Кола постійного струму
Електричні кола постійного струму
1.Електричний струм провідності.
2.Електрична провідність і опір провідників.
3.Джерела електричної енергії.
4.Приймачі електричної енергії.
5.Провідникові матеріали
6.З’єднання провідників
7.Закони Кірхгофа.
8.Втрата напруги в проводах лінії електропередачі.
1.Електричний струм провідності.
Одержання, передача і розподіл електричної енергії, перетворення її в інші види енергії зв'язано з явищем електричного струму. Ці енергетичні перетворення відбуваються в електричних колах.
Електричне коло - це сукупність пристроїв і об'єктів, що утворять шлях для електричного струму. Електромагнітні процеси в електричних колах можна описати за допомогою понять про електрорушійну силу, струм і напругу.
Розрізняють електричні коли постійного і перемінного струмів.
Електричний струм має кілька різновидів у залежності від типу речовини, у якому він виникає при відповідних умовах. По ступені електропровідності речовини поділяють на провідники, напівпровідників і непровідників (діелектрики).
Електричний струм провідності.
Електричний струм у провідниках утворюють вільні носії електричного заряду. У металах — це вільні електрони, в електролітах (розчинах солей, кислот, лугів) — заряджені атоми і молекули (іони). Електропровідність металів називається електронною і, а електролітів -іонною.
Якщо в провіднику підтримується електричне поле, то вільні заряджені частки (електрони, іони), що беруть участь у тепловому безладному русі, здобувають складові швидкості в напрямку дії сил електричного полючи Fе (уздовж лінії напруженості). У цьому випадку частки рухаються переважно в одному напрямку: позитивні — по напрямку поля, а негативні — у зворотну сторону.
Електричний струм провідності – це направлений рух носіїв зарядів. Струм визначається кількістю енергії (зарядом), яка проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу: I = Q/t
де I-струм, А (ампер); t— час, (секунда).
Одиницею вимірювання струму є ампер (А): 1А = 1Кл / 1с.
У практичних розрахунках використовують поняття щільності електричного струму, що виражається відношенням струму в провіднику до площі його поперечного переріза:
J = I / S
де J -щільність електричного струму, А/м2; S—площа поперечного перерізу провідника, м2. Електричний струм, що не змінюється в часі, називається постійним, а струм, що змінюється з часом, змінним.
На мал. показані графіки постійного струму (пряма 1) і змінних струмів (криві 2,3). На графіку перемінного струму по осі ординат відкладаються миттєві значень струму і, що визначаються зміною елементарного заряду dQ за нескінченно малий проміжок часу:i= dQ/dt
У цьому випадку електричний струм, що не змінюється в часі.
2.Електрична провідність і опір провідників.
Дослідами встановлено, що щільність електричного струму пропорційна напруженості електричного полючи Е и залежить від властивостей провідної речовини, що у даному випадку виражає величина питомої електричної провідності :
J = E
Питома електрична провідність характеризує електропровідність — властивість речовини проводити електричний струм, що не змінюється, під дією незмінного електричного поля.
Величину, обернено пропорційну опору, називають провідністю G і визначають в сименсах (См), 1См = 1 / Ом:
G = 1 / R. G = I /U = S/l
При постійній величині постійна і величина G. Тому струм у проводі пропорційний напрузі між його кінцями. Величина, зворотна електричної провідності, виражає електричний опір проводу R, а величина, зворотна питомої електричної провідності, також характеризує властивості матеріалу проводу і називається питомим електричним опором =1/
R = 1/G = l/S
Закон Ома для ділянки кола
Струм, що проходить по ділянці кола, прямо пропорційний напрузі U, прикладеній до цієї ділянки, та обернено пропорційний його опору R, топ то
I = U / R,
де U – вимірюється у вольтах (В); R – вимірюється в омах (Ом).
Електричний опір провідника R = U / I
Опір проводу R =  ,
де – питомий опір, Омּмм2 / м; l – довжина провідника, м; S – площа поперечного перерізу, мм2.
Опір провідника залежить від температури
R2 = R1 [1 + α (t2 – t1 )],
де R1 – опір провідника при температурі t1, Ом; R2 – опір провідника при температурі t2 , Ом; α – температурний коефіцієнт опору, який чисельно рівний відносному наростанню опору при нагріванні провідника на 1˚С.
Електричний опір мають всі елементи електричних колів У цих випадках опір не створюється навмисно, а обумовлено властивостями матеріалів.
Елемент електричного кола, призначений для використання його електричного опору, називається резистором.
Елемент електричного кола, в якому електричний опір залежить від температури, називається терморезистором,
Якщо струмопровідний елемент резистора виготовлений з матеріалу з постійною величиною питомої електричної провідності, незалежної від струму чи напруги, то резистор називається лінійним, тому що має постійний опір і прямолінійну залежність між струмом і напругою на його До резисторів такого типу відносяться і регульовані резистори, конструкцією яких передбачена можливість примусової зміни їхнього опору.
