Особливість електричного кола

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекція №4. Електричне коло

1) Електричне коло -- це сукупність пристроїв і об'єктів,які утворюють шлях електричному струму. Окремий пристрій, що входить до складу електричного кола і виконує в ньому певну функцію, називається елементом електричного кола.

Електричні кола класифікують:

1. За видом струму:

- кола постійного струму

- кола змінного струму(однофазні,трифазні, багатофазні).

2. За складом елементів:

- активні.

- пасивні.

- лінійні.

- нелінійні.

3. За характером розподілу елементів:

- кола із зосередженими параметрами

- кола із розподіленими параметрами.

Найпростіше електричне коло складається з трьох основних елементів:

- Джерело електричної енергії (1)

- Приймач електричної енергії (2)

- З'єднувальні проводи (3)

Крім трьох вище названих основних елементів, до складу електричних кіл входять різні допоміжні елементи керування (рубильники, перемикачі, контактори, вимикачі та інш.); захисту (плавкі запобіжники, реле тощо); регулювання (реостати, стабілізатори струму і напруги, трансформатори); контролю (амперметри, вольтметри і інш).

Розглянемо основні елементи електричних кіл:

Джерело електричної енергії -- це перетворювач будь якого виду неелектричної енергії в електричну. Основним таким перетворювачем є електромеханічний генератор-перетворювач механічної енергії в електричну.

На теплових електростанціях працюють турбогенератори -- електричні машини, яким надають рух теплові (парові, газові) турбіни,на гідроелектростанціях встановленні гідрогенератори -- електричні машини з приводом від гідравлічних турбін. Турбо- і гідрогенератори виробляють змінний струм.

Для кіл постійного струму застосовуються електромеханічні генератори постійного струму; перетворювачі хімічної енергії в електричну -- гальванічні елементи й акумулятори; пристрої для прямого перетворення теплової енергії на електричну -- теплоелектрогенератори.

Приймачі електричної енергії -- це перетворювачі електричної енергії в механічну (електродвигуни змінного й постійного струму, тягові електромагніти), теплову (електричні промислові печі, побутові нагрівальні прилади, зварювальні апарати), світлову (лампи електричного освітлення, прожектори), хімічну (акумулятори, електролітичні ванни та інш.)

З'єднувальні проводи служать для передавання й розподілу електроенергії.

При розробці, конструюванні електричних виробів і установок не можна обійтись без електричних схем.

Схема електричного кола -- це графічне зображення електричного кола,що містить умовні позначення його елементів і показує з'єднання цих елементів.

Умовні позначення в електричних колах встановлено стандартами та ЄСКД.

Таблиця 1.Умовні графічні та буквенні позначення елементів в електричних схемах.

Схеми, в залежності від призначення, бувають: структурні, функціональні, принципіальні, монтажні і інш.

В електричних колах розрізняють послідовне та паралельне з'єднання елементів.

Кожен елемент, який вмикається в коло має два затискачі, назвем один затискач умовно початком, а другий -- його кінцем.

При послідовному з'єднанні елементів кінець попереднього елемента з'єднується з початком наступного, при паралельному з'єднанні групи елементів початки всіх елементів з'єднано в одному затискачі, а кінці елементів -- в другому.

Групи елементів можуть бути з'єднанні між собою послідовно і паралельно і утворювати складні електричні кола.

2) Фізичні процеси добування електричної енергії розрізняють залежно від виду перетворюваної енергії. Основна відмінність полягає в природі сил, які розділяють позитивний і негативний заряди в речовині.

Внаслідок дії сторонніх сил в джерелі електричної енергії відбувається поділ електричних зарядів і утворюється електрорушійна сила (Е.р.с.).

Перетворення хімічної енергії на електричну.

Електрохімічними джерелами електричної енергії є гальванічні елементи, акумулятори, паливні елементи.

іони розчин заряжається позитивно, а цинк негативно.

Розчинення цинку зумовлюється хімічними силами.

В області контакту цинк-розчин виникає електричне поле, напрямлене від розчину до цинку.

З розчиненням цинку зростає зяряд, а разом і з ним напруженність електричного поля. Це електричне поле протидіє переходові іонів Zn в розчин, тому на певній стадії розчинення цинку припиняється.

Такий рівноважений стан відповідає рівності двох сил, що діють на іони Zn: хімічних, під дією яких цинк розчиняється, та електричних, що протидіють розчиненню.

Розчинення цинку припиняється при деякій різниці потенціалів між цинком та розчином.

Якщо в той самий розчин помістити пластинку з іншої речовини, то описаний процес матиме місце і в цьому випадку. Проте різниця потенціалів може бути іншою величиною, більшою або меншою від .

При з'єднані пластинок І і ІІ провідником, у замкненому колі діятиме е.р.с. хімічного елемента

, (1)

і виникне електричний струм.

В цьому випадку е.р.с. створюється і підтримується при роботі хімічного елемента хімічними силами, отже можна говорити про перетворення хімічної енергії в електричну.

Застосування гальванічних елементів обмежено -- за одиницю часу вони можуть дати незначну кількість електроенергії, а термін роботи їх невеликий і закінчується, коли активна речовина електродів буде витрачена.

Значно ширше застосовуються акумулятори, електрохімічні процеси яких зворотні, це дає змогу багато разів заряджати та розряжати акумулятори.

Перетворення теплової енергії на електричну.

Безпосереднє перетворення теплової енергії на електричну можна здійснити використовуючи явище в контакті двох металів або напівпровідників де діють сторонні сили, якими зумовлена дифузія заряджених частинок.

