Законы электротехники

Первый закон Кирхгофа

Ток — это направленное движение эл.
зарядов. Ток через какую-либо поверхность
(например, через поперечное сечение
провода) равен скорости переноса заряда
через эту поверхность. На каждой ветви
схемы эл. цепи указывается стрелка тока.
Она имеет смысл направления вычисления
тока. Ее еще называют условно-положительным
направлением тока.

Ток в проводе будет положительным, если
электроны перемещаются противоположно
стрелке тока. Ток в проводе будет
отрицательным, если электроны перемещаются
в направлении стрелки тока. Направление
стрелки тока может быть выбрано
произвольно. Если его изменить, ток
поменяет знак.

Сформулируем 1-й закон Кирхгофа:
сумма токов, сходящихся в узле эл. цепи,
равна нулю.

При этом токи, стрелка которых направлена
к узлу, входят в сумму с дополнительным
знаком минус:

Рис. 2.1.

Например, для узла на рис. 2.1 имеем:

.

Смысл 1-го закона Кирхгофа состоит в
том, что сколько эл. заряда приходит к
узлу эл. цепи, столько же и уходит из
него.

Замечание 1: Первый закон Кирхгофа
допускает обобщение: сумма токов,
пересекающих любую замкнутую поверхность,
равна нулю. В случае, когда такая
поверхность охватывает узел эл. цепи,
получаем приведенную выше формулировку
закона.

Замечание 2:
В первом законе Кирхгофа можно использовать
и обратное правило знаков, суммируя
выходящие из узла токи с дополнительным
знаком «минус».

Замечание 3:
Движение свободных эл. зарядов называется
током проводимости. Существует еще ток
смещения, обусловленный движением
связанных зарядов и изменением
электрического поля во времени.

Замечание 4:
Строго говоря, 1-й закон Кирхгофа – это
приближенное равенство. Он не учитывает
перенос эл. заряда через изоляцию (токи
утечки), а также токи, связанные с
процессом накопления эл. заряда в области
узла (токи смещения). Однако, по сравнению
с токами в проводах, токи утечки и токи
смещения обычно очень малы

Случаи,
когда их приходится принимать во
внимание, выходят за пределы теории эл.
цепей

Замечание 5:
Гидравлическая аналогия позволяет
уподобить поток электронов в проводах
потоку несжимаемой жидкости, а провода
и прочие элементы цепи – трубкам и
сосудам, по которым эта жидкость течет.
Ток утечки подобен просачиванию жидкости
через мелкие трещины и поры трубок и
сосудов; ток смещения – движению жидкости
перпендикулярно стенкам трубок и
сосудов, когда такое движение обусловлено
их небольшим растяжением и сжатием.
Если же трубки и сосуды без пор и трещин,
и к тому же нерастяжимы, то сумма потоков
жидкости в трубках, сходящихся в узле,
равна нулю. Стрелка тока соответствует
направлению вычисления потока жидкости.

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.

Применяемые радиодетали

При изучении основ электромонтажа всегда происходит знакомство с основными деталями, использующимися в электронике. При их изготовлении применяются все перечисленные типы веществ. Из проводниковых материалов делают кабели, соединяющие устройства, входящие в схему. Также они подсоединяют источник питания к нагрузочному напряжению. Проводники наматывают на катушки, которые как эксплуатируются в самостоятельном виде, так и применяются в трансформаторах, электрических машинах, на печатных платах (последние сами делаются из диэлектрика). Транзисторные и диодные элементы включают в себя проводниковые и полупроводниковые детали из нескольких типов материалов с разным уровнем проводимости. Основные функции диэлектриков – защитная и изоляционная.

Общая электротехника

При изучении дисциплины «Электротехника» обеспечивается фундаментальная подготовка студента в области общей электротехники и электроники; соблюдается связь с дисциплинами «математика», «физика» и «химия» и непрерывность в использовании ЭВМ в учебном процессе, происходит знакомство со стержневыми проблемами получения, передачи и преобразования электрической энергии, базовыми положениями по электроприводу и современной электронной базы, используемой в схемах автоматического управления, навыками и понятиями профессиональной терминологии, обязательными для прочного усвоения последующих дисциплин и практического использования полученных знаний в решении профессиональных задач.

