РАБОТА И МОЩНОСТЬ ТОКА
Практическое использование электрической энергии связано с явлением электрического тока, который служит средством передачи, распределения и преобразования электроэнергии.
Электрический ток — это направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за положительное направление тока принимают направление движения положительных зарядов.
Различают электрический ток проводимости в проводниках и электрический ток поляризации (смещения) в диэлектриках.
В проводниках первого рода (металлах) электрический ток проводимости создается направленным (упорядоченным) движением электронов. В проводниках второго рода — электролитах (водные растворы солей, кислот, щелочей) электрический ток обусловлен движением заряженных атомов и молекул (положительных и отрицательных ионов).
Электрический ток можно создать также в ионизированном газе (в результате ионизации молекул газа возникают свободные носители заряда: электроны и ионы).
В электронно-лучевых трубках (кинескоп телевизора), электронных лампах и других устройствах электрический ток_создается за счет движения электронов в вакууме. В диэлектриках ток проводимости незначительный - и им, как правило, пренебрегают. Однако в установках переменного тока за счет непрерывного изменения направления электрического поля в диэлектриках происходит интенсивное движение связанных заряженных частиц (диполей), обусловливающих ток поляризацию.
Значение тока проводимости определяется совокупным электрическим зарядом q всех частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени:
I = q/t (2.1)
Единица тока [А] – ампер
Электрический ток можно сравнить с током воды
в трубе. Заряды в проводнике, подобно воде в трубе,
перемещаются одновременно во всех сечениях. Поэтому значение тока во всех сечениях проводника одинаково (1).
Однако в различных сечениях проводника разная плотность тока. Она равна отношению тока в проводнике к площади его поперечного сечения
j = I/S. J=[А/м2]
Различают постоянный и переменный ток.
Постоянным называется ток, который не изменяется во времени (прямая 1 на рис. 2.2), а переменным — ток, изменяющийся с течением времени (кривые 2, 3).
Единицей тока является ампер (А). Применяют также:
1 килоампер (кА) = 103А — для измерения больших токов, 1 миллиампер (мА) = 10 -3 А и 1 микроампер (мкА) = 10 -6 А — для измерения малых токов.
Диапазон токов, применяемых на практике, очень велик. Ток в электронных схемах бывает равным 10-10 — 10-12А, ток лампы накаливания 100 Вт при напряжении 127В равен 0,79А, токи двигателей средней мощности достигают десятков и сотен ампер, токи в цепях электролизных ванн — десятков тысяч ампер.
В большинстве случаев электрический ток создается и поддерживается в замкнутой электрической цепи.
Электрическая цепь — это совокупность устройств и соединяющих их проводников, образующих путь для электрического тока.
В электрической цепи имеется множество свободных носителей зарядов, например электронов у металлов. Источник питания создает электрическое поле, которое вовлекает эти заряды в движение.
Так, в электрической цепи (рис. 2.3, а) электрическое поле конденсатора при включении цепи создает кратковременный ток.
Рис. 2.3
График этого тока показан на рис. 2.2 (кривая 2). Схема гидравлической модели этой цепи приведена на рис. 2.3,б. Сравните электрическую и гидравлическую цепи. Главными элементами этих цепей являются источники энергии и ее приемники.
Заряды в электрической цепи, подобно воде в гидравлической цепи, начинают двигаться сразу во всех элементах, так как электрическое поле, вовлекающее их в движение, существует на всех участках.
Из этого следует, что в электрической цепи процессы производства, передачи, распределения и преобразования электрической энергии происходят одновременно (2).
Вдоль электрической цепи заряды нигде не ответвляются, из цепи не уходят и проходят одновременно по всем участкам, поэтому на всех участках неразветвленной электрической цепи значение тока одинаково (3).
Конденсатор как источник совершает работу Аи по созданию тока, расходуя на это всю свою энергию. Ток совершает работу А на приемнике и ∆А, которая теряется на нагрев проводов. В соответствии с законом сохранения энергии
Аи = А + ∆А. (2.2)
Конденсатор является несовершенным источником тока, так как быстро иссякает запас его энергии и прекращается ток. Аккумулятор, батарейка, электрический генератор и другие источники способны длительно поддерживать необходимое значение тока за счет непрерывного преобразования других видов энергии (химической, механической) в электрическую энергию тока (рис. 2.4). В свою очередь энергия тока в проводах
и приемниках преобразуется в тепловую, механическую, световую и другие виды энергии, которые рассеиваются в окружающем пространстве или используются для различных практических целей.
Интенсивность преобразования энергии в электрической цепи оценивается мощностью.