Значення контактної різниці потенціалів залежить не тільки від властивостей контактуючих матеріалів, а й від температури контакту, поскільки з температурою пов'язана енергія вільних електронів та їхня концентрація. електричний коло енергія струм

Розглянемо замкнуте коло з двох різних матеріалів (мал.20)

При однаковій температурі контактів 1 і 2 електричний струм у колі не виникає, оскільки контактні різниці потенціалів, які визначаються формулою (, в обох контактах одинакові, але напрямлені в протилежні сторони по колу тобто:

, (2)

Якщо один з контактів, наприклад 1, нагріти ( >), то рівновага порушиться і в контакті 1 з'явиться додатковий стрибок потенціалу, пов'язаний з нагріванням. При цьому > , в колі утвориться термоелектрорушійна сила (термо-е.р.с.), абсолютне значення якої пропорційне різниці температур контактів:

, (3)

де - величина, яка залежить від контактуючих матеріалів.

Концентрація електронів в контактуючих металах дуже велика і при переході з одного металу в інший змінюється дуже мало. В зв'язку з цим контактна різниця потенціалів незначна і мало залежить від температури. Тому металеві термоелементи мають дуже малі термо-е.р.с. та к.к.д і застосовуються для вимірювання температур (мал.20.б)

На відміну від металів у напівпровідниках при збільшені температури дуже збільшується концентрація вільних електронів і дірок. Ця властивість напівпровідників має змогу дістати більш високі термо-е.р.с. і к.к.д. термоелементів.

Перетворення променистої енергії на електричну.

Концентрація і енергія вільних полів заряду в напівпровідниках може збільшуватися не тільки при нагріванні, а й під дією променистої енергії (світло, інфрачервоне випромінювання).

Провідність напівпровідників, зумовлена дією на них променистої енергії, називається фотопровідністю (внутрішнім фотоефектом).

На явищі фотопровідності грунтується дія групи електронних пристроїв, які називаються фотоопорами.

Освітлення контакту напівпровідників призводить до зменшення потенціального бар'єру в контакті і встановлюється новий стан рівноваги при меншому його значенні, яке дорівнює .

Різниця потенціальних бар'єрів у контакті напівпровідників у неосвітленому та освітленому станах називається фотоелектронною рушійною силою (фото-е.р.с.)

, (4)

Фото-ерс тим більша, чим інтенсивніше освітлення напівпровідника. Фотоелектричні генератори призначені для прямого перетворення сонячної енергії на електричну і застосовуються в космічній техніці.

Виникнення е.р.с. Е в усіх випадках пов'язане з роботою сторонніх сил по переміщенню заряджених частинок, тобто

, (5)

Одиниця вимірювання ерс є вольт так само як і напруги.

Додатній напрям ерс збігається з напрямом в якому сторонні сили діють на частинки з позитивним зарядом, це відповідає і додатньому напрямку струму у колі.

Робота сторонніх сил дорівнює енергії, яку віддає джерело живлення у зовнішнє коло. Ця енергія називається електричною енергією джерела

, (6)

Заряд виразим через струм в джерелі

; (7)

, (8)

Отримаємо

, (9)

Значення енергії,що виробляється за одиницю часу, називається потужністю джерела:

, (10)

, (10)

Одиниця енергії -- джоуль [Дж]; одиниця потужності:

, (11)

3) В електричному колі електрична енергія одночасно утворюється в джерелі і перетворюється в інший вид енергії в приймачі.

Розглянемо принципи перетворення електричної енергії на теплову, світлову і хімічну.Перетворення електричної енергії на теплову.

При проходженні електричного струму через провідник, внаслідок чинення провідником опору,він нагрівється.

Припустимо, що в провіднику, який має на кінцях різницю потенціалів U, заряд переміщених частинок рівний .

Енергія електричного поля, витрачена на переміщення заряджених частинок, згідно з формулою

; , (12)

Робота електричного поля витрачається на нагрівання провідника, тому енергію можна вважати такою,що дорівнює тепловій енергії приймача, тобто

, (13)

Згідно із законом Ома

, (14)

, (15)

Закон Джоуля-Ленца

Кількість електричної енергії що перетворюється в провіднику на тепло пропорційна квадрату струму, опору і часу протікання струму.

Кількість електричної енергії що перетворюється в провіднику на теплову за одиницю часу, називається потужністю приймача.

, (16)

, (17)

Перетворення електричної енергії на світлову.

Принципи перетворення електричної енергії на теплову, покладено в основу роботи електричних ламп розжарювання.

Нитка лампи, виготовлена із тугоплавкого металу (вольфрам), нагівається при електричному струмі в ній до температури порядку .

При високій температурі нитки лампи частина енергії випромінюється у вигляді світлової енергії, яка в загальному потоці енергії, випромінюється лампою, становить менше як .

Перетворення електричної енергії в хімічну.

Акумулятор при зарядженні або електролітична ванна є приймачами електроенергії.

Переміщення заряджених частинок при зарядженні акумулятора здійснюється внаслідок дій електричного поля, яке створюється стороннім джерелом живлення.

Енергія, що витрачається на зарядження:

: (18)

, (19)

Список літератури

1. Ф.Є.Євдокимов. Теоретичні основи електротехніки.

Київ -Донецьк “ Вища школа.” 1983р. стр. 36-48.

2. В.С. Попов. Теоретична електротехніка. Москва Енергія” 1975р. стр. 30-51.

Размещено на Allbest.ru