Содержание курса

  1. Основные термины и определения электротехники
  2. Электрическая цепь
  3. Линейные электрические цепи постоянного тока
    1. Расчет электрической цепи методом эквивалентных преобразований
    2. Расчет электрической цепи по закону Кирхгофа
    3. Расчет электрической цепи методом контурных токов
    4. Расчет электрической цепи методом наложения
    5. Метод двух узлов
    6. Баланс мощности электрической цепи
    7. Расчет потенциальной диаграммы
  1. Линейные электрические цепи однофазного синусоидального переменного тока
    1. Расчет электрических цепей переменного тока
    2. Алгебраические операции с комплексными числами
    3. Анализ электрического состояния цепи переменного тока
      1. Анализ цепи с резистивным элементом
      2. Анализ цепи с катушкой индуктивности
      3. Анализ цепи с конденсатором
      4. Анализ цепи с последовательным соединением элементов R, L, C
    4. Мощность цепи синусоидального тока
    5. Коэффициент мощности и его экономическое значение
    6. Резонанс в цепях переменного тока
    7. Характерные особенности резонанса напряжений
  2. Трехфазные цепи
    1. Мощность трехфазной цепи
    2. Расчет трехфазных цепей
  3. Трансформаторы
    1. Однофазные трансформаторы
    2. Трехфазные трансформаторы
  4. Машины постоянного тока
    1. Принцип самовозбуждения генератора постоянного тока параллельного возбуждения
    2. Условия самовозбуждения генератора
    3. Принцип действия двигателя постоянного тока
    4. Способы регулирования частоты вращения
    5. Способы пуска двигателя в ход
  5. Асинхронные машины
    1. Принцип действия асинхронного двигателя
    2. Особенности пуска в ход асинхронных двигателей
  6. Синхронные машины
    1. Принцип действия синхронного генератора
    2. Принцип действия синхронного двигателя
    3. Особенности пуска в ход синхронного двигателя

История

Одним из первых, чьё внимание привлекло электричество, был греческий философ Фалес Милетский, который в VII веке до н. э. обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь (др.-греч

ἤλεκτρον: электрон) приобретает свойства притягивать лёгкие предметы. Однако, долгое время знание об электричестве не шло дальше этого представления. В 1600 году Уильям Гилберт ввёл в обращение сам термин электричество («янтарность»), а в 1663 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. В 1729 году англичанин Стивен Грей провёл опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество. В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть. В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создаёт первый электрический конденсатор — Лейденскую банку. Примерно в эти же годы работы по изучению атмосферного электричества вели и русские учёные — Г. В. Рихман и М. В. Ломоносов.

Первую теорию электричества создаёт американец Бенджамин Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения с электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний. Изучение электричества переходит в категорию точной науки после открытия в 1785 году закона Кулона.

Майкл Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле

Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 году Василий Петров обнаружил вольтову дугу.

В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля ().

Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создаёт на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает электромагнитную индукцию () и законы электролиза (), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привёл Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы — частицы материи. «Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами», — утверждает он. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель — проволочка с током, вращающаяся вокруг магнита. Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка английским физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в 1873 году.

В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 год).

В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества — электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.

В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 году был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединённую теорию электрослабых взаимодействий.

Как рассчитать необходимое количество краски

Любой ремонт или строительство необходимо начинать с составления сметы и подробной инструкции. Расходные материалы, такие как краска для вагонки, необходимо закупать с запасом. При расчетах следует учитывать особенности поверхности, инструментов, профессионализм исполнителей работы, количество слоев и текстуру смеси.

  1. Отнимаем площадь дверей, окон, проемов и прочих необрабатываемых поверхностей.
  2. Полученный результат надо сопоставить с нормативным расходом выбранного типа краски.
  3. Такую информацию производители помещают на этикетке товара.
  4. Нужно понимать, что количество указано с учетом проведения работ в идеальных условиях, для одного слоя окрашивания.

Меры безопасности

Электрику необходимо знать нормы охраны электротехнического труда и обеспечения безопасности. Пренебрежение ими чревато травматической ситуацией, инвалидностью или смертью. Основные правила:

  1. Ручки инструмента должны быть сделаны из диэлектрика. Использовать неизолированные рукоятки запрещено.
  2. Использовать заземленные браслеты, работая с микросхемами.
  3. Не касаться кабелей, находящихся под напряжением.
  4. При проведении работ вешать предупредительные плакаты.
  5. Использовать только провода, покрытые диэлектрической изоляцией.
  6. Работать в резиновых перчатках и специальной обуви из диэлектрика.
  7. Тестирование параметров сети проводить только измерительными приборами.
  8. При поражении электротоком одного из коллег немедленно отключить ток, вызвать врача и провести мероприятия первой помощи.