Мощность источника — это скорость преобразования в электрическую энергию других видов энергии в источнике:
Ри = Аи/t. (2.3)
Численно мощность источника равна электрической энергии, получаемой в источнике за одну секунду.
Мощность приемника — это скорость преобразования электрической энергии в приемнике в другие виды энергии:
P = A/t. (2.4)
Численно мощность приемника выражается величиной энергии, преобразуемой в приемнике за одну секунду.
Единица мощности — ватт (Вт). Применяют также: 1 киловатт (кВт) = 103 Вт и 1 мегаватт (МВт) = 106 Вт.
В технике имеют дело с мощностями от долей ватта (в электронике и измерительной технике) до тысяч мегаватт (на крупных электростанциях).
Единица электроэнергии — ватт-секунда (Вт•с).
В электротехнике чаще используют единицы ватт-час (Вт • ч) и киловатт-час (кВт • ч). В Международной системе единиц (СИ) энергия выражается в джоулях (1 Дж = 1 Вт • с). Следует иметь в виду, что
1 Вт • ч = 3600 Дж, 1 кВт-ч = 3,6- 106Дж.
Для оценки эффективности работы источников и приемников используют коэффициент полезного действия (КПД).
КПД источника
ηи = (Ри-∆Ри)/Ри,
где ∆РИ — мощность потерь энергии в источнике.
КПД приемника η = (Р-∆Р)/Р,
где ∆Р — мощность потерь энергии в приемнике. Разделив уравнение (2.2) на время t, получим
РИ = Р + ∆Р, (2.5)
где ∆Р — мощность потерь энергии в проводах цепи.
Это уравнение отражает баланс мощностей цепи: сумма мощностей источников цепи равна сумме мощностей приемников и потерь (4).
Из баланса мощностей вытекает, что при изменении мощностей приемников (например, при их включении или отключении) автоматически изменяется мощность источников цепи. Происходит это за счет изменения тока. Ток цепи как средство передачи, распределения и преобразования электроэнергии при изменении числа приемников в цепи и их мощности изменяет свое значение так, чтобы обеспечивалось соблюдение баланса мощности и закона сохранения энергии (5).
2.2. ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПРОВОДИМОСТЬ
Одним из главных элементов электрической цепи является приемник электрической энергии.
Электроприемники служат для преобразования электрической энергии в другие виды энергии: механическую (электродвигатели, электромагниты), тепловую (нагревательные приборы, сварочные аппараты, промышленные печи), световую (лампы электроосвещения), химическую (электролитические ванны) и т.д.
Эти энергетические преобразования (как и любые другие) происходят лишь при условии, что на их пути имеется сопротивление (электрическое сопротивление).
Ранее отмечалось, что ток в электрической цепи создается электрическим полем. Электрическое поле в проводнике при постоянном токе называется стационарным электрическим полем.
Стационарное электрическое поле, как и электростатическое поле, характеризуется напряженностью, потенциалом и разностью потенциалов.
Так как перемещение зарядов по проводнику сопровождается затратой энергии (электроны, сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, возбуждая их к тепловому движению, теряют энергию), то в соответствии с положением (6) § 1.1- на концах проводника имеется разность потенциалов, т. е. напряжение или падение напряжения.
Таким образом, падение напряжения является количественной оценкой энергетических преобразований в цепи (1).
На схемах электрических цепей напряжение обозначают стрелкой в направлении от большего потенциала к меньшему.
На схемах принято показывать направление напряжения в ту же сторону, что и направление тока, внутри участка цепи, как на рис. 2.12. Однако следует помнить, что вне участка цепи падение напряжения на нем направлено навстречу току, оказывая ему противодействие (сопротивление). Это видно из рис. 2.5.
Таким образом, ток создает падение напряжения в проводнике, которое оказывает противодействие току.
Сравнивая падения напряжений на участках неразветвленной цепи при одинаковом токе, можно оценить, какой участок оказывает большее сопротивление току.
Падение напряжения на проводнике зависит от тока, поэтому не может быть характеристикой проводника. Способность проводников сопротивляться току оценивается падением напряжения, приходящимся на единицу тока, которое называется электрическим сопротивлением, обозначается R(r) и является параметром проводника:
R = U/I. (2.6)
Электрическое сопротивление проводника (электроприемника) численно равно падению напряжения на нем, созданному током, 1 А и оказывающему противодействие этому току (2).
За единицу сопротивления ом (Ом) принято сопротивление такого проводника, на котором при токе 1А падает напряжение 1В:
1Ом = 1 В/1 А. Применяют также 1 килоом (кОм) = 103 Ом и
1 мегаом (МОм) = 106 Ом.
Рассматривая сопротивление проводника, важно понимать, от каких факторов оно зависит.
