. При добавлении соли она становится электролитом, то есть проводником.

Все остальные материалы, не вошедшие в первые два вида, относятся к диэлектрикам или изоляторам. Они в обычных условиях практически не проводят электрический ток. Это объясняется тем, что на внешней орбите электроны очень прочно держатся на своих местах, а места для других электронов нет.

1.2. Пассивные элементы схемы замещения

Простейшими пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность и емкость.
В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д. Общим свойством всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве. В схеме замещения во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление.

Сопротивление проводника определяется по формуле

      (1.1)

где l — длина проводника;
S — сечение;
ρ — удельное сопротивление.


Проводимость

это величина, обратная сопротивлению.

Сопротивление измеряется в омах (Ом), а проводимость — в сименсах (См).

Сопротивление пассивного участка цепи в общем случае определяется по формуле

где P — потребляемая мощность;
I — ток.
Сопротивление в схеме замещения изображается следующим образом:


Индуктивность

это идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность цепи накапливать магнитное поле. Полагают, что индуктивностью обладают только индуктивные катушки. Индуктивностью других элементов электрической цепи пренебрегают.

Индуктивность катушки, измеряемая в генри , определяется по формуле

где W — число витков катушки;
Ф — магнитный поток катушки, возбуждаемый током i.

На рисунке показано изображение индуктивности в схеме замещения.


Емкость

это идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность участка электрической цепи накапливать электрическое поле. Полагают, что емкостью обладают только конденсаторы. Емкостью остальных элементов цепи пренебрегают.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф), определяется по формуле:

где q — заряд на обкладках конденсатора;
Uс — напряжение на конденсаторе.

На рисунке показано изображение емкости в схеме замещения

1.1. Основные пояснения и термины


Электротехника

это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях получения, преобразования, передачи и потребления электрической энергии.


Электроника

это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях получения, преобразования, передачи и потребления информации.

Каждая наука имеет свою терминологию. Запомним термины, понятия электротехники и электроники.


Электрическая цепь

это совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи, преобразования и использования электрического тока
.

Все электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три большие группы.

Источники энергии, т.е. устройства, вырабатывающие электрический ток (генераторы, термоэлементы, фотоэлементы, химические элементы).


Электродвижущая сила

электрическая разность потенциалов, создаваемая источником электрической энергии (электрохимическим элементом, механическим генератором, термоэлементом, фотоэлементом и пр.).

Приемники, или нагрузка, т.е. устройства, потребляющие электрический ток (электродвигатели, электролампы, электрические механизмы и т.д.).

Проводники, а также различная коммутационная аппаратура (выключатели, реле, контакторы и т.д.).

Направленное движение электрических зарядов называют электрическим током. Электрический ток может возникать в замкнутой электрической цепи. Электрический ток, направление и величина которого неизменны, называют постоянным током и обозначают прописной буквой I.

Электрический ток, величина и направление которого не остаются постоянными, называется переменным током. Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным и обозначают строчной буквой i.

Для работы электрической цепи необходимо наличие источников энергии. В любом источнике за счет сторонних сил неэлектрического происхождения создается электродвижущая сила. На зажимах источника возникает разность потенциалов или напряжение, под воздействием которого во внешней, присоединенной к источнику части цепи, возникает электрический ток.
Различают активные и пассивные цепи, участки и элементы цепей. Активными называют электрические цепи, содержащие источники энергии, пассивными — электрические цепи, не содержащие источников энергии.


Линейная электрическая цепь

это такая цепь, в которой ни один параметр цепи не зависит от величины или направления тока, или напряжения.


Нелинейная электрическая цепь

это такая электрическая цепь, которая содержит хотя бы один нелинейный элемент. Параметры нелинейных элементов зависят от величины или направления тока, или напряжения.


Электрическая схема

это графическое изображение электрической цепи, включающее в себя условные обозначения устройств и показывающее соединение этих устройств. На рис. 1.1 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии, электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.

Рис. 1.1

Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения.


Схема замещения

это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов.

На рисунке 1.2 показана схема замещения.

Рис. 1.2

Понятия и свойства электрического тока

Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.

Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении.

  • Нагревание проводника, по которому протекает ток.
  • Изменение химического состава проводника под действием тока.
  • Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.

Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором – периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах

Учебник.

Представленный учебник электротехники и электроники предназначен для студентов вузов: бакалавров и магистров, изучающих дисциплину — «Общая электротехника и электроника». В книге рассмотрены принципы действия, свойства и область применения основных электротехнических и электронных устройств. Рассмотрены основные электротехнические законы и методика анализа электрических: постоянного тока, однофазных, трехфазных, а также магнитных и электронных цепей. Данное учебное пособие дополнено примерами решения задач из разделов электрических цепей и электрических машин.

Подробно рассмотрена работа микропроцессорных систем и элементная база современных электронных устройств. Рассказано о методах измерения электрических величин: напряжения, тока, мощности и сопротивления в цепях постоянного и переменного тока, с помощью аналоговых и цифровых измерительных приборов. Приводится классификация электроизмерительных приборов. Книга рекомендуется в качестве учебного пособия для общеинженерной подготовки бакалавров и магистров.
ISBN: 978-5-16-010416-4 (print)
ISBN: 978-5-16-102391-4 (online)

Оглавление.Раздел I. Электрические и магнитные цепи

Глава 1. Основные определения. топология и методы расчета электрических цепей постоянного тока
Глава 2. Анализ и расчет цепей переменного тока
Глава 3. Анализ и расчет трехфазных линейных цепей переменного тока
Глава 4. Переходные процессы в линейных электрических цепях
Глава 5. Анализ и расчет нелинейных электрических цепей постоянного тока
Глава 6. Анализ и расчет магнитных цепей

Раздел II. Электромагнитные устройства и электрические машины

Глава 7. Трансформаторы
Глава 8. Машины постоянного тока
Глава 9. Асинхронные машины
Глава 10. Трехфазные синхронные машины

Раздел III. Основы электроники и электрические измерения

Глава 11. Элементная база современных электронных устройств
Глава 12. Источники вторичного электропитания
Глава 13. Усилители электрических сигналов
Глава 14. Импульсные и автогенераторные устройства
Глава 15. Основы цифровой электроники
Глава 16. Микропроцессорные средства
Глава 17. Электрические измерения и приборы
Список технической литературы

Похожая литература

Занимательная электроника и электротехника

Справочник по обмоточным данным электрических машин и аппаратов

Энциклопедия электрика

Электротехнический справочник Герасимова

Электрика в доме

Поделиться

Ссылка на основную публикацию