У практиці застосовують також резистори з опором, що залежить від прикладеного до їх затисків напруги варистори. Резистор такого типу називається нелінійним, тому що він має нелінійну вольт-амперну характеристику
Для позначення опору резистора застосовується кодоване позначення. Воно складається з трьох чи чотирьох знаків, що містять цифри і літери. Літера коду означає множник (R – 1 Ом; К – 1000 Ом; М – 1000000 Ом), а її положення визначає положення коми десяткового дробу. Наприклад:
1К5=1,5кОм=1500 Ом;
к68=0,68кОм=680 Ом.
 3.Джерела електричної енергії.
Найпростіший електричне коло складається з трьох основних елементів: джерела1, приймача 2 електричні енергії, сполучних проводів 3. Ці елементи умовно названі основними, тому що при відсутності хоча б одного з них електричний коло зібрати неможливо.
Окремий пристрій, що входить до складу електричного кола, і виконує визначену функцію, називається елементом електричного кола.
В електричні коли крім основних входять допоміжні елементи, призначені для керування, регулювання, контролю, захисту.
Електричну енергію одержують шляхом перетворення інших видів енергії за допомогою відповідних перетворювачів, що називають джерелами електричної енергії.
Електромеханічні генератори — електричні машини для перетворення механічної енергії в електричну.
На теплових електростанціях працюють турбогенератори, що приводяться в рух тепловими (паровими, газовими) турбінами, а на гідроелектростанціях установлені гідрогенератори з приводом від гідравлічних турбін. Турбогенератори і гідрогенератори— це машини зміного струму.
У колах постійного струму як джерела електричної енергії застосовуються: - електромеханічні генератори;
- електрохімічні джерела (гальванічні елементи, акумулятори);
- термоелектрогенератори (пристрою прямого перетворення теплової енергії в електричну),
- фотоелектрогенератори (перетворювачі променистої енергії в електричну).Можливість одержання електричної енергії з інших видів енергії зв'язана з тим, що на заряджені частки крім сил електричного поля за певних умов можуть діяти сили, обумовлені неелектромагнітними процесами. Ці сили, називані сторонніми, що виникають при хімічних реакціях, нагріванні контакту різнорідних металів або напівпровідників, при освітлені фотоелементів.
Відзначимо загальну властивість джерел: при перетворенні будь-якого виду енергії в електричну в джерелі відбувається поділ позитивного і негативного зарядів і утворюється електрорушійна сила ЕРС.
Величина, що характеризує здатність стороннього поля і індукційного електричного поля викликати електричний струм, називається електрорушійною силою.
Відповідно до закону збереження енергії, кількість електричної енергії, отриманої в джерелі, дорівнює роботі сторонніх чи електромагнітних сил, здійсненої в процесі розподілу заряду.
Відношення цієї роботи до величини розділеного заряду виражає величину електрорушійної сили.
Робота ( енергія W), затрачена для перенесення заряду Q на ділянці кола за час t,
A = W = U Q, або A = W =U I t,
де А – визначається в джоулях [Дж].
Робота виконана джерелом електричної енергії з ЕРС Е [В],
A = E Q A = E I t.
Потужність, яка використовується навантаженням,
Р = А / t = U I = R I2 = U2 / R,
де Р – вимірюється у ватах [Вт].
Електрична енергія, одержувана в джерелі в одиницю часу (за одну секунду), називається потужністю джерела.
Потужність, яку д осягає джерело або генератор,
Рr = W/t = E I.
За законом збереження енергії потужність генератора дорівнює сумі потужностей споживача. Цю рівність називають балансом потужностей в електричних колах:
Pr = Σ P E I = Σ I2 Ri .
4.Приймачі електричної енергії.
Найбільш численними і різноманітними елементами електричних колів є приймачі електричної енергії. Вони служать для перетворення електричної енергії в інші види енергії:
- механічну (електродвигуни, тягові електромагніти),
- теплову (электри-ческиепромышленные печі, побутові нагрівальні прилади, зварювальні апарати),
- світлову (лампи електричного висвітлення, прожектори),
- хімічну (акумулятори в процесі зарядки, електролітичні ванни й ін.).
Швидкість перетворення електричної енергії в электроприймачу в інший вид енергії називається потужністю електроприймача. Чисельно вона виражається величиною енергії, перетвореної в електроприймачі за одну секунду:
Закон Джоуля – Ленца.
Теплова потужність (кількість теплової енергії) пропорційна квадрату струму та величині опору провідника. = I2 R, Р= U2/R
Принцип перетворення електричної енергії в теплову лежить також в основі роботи електричних ламп розжарення. Нитка лампи, виготовлена з тугоплавкого металу (вольфраму), нагрівається при електричному струмі в ній до температури близько 3000 °С. При високій температурі нитки лампи частину енергії (менш 10 %) випромінюється у виді світла.
5.Провідникові матеріали
Основними з електричних характеристик провідникових матеріалів є питома провідність (чи питомий опір )та температурний коефіцієнт питомого опору
З погляду електропровідності розрізняють провідникові матеріали:
- з малим питомим опором;
- надпровідники
- с великим питомим опором.
