Электрический ток. Сила тока. Сопротивление.

Электрический ток. Сила тока. Сопротивление.

Электродвижущая сила (ЭДС) и напряжение. Закон Ома.

 

Электрическим током называется упорядочен­ное (направленное) движение электрических зарядов под действием электрического поля, а сами заря­ды - носителями тока.

Носителями тока являются:

в металлах – свободные элек­троны,

в жидких проводниках (электролитах) - по­ложительные и отрицательные ионы,

в ионизиро­ванных газах - как ионы, так и электроны.

Ток, возникающий внутри твердого, жидкого или газо­образного проводника, называется током проводи­мости.

Положительным направлением тока – называют направление, в котором перемещаются положительно заряженные частицы, или направление, противоположное движению электронов.

Для возникновения и поддержания электрического тока в проводящей среде необходимы два обязательных условия:

Наличие замкнутой электрической цепи.

2.Наличие электрического поля, под действием сил которогоэлектрические заряды получают направленное и упорядоченное движение (источник электрической энергии).

Для оценки интенсивности упорядоченного движения электрических зарядов в проводнике введено понятие сила тока.

Силой тока называется количество электричества q, протекающее через поперечное сечения проводника за единицу времени.

 

q – заряд, который переносится через поперечное сечение проводника.

t – время.

В системе СИ за единицу измерения силы тока принят ампер ( =А).

В проводнике будет сила тока в 1 А, если через площадь поперечного сечения его за 1с протекает один кулон электричества.

1мА=1 · 10^-3 А (миллиампер),

1мкА=1 · 10^-6 А (микроампер),

1кА=1 · 10³ А (килоампер).

Из формулы силы тока следует, количества электричества (количество зарядов)

q = I· t [А·с = Кл]

Электрический ток, величина и направление которого не изменяется с течением времени, называется постоянным током.

Свойство проводника препятствовать прохождению тока называется электрическим сопротивлением.

 

, где

R [ Ом ] – сопротивление проводника при температуре 20⁰С.

l [м ] – длина проводника.

S [ мм² ] – площадь поперечного сечения проводника.

ρ – удельное сопротивление проводника.

1 Ом – сопротивление проводника, по которому протекает ток с силой 1А при напряжении между его концами 1В.

Сопротивлением в 1 Ом обладает столбик ртути длиной 106,3 см с поперечным сечением 1 мм² при температуре 0⁰С.

1 кОм = 1 ·10³ Ом (килоОм)

1 МОм = 1 ·10⁶ Ом (мегаОм)

Удельное сопротивление материала представляет собой сопротивление проводника из данного материала длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 мм² при температуре 20 ⁰С.

Способность проводника пускать через себя электрический ток называется электрической проводимостью.

Проводимость – величина обратная сопротивлению.

 

, где

g = [ 1См = 1 Ом ^–1] = [Сименс] – проводимость.

R = [Ом] – сопротивление.

Величина обратная удельному сопротивлению называется удельной проводимостью.

, где

 

γ - проводимость.

ρ - удельное сопротивление.

С учётом удельного сопротивления преобразуем формулы сопротивления R и проводимости g:

Способность источника электрической энергии создавать и поддерживать на своих зажимах определённую разность потенциалов называется электродвижущей силой, сокращённо ЭДС.

Численно ЭДС измеряется работой совершаемой сторонними силами при переносе единичного заряда внутри источника при разомкнутой цепи.

, где

Е [B] [Вольт] – ЭДС.

А [Дж] – работа.

q [Кл] – величина заряда.

 

1мВ = 1 ·10^-3 В (милливольт)

1мкВ = 1· 10^-6 В (микровольт)

1кВ = 1· 10³ В (киловольт).

Часть ЭДС, затрачиваемая на перенос зарядов по внутреннему участку цепи (внутри источника), называется внутренним падением напряжения и обозначается U_0.

Закон Ома для полной цепи с источником ЭДС

 

Сила тока, протекающего в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего R и внутреннего R_о участков цепи.