Штудирование ТОЭ обязательно для любого, кто собирается самостоятельно выполнять электромонтажные работы. Первым делом учащиеся узнают о разновидностях электротока и их характерных особенностях, а также об устройствах, использующих электричество.

Потенциальный барьер. Движение электронов в кристаллической решетке

Определение 2

После взаимодействия электронов с ионами первые покидают металл, преодолевая только потенциальный барьер.

Высота такого барьера получила название работы выхода.

Наличие комнатной температуры не позволяет электронам проходить этот барьер. Потенциальная энергия выхода электрона после взаимодействия с кристаллической решеткой намного меньше, чем при удалении электрона из проводника.

Определение 3

Расположение е в проводнике характеризуется наличием потенциальной ямы, глубина которой получила название потенциального барьера.

Ионы, образующие решетку, и электроны принимают участие в тепловом движении. Благодаря тепловым колебаниям ионов вблизи положений равновесий и хаотичному движению свободных электронов, при столкновении первых со вторыми происходит усиление термодинамического равновесия между электронами и решеткой.

Теорема 1

По теории Друде-Лоренца имеем, что электроны имеют такую же среднюю энергию теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального газа. Это делает возможным оценивание средней скорости υт¯ теплового движения электронов, используя молекулярно-кинетическую теорию.

Комнатная температура дает значение, равное 105 мс.

Если наложить внешнее электрическое поле в металлический проводник, тогда произойдет тепловое упорядоченное движения электронов (электрический ток), то есть дрейф. Определение средней его скорости υд¯ выполняется по интервалу имеющегося времени ∆t через поперечное сечение S проводника электронов, которые находятся в объеме Sυд∆t.

Количество таких е равняется nSυд∆t, где n принимает значение средней концентрации свободных электронов, равняющейся числу атомов в единице объема металлического проводника. За имеющееся количество времени ∆t через сечение проводника проходит заряд ∆q=enSυд∆t.

Тогда I=∆q∆t=enSυд или υд=IenS.

Концентрация n атомов в металлах находится в пределах 1028-1029м-3.

Формула дает возможность оценить среднюю скорость υд¯ упорядоченного движения электронов со значением в промежутке ,6-6 ммс для проводника с сечением 1 мм2 и проходящим током в 10 А.

Определение 4

Средняя скорость υд¯ упорядоченного движения электронов в металлических проводниках на много порядков меньше скорости υт их теплового движения υд≪υт.

Слишком сложно?
Не парься, мы поможем разобраться и подарим скидку 10% на любую работу

Опиши задание

Рисунок 1.12.3 демонстрирует характер движения свободного е, находящегося в кристаллической решетке.

Рисунок 1.12.3. Движение свободного электрона в кристаллической решетке: а – хаотическое движение электрона в кристаллической решетке металла; b – хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем. Масштабы дрейфа υд¯∆t сильно преувеличены.

Наличие малой скорости дрейфа не соответствует опыту, когда ток всей цепи постоянного тока устанавливается мгновенно. Замыкание производится при помощи воздействия электрического поля со скоростью c=3·108 мс. По прошествии времени lc (l — длина цепи) вдоль цепи устанавливается стационарное распределение электрического поля. В ней происходит упорядоченное движение электронов.

Классическая электронная теория металлов предполагает, что их движение подчинено законам механики Ньютона. Данная теория характеризуется тем, что происходит пренебрежение взаимодействием электронов между собой, а взаимодействие с положительными ионами расценивается как соударения, при каждом из которых e сообщает накопленную энергию решетке. Поэтому принято считать, что после соударения движение электрона характеризуется нулевой дрейфовой скоростью.

Абсолютно все выше предложенные допущения приближенные. Это дает возможность объяснения законов электрического тока в металлических проводниках, основываясь на электронной классической теории.

Понятия: электричество, ток, напряжение

Первый материальный носитель электричества – электрон, открыл Джозеф Томсон в 1897 году. Электрон – это элементарная частица, которая имеет отрицательный заряд, благодаря электронам возможны электрические процессы в веществах. Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – напряжение.