Матеріали з малим питомим опором йдуть на виготовлення дротів та кабелів (для пристрою ліній передачі і розподіли електричної енергії, ліній зв'язку);
обмотувальних проводів (для всіляких обмоток електричних машин, апаратів, приладів). Для цих цілей найбільше застосування мають мідь і алюміній.
Крім чистої міді в електротехніку застосовують її сплави (бронзу, латунь).
При зниженні температури питомий опір металів зменшується. В даний час відомо, що багато чистих металів (сплави і хімічні сполуки) при охолодженні до деякої температури, що наближається до абсолютного нуля, переходять у стан надпровідності, з настанням якого їхній питомий опір стрибком зменшується практично до нуля. У числі надпровідників можна відзначити алюміній, ртуть, тантал, свинець, ніобій і його сплави.
Матеріали з великим питомим опором в основному є металевими сплавами: манганін — міно-марганцевий сплав, застосовується при виготовленні вимірювальних приладів; константан — мідно-никелевий сплав для намотування дротових резисторів і реостатів; ніхром — сплав нікелю, хрому і заліза; фехраль — сплав заліза, хрому, алюмінію застосовують для пристрою електронагрівальних приладів.
Ці матеріали мають високий питомий електричний опір, достатню механічну міцність, дозволяють одержати стрічки, дроту різної товщини.
Провідникові вироби. До провідникових виробів відносяться електричні кабелі, проводи і шнури внутрішніх проводок, проводу для чи повітряних ннй електропередачі, обмотувальні проводи, контактні вироби і т.д.
6.З’єднання провідників
Послідовне з’єднання
Еквівалентний опір ряду послідовно з’єднаних резисторів дорівнює сумі їх опорів:
R = R1 + R2 + … + Rn.
I= I1 = I2 = I3
U = U1 +U2 +U3
Паралельне з’єднання
Паралельним називають таке з’єднання резисторів, при якому між двома вузлами електричного кола приєднано декілька резисторів. Еквівалентна провідність цієї ділянки кола дорівнює сумі провідностей всіх паралельних гілок: G = G1 + G2 + …+ Gn , 1/R = 1/R1 + 1/R2 + …+ 1/Rn .
При паралельному з’єднанні двох резисторів R1 та R2 їх еквівалентний опір
R = R1 R2 / (R1 +R2 ).
Rекв = R1 R2 .... Rп/ (R2 R3 .... Rп + R1 R3 .... Rп + R1 R2 .... Rп-1 ).
Змішане з’єднання резисторів – Це послідовно – паралельне з’єднання резисторів або ділянок кола.
7.Закони Кірхгофа
Перший закон Кірхгофа.
Сума струмів, направлених до ланцюга, дорівнює сумі струмів направлених від ланцюга, або алгебраїчна сума струмів у вузлі дорівнює нулю:
І1 + І3 +... + Іn = І2 + І4 + ... + Іk ,
де І1, І3 ,... Іn – струм направлений до вузла; І2 ,І4 , ... Іk – струм направлений від вузла, або
ΣІ = 0.
  Зі знаком “+” записуються точки направлені до вузла, зі знаком “-“ – від вузла.
Другий закон Кірхгофа.
В замкнутому контурі електричного кола алгебраїчна сума ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі падіння напруги вздовж того ж контуру:
Σ Е = Σ ІR.
При складанні рівнянь по цьому закону ЕРС джерела записують зі знаком “+”, якщо її напрямок співпадає із вибраним напрямком обходу контуру. Падіння напруги записують зі знаком “+”, якщо напрямок струму через резистор співпадає із вибраним напрямком обходу контуру.
Щоб розрахувати електричне коло за допомогою законів Кірхгофа, треба:
а) у колі довільно призначити напрями струму;
б) скласти рівняння за першим законом Кірхгофа на одне менше, ніж число вузлів у колі;
в) рівняння, котрих бракує до повної системи, скласти за другим законом Кірхгофа. Контури треба вибирати таким чином, щоб у кожному була хоча б одна вітка, котра не розглядалася раніше;
г) після визначення струмів треба уточнити дійсний напрям цих
струмів.
8.Втрата напруги в проводах лінії електропередачі.
Різниця напруги на початку та в кінці лінії U1 – U2 дорівнює падінню напруги в лінії, називають втратою напруги:
ΔU = U1 – U2 = I Rпр
де Rпр – опір проводів в лінії: Rпр = ρ 
(l – довжина одного проводу двох провідної лінії, м; S – переріз проводу, мм2 ). Потужність втрат в лінії (Вт)
ΔP = I ΔU = I2 Rпр .
Коефіцієнт корисної дії лінії
η = Р1 / Р2 = (Р1 – ΔР) / Р1 = (U1 I – ΔUI)/ U1 I = 1-(ΔU / U1 ),
або
η = Р2 / Р1 · 100٪,
де Р1 – потужність на початку лінії, Вт; Р2 – потужність в кінці лінії, Вт.
|