, где

 

I – сила тока;

Е - ЭДС источника;

R – сопротивление внешнего участка цепи;

R₀ – внутреннее сопротивление источника.

 

Закон Ома для участка цепи

 

ВТОРОЙ УРОВЕНЬ

Соединение потребителей

Последовательное соединение

Соединение, при котором участки цепи включены один за другим без разветвлений и поэтому имеют одно значение тока, называется последовательным. (рис.4)

Рис.4

I_AB = I₁ = I₂ = I₃=…=I_n=const

При последовательномсоединении резисторов, их эквивалентное (общее) сопротивление равно сумме сопротивлений всех резисторов, входящих в цепочку

R_АВ = R₁+R₂+R₃+…+R_n

 

Если R₁ = R₂ = R₃, то R_AB = n · R₁, где

n – число сопротивлений.

U_AB = U₁ + U₂ + U₃

Параллельное соединение

 

Соединение, при котором несколько ветвей присоединены к одной паре узлов, называется параллельным (рис.5).

Первый закон Кирхгофа

Сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из узла.

 

Рис.6

Допустим, в какой то точке соединяется четыре провода (рис.6). Значит, эту точку можно назвать узлом. По проводам текут токи. Причём, токи I₁, I₂ втекают в узел, а токи I₃, I₄ - вытекают из узла. Значит, по 1-му закону Кирхгофа, можно с уверенностью сказать, что:

I₁+I₂ = I₃+I₄

Теперь, зная любые три тока, легко получить четвёртый.

При составлении уравнения в левой части равенства пишется сумма токов входящих в узел, а в правой части – уходящих из узла. Но уравнение по 1 закону Кирхгофа можно записать и по-другому. Для этого правую часть равенства переносим в - левую. Тогда все токи уходящие из узла будут со знаком «-».

I₁+I₂ - I₃-I₄=0

Из последнего выражения видно, что алгебраическая сумма токов в узле равна "0":

ΣI=0
Но это-то ещё пока просто. Сложности начинаются тогда, когда узел выглядит не как узел, а как, например (Рис. 7):

Рис.7

 

Сколько проводов сходится в таком узле? Правильно, шесть! При этом узлом является кусок схемы, выделенный красным цветом. Ведь, если подумать, все точки, соединенные красным отрезком, можно "подтянуть" друг к другу и сделать одной точкой, в которой будет сходиться 6 проводов. Вот так всё непросто!

Второй закон Кирхгофа

Режим холостого хода (ХХ)

Режим, при котором потребитель отключен от источника называют режимом холостого хода.

Ключ К разомкнут (рис. 1)

R_хх = ∞

I_хх = 0

U_хх = E – I_хх ·R_о = E → U_хх = E

U_охх = I_хх ·R_о = 0

Режим ХХ источника может быть использован для измерения его ЭДС. Напряжение ХХ на зажимах источника равно его ЭДС.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Тема: «Получение синусоидальной ЭДС»

Синусоидальный характер изменения тока — самый распространенный в электротехнике, поэтому, говоря о переменном токе, в большинстве случаев имеют в виду синусоидальный ток.

Принцип действия генератора основан на ЭМИ.

Колебание тока - движение электронов вдоль провода сначала в одну, а затем в другую сторону (Рис 46).

График колебания – синусоида (Рис 47).

Рис.46 Рис.47

 

Параметры переменного тока

1. Период – время в течение, которого совершается одно колебание. Т (с) (Рис.48)

Рис.48	Рис.49

2.Величина тока в данный момент времени называется мгновенным значением (i,u,e) (Рис.49)

3.Наибольшее из мгновенных значений называется амплитудным (Рис. 50)

I_m, U_m, E_m,

Рис.50	рис.51

4. Количество колебаний за 1с называется частотой (Рис.51)

f=1/T[1/c=1Гц] Герц

где f = частота

f =50Гц – промышленная частота в России

Частота 50 Гц принята во всех странах Европы и Азии

 

В США установлены три стандартные частоты 25 Гц, 60 Гц, 100 Гц

 

1 кГц - 10³ Гц – килогерц

1 МГц – 10⁶ Гц - мегагерц

 

f=P·n/60 - частота в генераторе

р- число пар полюсов

n –число оборотов ротора

5.Угловая скорость равна углу поворота рамки в единицу времени.