Одна и та же электрическая схема, изображена в двух вариациях — рисованная и принципиальная

Электрический ток – это  направленное движение заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы, переносящие электрические заряды, есть не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается также греческой буквой омега Ω), в формулах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивление зависит от материала, сечения и длины проводника. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

Безопасность и практика

Основы электротехники для начинающих делают особое ударение на правилах техники безопасности. Их несоблюдение на практике порой может стать причиной получения электротравм и повреждения имущества. Для новичков в электротехнике надо следовать четырём основным требованиям ТБ.

Четыре правила техники безопасности для новичков:

  1. Перед работой с каким-либо устройством или оборудованием следует ознакомиться с его документацией. Все руководства по эксплуатации имеют раздел безопасности. В нём описаны опасные действия, которые могут вызвать короткое замыкание или удар электрическим током.
  2. Прежде, чем приступать к работе с электротехническими устройствами или электропроводкой, нужно отключить электричество. Затем произвести осмотр состояния изоляции проводников. Если обнаружено нарушение изоляционного покрытия, то оголённую часть проводников надо покрыть отрезком изоляционной ленты.
  3. При работе с проводкой и оборудованием под напряжением бытовой электросети надо использовать диэлектрические перчатки, защитные очки и обувь на толстой резиновой подошве. В электрораспределительных шкафах, щитах и электроустановках новичкам вообще делать нечего. Ими занимаются квалифицированные электрики, которые имеют допуск к работе под напряжением.
  4. Ни в коем случае нельзя касаться оголённых проводников руками. Для этого есть отвёртки-пробники, мультиметры и другие электроизмерительные приборы. Только убедившись в отсутствии напряжения, можно касаться проводов.

Законно ли отключение электроэнергии?

Согласно действующему законодательству для того, чтобы отключить свет сетевой организации не обязательно иметь судебное решение.

Так, в соответствии с п. 118 у поставщика электричества возникает право прекратить предоставление данной коммунальной услуги в случае, если у потребителя имеется по ней задолженность за период, превышающий 2 месяца.

Таким образом, отсюда следует вывод о том, что ресурсоснабжающая организация имеет право выключить свет без судебного разбирательства.

Когда процедура легитимна?

Для того, чтобы процедура по ограничению потребления электричества была законной, сетевой компании следует действовать в соответствии со следующими правилами:

  1. В первую очередь жильцы, в помещении которых планируется отключение света за неуплату, должны быть уведомлены о предстоящем событии. Данное условие вытекает из п. 119 раздела XI Постановления Правительства РФ № 354. Уведомление должно быть подготовлено в письменном виде и направлено адресату одним из следующих способов:
    • передача лично в руки под роспись;
    • заказным письмом с уведомлением о вручении;
    • включение соответствующей информации в квитанцию об уплате коммунальных услуг и т.д.

    Самое главное, чтобы в будущем ресурсоснабжающая организация смогла доказать, что действительно отправляла потребителю уведомление. В противном случае суд может признать решение об отключении света незаконным.

  2. Далее поставщик электроэнергии должен дождаться окончания 20 дней (с момента направления уведомления). Если в этот срок долг так и не будет погашен, то можно приступать к ограничению подачи электроэнергии (при наличии технической возможности). О том, при какой задолженности и в какие сроки отключают свет, читайте тут.
  3. В случае, спустя 10 дней после снижения объемов электроснабжения, если должник так и не оплатит свой счет за свет, коммунальная организация имеет полное право полностью прекратить подачу электричества, опломбировав соответствующее оборудование.

Когда санкции не допустимы?

Можно обозначить ряд случаев, при которых отключение света будет являться абсолютно незаконным. Сюда относятся следующие ситуации:

  1. Прекращение снабжения электроэнергией произведено без соблюдения уведомительного порядка, являющегося обязательным условиям для применения подобной «санкции» к должнику.
  2. Сумма накопившейся задолженности за свет не превышает двух месяцев.
  3. Сетевая организация отключила свет, не дождавшись окончания 20 дней (с момента направления соответствующего предупреждения), которые предоставляются должнику для внесения платы за данную коммунальную услугу.
  4. Подача электроэнергии прекращена в зимний период времени в помещении, которое согласно технической документации отапливается электрическими приборами.