Экспериментально установлено, что падение напряжения на проводнике (электроприемнике) прямо пропорционально току (3). Эта закономерность называется законом Ома для участка цепи:
U = IR, I = U/R. (2.7)
Графическим выражением закона Ома является так называемая вольт-амперная характеристика проводника (рис. 2.6).
Из закона Ома следует, что сопротивление не зависит от тока. Однако это справедливо лишь в случае, если не изменяется температура проводника.
Для металлов зависимость сопротивления от температуры выражается формулой
R2=R1 [1+α(t2 –t1)],
где R1 , R2 — сопротивления провода при начальной t1 и конечной t2 температурах; α — температурный коэффициент сопротивления, 1/°С.
Из физики известно, что
R = pL/S,
где р — удельное сопротивление проводника, Ом·м, L- длина, S – площадь поперечного
сечения.
Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью.
Единица проводимости — сименс (См),
Значения токов, напряжений, мощностей, сопротивлений и проводим остей, находятся во взаимосвязи. Используя формулы (1.4), (2.1), (2.4) и закон Ома, получаем; P = A/t = Uq/t =UIt =U
P =IU=Il R= I 2 R ; (2.10)
P= UI =UU/R =U2/R =U2g (2.11)
В электротехнике и электронике для преднамеренного создания сопротивления электрическому току применяют резисторы (рис. 2.7), которые характеризуются двумя параметрами: номинальным значением сопротивления (с определенным допуском в процентах) и максимальным значением мощности рассеяния. Указанные параметры приводятся на корпусе резистора. Дляразличных целей изготавливают резисторы в огромном диапазоне сопротивлений: oт сотых долей ома до десятков и сотен мегаом.
Для изготовления токоведущих элементов электрических устройств используются проводниковые материалы (в основном металлы и их сплавь). Различают проводниковые материалы с малым удельным сопротивлением, большим удельным сопротивлением и сверхпроводники.
Изматериалов с малым удельным сопротивлением наиболее широкое применение получили медь и алюминий (для изготовления проводов, кабелей, обмоток машин и аппаратов и т.д.). Применяются также сплавы меди (бронза, латунь) и сталь.Из материалов с большим удельным сопротивлением, отметим металлические сплавы: нихром (сплав никеля, хрома, железа) и фехраль (сплав железа, хрома, алюминия), применяемые в электронагревательных приборах, а также манганин (медно-марганцевый сплав) и константан (медно-никелевый сплав).
Важным достоинством манганина и константана является то, что их сопротивления практически не зависят от температуры. Это обусловило их применение при изготовлении обмоток измерительных приборов (манганин), образцовых сопротивлений и резисторов (константан),
В электротехнике применяют также угольные материалы (щетки электрических машин), металлокерамику (для контактов выключателей), припои и др.
При глубоком охлаждении некоторых металлов и материалов (ниобия, свинца, ртути, алюминия и др.) до температур, близких к абсолютному нулю (О К или — 273 °С), они переходят в состояние сверхпроводимости, с наступлением которого их сопротивление скачком уменьшается до нуля. Температура, при которой материал переходит в сверхпроводящее состояние, называется критической. Например, для алюминия критическая температура 1,2 К.
В настоящее время найдены материалы (сплавы и химические соединения), критическая температура которых выше 100 К. Их можно использовать в электронике, в частности в электронно-вычислительных машинах (ЭВМ), что позволит уменьшить габариты и стоимость ЭВМ. Возможно, в ближайшем будущем будут созданы сверхпроводники, критическая температура которых будет близкой к температуре окружающей среды.
Перспективными проводниками являются электропроводящие пластики. Обычно пластик является электроизоляционным материалом. Однако ученые нашли такие сорта пластиков, которые при соответствующей обработке меняют свои электрофизические свойства и проводят электрический ток не хуже меди. Изготовленные из такого материала провода значительно дешевле медных и прочнее их.
2.3. ЭДС. ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ.
НАПРЯЖЕНИЕ ИСТОЧНИКА
Элемент электрической цепи, предназначенный для получения электроэнергии, принято называть источником электрической энергии. В источнике происходит преобразование в электрическую энергию других: видов энергии.
На практике применяют следующие основные источники: электромеханические генераторы (электрические машины для преобразования механической энергии в электрическую), электрохимические источники (гальванические элементы, аккумуляторы), термоэлектрогенераторы (устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую), фотоэлектрогенераторы (преобразователи лучистой энергии в электрическую).
Принципы преобразования тепловой, лучистой и химической энергии в электрическую изучаются в курсе физики.
Общим свойством всех источников является
то, что в них происходит разделение положительного
и отрицательного зарядов и образуется электродвижущая сила (ЭДС). Что такое ЭДС?