ω=α/t[рад/с]

где ω –угловая скорость

α – угол между проводником и геометрической нейтралью

ω=2·f ω= 2/Т α=ω·t

Математическое выражение мгновенного значения:

тока - i = I_m·sinωt

ЭДС - e = Em ·sinωt

напряжения - U= U_m·sinωt

 

i = I_m · sin(ωt±ψ)

 

 

Фаза. Сдвиг фаз

Фаза – это такой параметр переменного тока, который указывает в какой именно момент времени ток достигает того или иного мгновенного значения (Рис. 52).

Рис.52

Углы Ψ₁ и Ψ₂ определяющие величину ЭДС в начальный момент времени (пуск) называются начальными фазными углами.

Разность начальных фазных углов называется углом сдвига фаз.

α = Ψ₁ – Ψ₂

Рис. 53 Рис.54

Та переменная величина, которая за период раньше достигает нулевых и амплитудных значений, называется опережающей по фазе, та которая позже – отстающей по фазе.(рис.54)

Рис 55	Рис 56

Если переменные величины единовременно достигают нулевых и амплитудных значений, то они совпадают по фазе (Рис. 55).

Если угол сдвига фаз равен 180°, то переменные величины находятся в противофазе (Рис.56).

Действующим или эффективным значением переменного тока называется такое значение эквивалентного ему постоянного тока, при котором проходя по тому же, что и переменный ток проводнику выделяет одинаковое количество тепла.

I = I_m/√2

U = U_m/√2

E = E_m/√2

 

Тема. «СОЕДИНЕНИЕ ЗВЕЗДОЙ»

Тема. РОЛЬ НУЛЕВОГО ПРОВОДА

 

 

В НУЛЕВОЙ ПРОВОД НЕ СТАВЯТ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ, ЧТОБЫ НЕ БЫЛО ОБРЫВА.

НУЛЕВОЙ ПРОВОД НУЖЕН ДЛЯ РАВНОМЕРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ФАЗАМ.

 

	При обрыве нулевого провода произойдет перекос фаз, т.е. перераспределение напряжения: там где больше сопротивление будет больше напряжение и, наоборот, чем меньше сопротивление - меньше напряжение.
АВАРИЙНЫЕ СИТУАЦИИ
	При обрыве нулевого провода и коротком замыкании в фазе А: напряжение в фазе А упадет до нуля, а фазы В и С окажутся соединенными параллельно и каждая под линейное напряжение, т. е. Напряжение в фазах В и С увеличится в √3
	При обрыве нулевого провода и обрыве линейного провода А тока и напряжения в фазе А – нет, а фазы В и С окажутся соединенными последовательно под линейное напряжение.

 

 

АКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ

РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ

ПОЛНАЯ МОЩНОСТЬ

Полная мощность одной фазы

Устройство трансформаторов

Трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и двух обмоток.

Сердечник (магнитопровод) выполняет две функции:

- служит основой для установки и крепления обмоток, отводов, переключателей;

- является магнитной цепью, т.е. предназначен для проведения и усиления магнитного потока.

Для уменьшения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи магнитопроводы трансформаторов собирают из тонких пластин электротехнической стали толщиной 0,35 мм – 0,5 мм в зависимости от типа и мощности трансформатора. Изоляцией между пластинами служит обычно пленка окиси (окалина), которая образуется при изготовлении электротехнической стали на заводе при отжиге.

Типы сердечников

Тип сердечника дает название трансформатору

 

 

стержневые	броневые	тороидальные
Пластинчатый стержневой Ленточный стержневой Магнитопровод имеет два стержня, на которых помещены его обмотки. Обмотки обхватывают стержень. Достоинство: простота изоляции, проще ремонт, лучшие условия охлаждения. Силовые трансформаторы – стержневые	Пластинчатый броневой ленточный Магнитопровод имеет один стержень, на который полностью помещены обмотки трансформатора. Стержень с двух сторон охватывается (бронируется) ярмом так, что обмотка частично защищена магнитопроводом от механических повреждений. Трансформаторы специального назначения и малой мощности.	Ленточный коль цевой   тороидальный

 

Для облегчения намотки толстого медного провода и уменьшения расхода провода сечения стержней силовых трансформаторов выполняют по возможности более круглыми

 

В трансформаторах малой мощности поперечное сечение магнитопровода имеет прямоугольную форму и обмоткам придают форму прямоугольных катушек.

 

Обмотки

 

В каждом трансформаторе различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН). Практическое значение такого деления состоит в том, что более высокое напряжение требует более надежной электрической изоляции обмотки, ее входных зажимов.

В целях улучшения магнитной связи меж обмотками их помещают на стальной магнитопровод. Обмотки изолируют как друг от друга, так и от магнитопровода.

Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах из круглого медного изолированного провода, а при больших токах - из медных шин прямоугольного сечения

Ближе к магнитопроводу располагают обмотку низшего напряжения, так как ее легче изо­лировать от него, чем обмотку высшего напряжения.

Обмотку низшего напряжения изолируют от стержня прослойкой из какого-либо изолировочного материала. Таковую же изолирующую прокладку помещают меж обмотками высшего и низшего напряжения.

Расположение обмоток на магнитопроводе показано на рисунке 5.

Охлаждение трансформаторов

Трансформаторы большой мощности устраивают с масляным охлаждением, для чего помещают их в металлические баки, наполненные минеральным маслом.
Наиболее широко распространено естественное охлаждение стенок бака трансформатора. Для увеличения охлаждающей поверхности в стенки баков вваривают стальные трубы или радиаторы.
Масло в баке трансформатора в процессе эксплуатации соприкасается с окружающим воздухом и подвергается окислению, увлажнению и загрязнению, вследствие чего уменьшается его электрическая прочность.

1.Обмотка ВН 2.Обмотка НН 3. Переключатель регулировочных отводов обмотки ВН 4. Балка, прессующая ярмо 5. Шихтованный магнитопровод 6. Отводы ВН 7. Отводы НН 8. Патрубок для присоединения вакуумного насоса 9.Кольцо для подъема выемной части 10. Кран для заливки масла 11. Ввод (изолятор ВН) 12. Ввод (изолятор НН) 13. Привод переключателя 14. Выхлопная труба 15. Газовое реле 16. Расширитель 17. Трубчатый бак 18. Кран для спуска масла 19. Транспортный ролик 20. Вертикальная шпилька для стягивания прессующих балок ярем 21. Упорный угольник на дне бака

 

 

Устройство выемной части стержневого трехфазного трансформатора

1. Расширитель 2. Низковольтные вводы 3. Высоковольтные вводы 4. Переключатель 5. Кран для заливки масла

 

 

ВВОДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Вводы трансформаторов служат для того, чтобы соединять обмотки, как с питающей сетью, так и с потребителями энергии.

Для внутренней установки	Для наружной установки	Маслонаполненные для напряжения 110 кВ	При больших токах

РАСШИРИТЕЛЬ И ВЫХЛОПНАЯ ТРУБА

1. Указатель для уровня масла 2. Труба для свободного обмена воздуха 3. Пробка для заливки масла 4. Грязеотстойник 5. Газовое реле 6. Кран для отсоединения расширителя

При нагревании масла во время работы трансформатора оно начинает

расширяться, и поступает в расширитель, который представляет собой

небольшой бак, до половины заполненный маслом. Расширитель устанавливается сверху кожуха трансформатора и соединяется с ним короткой трубой. Объем расширителя составляет 10% от объема бака.

В случае значительной перегрузки или при коротких замыканиях в витках

обмоток температура масла повышается сверх допустимых пределов и масло

разлагается с выделением газов. Генерируемый газ быстро повышает давление

в баке, вследствие чего он может деформироваться или даже разорваться.

Поэтому на баке устанавливается выхлопная труба, закрытая стеклянной

мембраной толщиной 3-5 мм. Газы выдавливают мембрану и выходят наружу.

 

принцип действия

Трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и двух обмоток (первичной и вторичной).

Напряжения первичной и вторичной обмоток, как правило, неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим, если больше вторичного - понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

Зажимы первичной обмотки w₁ присоединяются к сети, к зажимам вторичной обмотки w₂ присоединяется потребитель.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимоиндукции.

Если первичную обмотку трансформатора включить к источнику переменного тока, то по ней будет проходить переменный ток, который создаст в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток. Магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки трансформатора, создает в этой обмотке эдс взаимоиндукции. Под дей­ствием этой эдс по вторичной обмотке и через приемник энергии будет протекать ток. Таким образом, электрическая энергия, трансформи­руясь, передается из первичной цепи во вторичную, но при другом напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вторичную цепь.

Режимы работы трансформаторов

 

1. Режим нагрузки трансформатора

 

В режиме нагрузки выключатели В1 и В2 замкнуты, первичная обмотка трансформатора включена в сеть под напряжение (обычно U₁ = U_1н), а в цепи вторичной обмотки – нагрузка Z_н. В обеих обмотках имеются токи (I₁- первичный, I₂ – вторичный), которые будем считать по значению близкими к номинальному.

После включения вторичной обмотки на внешнюю цепь трансформатор переходит из режима холостого хода в режим нагрузки. Физические процессы, которые происходят в транс­форматоре при этом режиме, заключаются в следующем.

С момента включения рубильника в цепи вторичной об­мотки появляется ток нагрузки I₂, который создает в транс­форматоре свой магнитный поток. Большая часть Ф₂ этого потока замыкается по сердечнику трансформатора, а меньшая часть Ф_р2 — по воздуху вокруг витков вторичной обмотки и составляет магнитный поток рассеяния.

Являясь индуктированным током, ток вторичной обмотки по закону Ленца противодействует причине его вызывающей, поэтому ослабляет в сердечнике рабочий магнитный по­ток трансформатора Фо своим магнитным потоком Ф₂ из-за противоположного его направления.

Однако стоит только уменьшиться рабочему магнитному потоку, как это вызовет уменьшение противоэлектродвижущей силы, т.е. электродвижущей силы самоиндукции Е₁ в первичной обмотке, вследствие чего ток, поступающий в эту обмотку увеличится.

Ток в первичной обмотке увеличивается настолько по срав­нению с током холостого хода, что создаваемый им дополни­тельный магнитный поток Ф₁ полностью компенсирует собой поток вторичной обмотки Ф₂, поэтому рабочий магнитный по­ток в сердечнике остается почти без изменения (незначи­тельно уменьшается).

С уменьшением тока во вторичной обмотке происходит об­ратная картина: магнитный поток вторичной обмотки Ф₂ уменьшается, противоэлектродвижущая сила Е₁ увеличивается и этим уменьшает ток I₁, потребляемый первичной обмоткой.

Таким образом, в трансформаторе автоматически изме­няется величина тока, поступающего в первичную обмотку от источника тока, в соответствии с изменением нагрузки, т. е. тока, который потребляется внешней цепью из вторичной об­мотки.

Таким образом, магнитный поток в трансформаторе остается практически постоянным как в режиме холостого хода, так и в режиме переменной нагрузки. Это свойство трансформатора называют способностью саморегулирования, т.е. способностью автоматически регулировать значение первичного тока I₁ при изменении тока нагрузки I₂.

Вторичная обмотка является источником тока при работе трансформатора под нагрузкой, поэтому подчиняется уравне­нию генераторного режима

Е₂=U₂ + I₂∙Z₂

где U₂— напряжение на зажимах обмотки;

I₂∙Z₂ —полное внутреннее падение напряжения в обмотке.

Зависимость вторичного напряжения U₂ от тока нагрузки I₂ при номинальном первичном напряжении U₁ = U_1н = const, при постоянном коэффициенте мощности приемника cosφ_н= const, f=const назывется внешней характеристикой трансформатора. Внешняя характеристика трансформатора представлена на рис. 9.

При изменении нагрузки трансформатора напряжение U₂ на зажимах его вторичной обмотки колеблется. Отклонение величины U₂ от напряжения холостого хода U_{2 о} определяется процентным изменением напряжения:

ΔU% =[ (U_{2 о} - U₂ )/ U_{2 о}] ∙ 100%

При колебаниях нагрузки в преде­лах 0<β<1 напряжение на выходе трансформатора изменяется лишь на несколько процентов, что обеспечивает достаточную стабильность напряже­ния у приемников энергии, где β- коэффициент нагрузки

β = I₂/ I_2н ≈I₁/ I_1н

2. Режим холостого хода

В режиме холостого хода трансформатора первичная обмотка включена в сеть под номинальное напряжение U_1н (выключатель В1 замкнут), а вторичная обмотка разомкнута выключателем В2 (I₂ =0). Опытом холостого хода называется испытание трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном первичном напряжении U_1х = U_1н. На основании этого опыта по показаниям измерительных приборов определяют коэффициент трансформации и мощность потерь в магнитопроводе трансформатора. Опыт холостого хода является одним из двух обязательных контрольных опытов при заводском испытании готового трансформатора.

 

При номинальном первичном напряжении (U_1х =U_1н) ток холостого хода I_1х составляет 3 — 10% номинального первичного тока I_1н (тем меньше, чем больше номинальная полная мощность трансформатора), т.е. U_1х ≈Е_1х. Кроме того, при разомкнутой цепи вторичной обмотки всегда U_2х = Е_2х. Поэтому, измерив вольтметром и первичное U_1х, и вторичное U_2х напряжения в режиме холостого хода, определяют коэффициент трансформации:

К= w₁/w₂=Е_1х/Е_2х = U_1х/ U_2х

Если коэффициент трансформации больше единицы К>1, то трансформатор понижающий, если К<1, то трансформатор понижающий.

 

 

 

3. Режим короткого замыкания трансформатора

Следует различать режим короткого замыкания в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания. Первый представляет собой аварийный режим трансформатора, так как трансформатор сильно нагревается и перегрев может вызвать его разрушение.

В режиме короткого замыкания трансформатора первичная обмотка включена под некоторое на­пряжение U_1, а вторичная обмотка замкнута на себя (U₂= 0).

В этом режиме выключатель В₂ замкнут, а дви­жок нагрузочного элемента находится в крайнем левом положе­нии (Z_н= 0).

Испытательное короткое замыкание трансформатора, в отли­чие отаварийного, проводят преднамеренно, причем первичное напряжение снижают до величины U₁= U_к, при котором в обеих обмотках устанавливаются токи, равные номинальным токам данного трансформатора.

Напряжение U_к на первичной обмотке, при котором токи короткозамкнутого трансформатора имеют номинальные значения, называют номинальным напряжением короткого замыкания.

Учитывая, что U_к обычно составляет всего 5 – 15% от U_н, поток взаимоиндукции сердечника трансформатора при опыте короткого замыкания в десятки раз меньше, чем в номинальном режиме, и сталь трансформатора ненасыщена. Поэтому потерями в стали пренебрегают и считают, что вся подводимая к первичной обмотке мощность P_к расходуется на нагревание проводников обмоток.

Мощность потерь короткого замыкания P_к, т.е. мощность потерь в обмотках

P_к = P_э =I²_1ном ∙R₁ + I²_2ном ∙R₂

 

При проведении опыта короткого замыкания определяют ряд характеристик трансформатора, в том числе напряжение корот­кого замыкания

U_к % = 100 U_к /U_1ном,

 

Электрический ток. Сила тока. Сопротивление.