    Согласно пп. в) п. 119 сетевая организация в случае неуплаты имеет право прекратить предоставление коммунальных услуг, за исключением отопления и водоснабжения в МДК. Таким образом, если помещение отапливается при помощи электрического котла, отключение света будет являться нарушением действующего законодательства.

  5. Прекращение подачи электроэнергии привело к нарушению прав добросовестных плательщиков (касается многоэтажных домов).

Попав в одну из перечисленных выше ситуаций, потребитель имеет полное право написать жалобу в вышестоящие инстанции (например, в прокуратуру) или же сразу подать исковое заявление и восстановить свои законные права через суд.

Теории и законы электричества

Общие законы, регулирующие электричество, немногочисленны и просты и применяются неограниченным количеством вариантов.

Закон Ома

Закон Ома — ток, проходящий через проводник между двумя точками, прямо пропорционален напряжению между ними.

I = V / R или V = IR или R = V / I

Где:

I — ток через провод в амперах;

V — напряжение, измеренное на проводнике в вольтах;

R — сопротивление провода в Ом.

В частности, он также гласит, что R в этом отношении постоянна, не зависит от тока.

Закон Ватта, подобно закону Ома, подтверждает связь между мощностью (ваттами), током и напряжением: P = VI или P = I 2 R.

Закон Кирхгофа (KCL) доказывает, что суммарный ток или заряд, поступающий в соединение или узел, в точности равен заряду, покидающему узел, поскольку ему некуда деться, кроме как уйти, поскольку внутри узла заряд не может быть поглощён. Другими словами, алгебраическая сумма всех токов, входящих и выходящих из узла, должна быть равна нулю.

Закон Фарадея гласит о том, что индуцированная электродвижущая сила в любой замкнутой цепи равна отрицательному значению временной скорости изменения магнитного потока, заключенного в ней.

Закон Ленца утверждает, что направление тока, индуцированного в проводе изменяющимся магнитным полем по фарадеевскому закону, создаст магнитное поле, противостоящее изменению, которое его вызвало. Проще говоря, размер эдс, индуцированной в цепи, пропорциональна скорости изменения потока.

Закон Гаусса гласит, что суммарный электрический поток с замкнутой поверхности равен вложенному заряду, деленному на диэлектрическую проницаемость.

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.

Основной закон электричества

Без знания и понимания основного закона электричества — Закона Ома, невозможно дальнейшее изучение и понимание электронных схем и устройств. Безусловно, электрический ток, напряжение и сопротивление связаны между собой. А взаимосвязь между ними описывается законом Ома. Для понимания формулы закона Ома для участка цепи, ее можно представить в виде треугольника (смотри фото ниже).

Закон Ома — главный закон электричества


Главный электрический закон – закон Ома для участка цепи

Закон Ома: «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи».


Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению

На иллюстрации видно, что человечек «Вольт» (напряжение) толкает через проводник человечка «Ампера» (ток). При этом человечек «Ом» (сопротивление) стягивает проводник, мешая прохождению тока. Получается, что чем сильнее сопротивление сжимает проводник, тем тяжелее проходить току («сила тока обратно пропорциональна сопротивлению»). При этом, чем сильнее напряжение, тем больше сила тока на участке.

Условные обозначения источников электрической энергии и элементов цепей

Условное обозначение Элемент
Идеальный источник ЭДС
Е — электродвижущая сила, Е = const
Ro = 0 — внутреннее сопротивление
Идеальный источник тока I = const
Rвн- внутреннее сопротивление источника тока,
Rвн>>Rнаг
Активное сопротивление
R = const
Индуктивность L = const
Емкость С = const

К химическим источникам тока относят гальванические элементы и аккумуляторы. В них заряды переносятся в результате химических реакций. При этом в гальваническом элементе реагенты расходуются необратимо, а в аккумуляторе они могут восстанавливаться путем пропускания через аккумулятор электрического тока противоположного направления от других источников.

Источники электрической энергии относятся к группе активных элементов электротехнических устройств. Если Rо=0 и электродвижущая сила (ЭДС) Е=const, то источник называется идеальным. Аккумуляторная батарея по своим параметрам близка к идеальному источнику ЭДС.

К группе пассивных элементов относятся: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С.

В электротехнических устройствах одновременно протекают три энергетических процесса:

1 В активном сопротивлении в соответствии с законом Джоуля — Ленца происходит преобразование электрической энергии в тепло.