В простейшей электрической цепи на перемещение заряда q по контуру замкнутой цепи (рис. 2.8) затрачивается работа источника Аи.
Источник затрачивает одинаковую работу на перемещение каждой единицы заряда. Поэтому с увеличением q прямо пропорционально растет Аи, а их отношение Aи/q,называемое электродвижущей силой, остается неизменным:
E = Aи/q. (2.12)
ЭДС численно равна работе, которую совершает источник, проводя заряд 1 Кл по замкнутому контуру цепи (1).
Единица ЭДС, как и напряжения,— вольт (В).
Благодаря ЭДС в электрической цепи поддерживается определенное значение тока.
Так как ЭДС не зависит от q, а ток I = q/t, то ЭДС источника не зависит от тока (2).
При изменении тока изменяется мощность источника Ри. Используя выражения Pи =Aи/t , Aи = qE и q = It,
получаем формулу для расчета мощности источника:
Ри = EI. (2.13)
Таким образом, при изменении сопротивления приемника изменяется ток цепи, мощность источника и мощность приемника. При этом соблюдается положение (5) и непрерывно действует постоянная ЭДС, создающая ток.
В соответствии с балансом мощности
Pи=P+Pв,
где Р — мощность приемника; Рв — потери на внутреннем сопротивлении RB источника (потерями в соединительных проводах пренебрегаем).
Подставляя в это уравнение значение мощности из формул (2.10), (2.13), используя положение (3) получаем:
EI=UI+UJ;
E=U+Uв (2.14)
(действие равно сумме противодействий).
В замкнутой цепи ЭДС встречает противодействие суммы падений напряжений на участках цепи.
Используя выражение (2.14) и закон Ома, получаем
E = IR + IRB. (2.15)
В этом уравнении Е и RB как параметры источника постоянные. При изменении сопротивления приемника R изменяет свое значение ток. Ток в цепи имеет строго определенное значение, необходимое для создания падений напряжений на участках цепи, уравновешивающих ЭДС (3). Аналогично в механике скорость движения тел такая, при которой вызванное этой скоростью противодействие сил трения уравновешивается действием сил, двигающих тело.
Из уравнения (2.15) ток
I = E/(R + RB). (2.16)
Эта формула отражает закон Ома для всей цепи: сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС источника.
Следует отметить, что уравнение (2.14) является частным случаем второго закона Кирхгофа, который формулируется так: алгебраическая сумма ЭДС любого замкнутого контура электрической цепи равна алгебраической сумме падений напряжений на сопротивлениях контура:
ΣΕ=ΣIR (2.17)
В паспортах устройств (источников, приемников, аппаратов, приборов), в каталогах приводятся значения токов, напряжений, мощностей, на которые устройство рассчитано заводом-изготовителем для нормального, называемого номинальным, режима работы. Источники характеризуются номинальными мощностью PH0M, током Iном и напряжением UH0M.
Для рис. 2.8 напряжение на зажимах источника и приемника одно и то же (так как они подключены к общим зажимам). Это напряжение определим из формулы (2.14):
U = E — IRB, (2.18)
где Rв — внутреннее сопротивление источника.
Напряжение на зажимах источника, работающего генератором, меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника (4).
При номинальном токе напряжение источника номинальное. При изменении режима цепи (изменении тока), в соответствии с формулой (2.18), изменяется напряжение. Если отклонения напряжения, тока, мощности находятся в допустимых пределах, такой режим называют рабочим.
Если же цепь разомкнута, ток равен нулю. Такой режим цепи или ее элементов называется режимом холостого хода (XX).
Из формулы (2.18) следует, что в режиме холостого хода U = Е.
ЭДС источника можно измерить вольтметром (рис. 2.9) как напряжение на его зажимах в режиме холостого хода (5).
Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами, называется режимом короткого замыкания (КЗ).
При КЗ R = 0, поэтому U = IKR=0 и действию ЭДС противодействует только падение напряжения внутри источника E= I кRв (рис. 2.10).
Внутреннее сопротивление источников, как правило, мало. Поэтому ток КЗ IК = Е/RВ большой, опасный для источника и проводов тепловым действием. Для защиты от КЗ источников и проводов тепловым действием. Для защиты от КЗ источников и других элементов цепи нередко применяют плавкие предохранители, вставки которых перегорают от тока КЗ и обрывают цепь.
На практике иногда пренебрегают внутренним сопротивлением источника, считая его равным нулю. В этом случае напряжение источника по формуле (2.18) равно ЭДС при любом токе и на схемах показывают не ЭДС источника (как на рис. 2.8), а напряжение на его зажимах .
Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 2027;