Мощность, по определению равна отношению работы к промежутку времени, за который эта работа совершается. Следовательно, мощность тока для участка цепи

p = A/t = ui

Полная мощность, вырабатываемая генератором, равна

где R- полное сопротивление замкнутой цепи, называемое омическим или активным;

Р, I — мощность и ток в цепи постоянного тока.

р, i, и — мгновенные значения активной мощности, тока и напряжения в цепи переменного тока,

g — активная проводимость или величина, обратная сопротивлению g=1/R измеряется в сименсах (См).

В соответствии с законом сохранения энергии работа есть мера изменения различных видов энергии. Так, в электродвигателе за счет работы тока возникает механическая энергия, протекают химические реакции и т. д. На резисторах происходит необратимое преобразование энергии электрического тока во внутреннюю энергию проводника.

Если в проводнике под действием тока не происходит химических реакций, то температура проводника должна измениться. Изменение внутренней энергии проводника (количество теплоты) Q равно работе А, которую совершает суммарное поле при перемещении зарядов:

Q = А = uit

Воспользовавшись законом Ома, получим два эквивалентных выражения:

Это и есть закон Джоуля — Ленца.

Если нужно сравнить два резистора по характеру тепловых процессов, происходящих в них, то нужно предварительно выяснить: протекает ли по ним одинаковый ток или они находятся под одинаковым напряжением?

Если по двум резисторам протекают одинаковые токи, то согласно формуле за одно и то же время больше возрастает внутренняя энергия резистора с большим сопротивлением. С таким случаем мы встречаемся, например, в цепи с последовательным соединением резисторов. Последнее обстоятельство следует учитывать при включении в сеть нагрузки (электроплиток, утюгов, электродвигателей и т. д.). Сопротивление подводящих проводов при этом должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки. При несоблюдении этого условия в проводах выделится большое количество теплоты, что может привести к их загоранию.

Если же оба резистора находятся под одинаковым напряжением, то согласно формуле быстрее будет нагреваться резистор с меньшим сопротивлением. Такой эффект, в частности, наблюдают при параллельном соединении резисторов.

Термин «сопротивление» применяется для условного обозначения элемента электрической цепи и для количественной оценки величины R.

Сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом — это сопротивление проводника, сила тока в котором равна 1 А, если на концах его поддерживается разность потенциалов 1 В:

1 Ом = 1 В/1 А

Электрическое сопротивление R материалов с изменением температуры меняется. Сопротивление металлических проводников линейно возрастает с температурой. У полупроводников и электролитов с увеличением температуры удельное сопротивление уменьшается, причем нелинейно.

Для сравнения проводников по степени зависимости их сопротивления от температуры t вводится величина a, называемая температурным коэффициентом сопротивления. Отсюда

Для практических расчетов в электрических цепях величину R можно принимать постоянной. В этом случае зависимость напряжения на сопротивлении R от силы тока (вольт-амперная характеристика) будет называться линейной. Электрические цепи, в которые включены постоянные по величине сопротивления, также будут линейными.

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

Основные понятия об однофазном переменном токе.

Переменным называют ток, изменяющийся
как по величине, так и по направлению.
Если закон изменения тока представляет
собой синусоидальную функцию, то такой
ток называют сунусоидальным переменным
током.

i=Imax
sin(wt+φ)

где: i– мгновенное значение
тока, значение тока в конкретный момент
времени.

Imax– амплитуда значения переменного
тока, максимальное значение которого
принимает ток в своем изменении.

wt+φ–
фаза колебания – показывает, какая доля
периода прошла с момента начала кобелания.

w– угловая частота,f– частота переменного
тока – количество колебаний в секунду.

w=2πf

T=– период,φ– начальная
фаза – значение фазы в нулевой момент
времени.

График:

Для измерения переменного тока или
напряжения часто используют действительное
(эффективное) значение переменного тока
или напряжения.

Действительное значение переменного
тока называют такое значение постоянного
тока, которое за время равно периоду
переменного тока выдел. нагрузки, такое
же количество частоты, что и переменный
ток.

Для синусоидального напряжения между
действительными и амплитудными значениями
существует жесткая связь.

I=U=

В цепях переменного тока законы Ома и
Кирхгофа всегда справедливы для
мгновенного значения, а также для
значения в векторной или комплексной
форме записи.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий