Основы электротехники. Постоянный ток

Ход урока.

 

1. При помощи учебника самостоятельно законспектировать тему.

2. При конспектировании можно использовать литературу - «Основы электротехники», П.А.Бутырин.

 

Тема урока.

Основы электротехники. Постоянный ток

 

Всем доброго времени суток! По существу всё учение об электричестве основано на взаимодействии зарядов, то есть, по сути, на законе Кулона, Однако он в основном применяется к статическим зарядам, нас же интересует больше перемещение, накопление и хранение электрических зарядов, по этому в данной статье я рассмотрю перемещение зарядов по проводникам.

 

Что такое электрический ток?

Все электрические явления, прежде всего, связаны с перемещением или накоплением электрических зарядов. Если создать в проводнике электрическое поле, то, как известно из предыдущей статьи, электроны начнут упорядоченно двигаться по направлению напряжённости поля, то есть отрицательно заряженные электроны будут двигаться в положительном направлении. Такое упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током. Чтобы количественно охарактеризовать электрический ток ввели понятие силы электрического тока или просто силы тока, которая равна величине заряда Q, который переносится через поперечное сечение проводника за единицу времени t. Сила тока имеет разрядность Ампер (А) и обозначается буквой I или i.

Направление силы тока считается противоположным направлению движения заряженных частиц (электронов), то есть от положительно заряженного к отрицательно заряженному телу.

Движение электронов в проводнике и условное направление тока в нем.

Что такое ЭДС и напряжение?

С силой тока всё понятно. Теперь зададимся вопросом, а почему электроны начинают двигаться в одном направлении и возникает электрический ток? Ответ на этот вопрос очевиден: электроны движутся от места, где их переизбыток туда, где имеется недостаток электронов. Если не принят никаких мер для поддержания в отрицательно заряженном теле избытка электронов, то ток очень быстро прекратится.

Для поддержания электрического тока необходимо изымать электроны из положительно заряженного места и передавать их в отрицательно заряженное место, то есть осуществлять круговорот электронов, чтобы они двигались как бы по замкнутому кругу. Для осуществления такого круговорота электронов и поддержания тока необходимо воздействие сторонних сил действующих на проводник.

Сторонние силы имеют различную природу: химическую, тепловую, механическую, электромагнитную, но не зависимо от того каким образом возникает такая стороння сила она характеризуется электродвижущей силой (ЭДС, которая обозначается Е и измеряется в вольтах В). Величина ЭДС Е равна роботе А (измеряется в джоулях Дж), которую выполняют сторонние силы по перемещению электрического заряда Q и может быть вычисленная по следующему выражению

Таким образом, ЭДС показывает, какую работу необходимо выполнить для перемещения заряда.

Кроме сторонних сил на заряженные частицы действуют силы электростатического поля (кулоновские силы), которые также совершают некоторую работу. Для количественной характеристики суммарной работы электростатических и сторонних сил при перемещении электрического заряда ввели понятие падение напряжения или просто напряжение (обозначается U), которое вычисляется по следующему выражению

Но сторонние силы не всегда действуют на электрический заряд, чаще всего работу над зарядом совершают только силы электростатического взаимодействия, поэтому величина напряжения совпадает с величиной разности потенциалов электростатического поля

Закон Джоуля – Ленца

Ещё один закон связан с работой электрического тока, и отвечает он на вопрос «Какая именно работа выполняется током?». Как известно если проводник, по которому течёт ток, не движется, а ток постоянный, то работа полностью расходуется на нагревание проводника. Следовательно, количество теплоты, выделяемое проводником, равно работе электрического тока. Данное соответствие называется законом Джоуля-Ленца и выражается он следующим выражением

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.

Магнитная цепь

 

Магнитной цепью называется устройство, отдельные участки которого выполнены из ферромагнитных материалов, по которым замыкается магнитный поток. Примерами простейших цепей могут служить магнитопроводы кольцевой катушки и электромагнита, изображенного на рис. 6.11, а. Электрические машины и трансформаторы, электромагнитные аппараты и приборы имеют обычно магнитные цепи более сложной формы.

Рис. 6.11 Магнитные цепи (а — неразветвленная, б — разветвленная)

Если магнитная цепь выполнена из одного и того же материала и имеет по всей длине одинаковое сечение, то цепь называется однородной.

Если же отдельные участки цепи изготовлены из различных ферромагнитных материалов и имеют различные длины и сечения, то цепь — неоднородная.

Магнитные цепи, так же как и электрические, бывают разветвленные (рис. 6.11,6) и неразветвленные (рис. 6.11,а).

В неразветвленных цепях магнитный поток Ф во всех сечениях имеет одно и то же значение.

Разветвленные цепи могут быть симметричными и несимметричными. Цепь, представленная на рис. 6.11,6, считается симметричной, если правая и левая части ее имеют одинаковые размеры, выполнены из одного и того же материала и если МДС I₁W₁ и I₂W₂ одинаковы. При невыполнении хотя бы одного из указанных условий цепь будет несимметричной.

Разобьем неразветвленную магнитную цепь, например, на рис 6.11, а на ряд однородных участков, каждый из которых выполнен из определенного материала и имеет одинаковое поперечное сечение S вдоль всей своей длины. Длину каждого участка L будем считать равной длине средней магнитной линии в пределах этого участка. Из сказанного выше следует, что магнитные потоки всех участков неразветвленной цепи равны, т. е.

Ф₁=Ф₂=Ф₃=…=Ф_n,

и поле на каждом участке можно считать однородным, т. е. Ф= BS; поэтому

B₁S₁=B₂S₂=B₃S3=…=B_nS_n

Где n — число участков цепи. Магнитное напряжение на любом из участков магнитной цепи

Где H — Напряженность, (измеряется в ампер на метр А/М).

B — Магнитная индукция (измеряется в теслах Тл).

L — Длинна средне силовой линии проходящей через центр поперечного сечения магнитопровода.

S — площадь поперечного сечения магнитопровода.

— Магнитная постоянная.

μ_r — Магнитная проницаемость ферромагнетиков.

При заданном направлении тока в обмотке направление потока и МДС IW определяется по правилу буравчика.

Таблица 1. Основные законы магнитной цепи

Наименование закона	Аналитическое выражение закона	Формулировка закона
Закон (принцип) непрерывности магнитного потока		Поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю
Закон полного тока		Циркуляция вектора напряженности вдоль произвольного контура равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром

При анализе магнитных цепей и, в первую очередь, при их синтезе обычно используют следующие допущения:

- магнитная напряженность, соответственно магнитная индукция, во всех точках поперечного сечения магнитопровода одинакова

- потоки рассеяния отсутствуют (магнитный поток через любое сечение неразветвленной части магнитопровода одинаков);

 

- сечение воздушного зазора равно сечению прилегающих участков магнитопровода.

Это позволяет использовать при расчетах законы Кирхгофа и Ома для магнитных цепей, вытекающие из законов, сформулированных в табл. 1.

Таблица 2. Законы Кирхгофа и Ома для магнитных цепей

Наим. закона	Аналитическое выражение закона	Формулировка закона
Первый закон Кирхгофа		Алгебраическая сумма магнитных потоков в узле магнитопровода равна нулю
Второй закон Кирхгофа		Алгебраическая сумма падений магнитного напряжения вдоль замкнутого контура равна алгебраической сумме МДС, действующих в контуре
Закон Ома	где	Падение магнитного напряжения на участке магнитопровода длиной равно произведению магнитного потока и магнитного сопротивления участка

Сформулированные законы и понятия магнитных цепей позволяют провести формальную аналогию между основными величинами и законами, соответствующими электрическим и магнитным цепям, которую иллюстрирует табл.

Электрическая цепь	Магнитная цепь
Ток	Поток
ЭДС	МДС (НС)
Электрическое сопротивление	Магнитное сопротивление
Электрическое напряжение	Магнитное напряжение
Первый закон Кирхгофа:	Первый закон Кирхгофа:
Второй закон Кирхгофа:	Второй закон Кирхгофа:
Закон Ома:	Закон Ома:

 

Магнитные цепи Общие сведения. Магнитное поле характеризуется двумя основными векторными величинами: индукцией В и напряженностью Н. Между ними существует следующая связь: В = |ЛоротнН, где ро — магнитная проницаемость вакуума; ротн — относительная магнитная проницаемость. В дальнейшем векторные величины напряженности и индукции будем обозначать прописными буквами В и Н, а мгновенные — строчными буквами b и h. Величина р отн используется для оценки магнитных свойств веществ. По магнитным свойствам все вещества (материалы) делятся на две группы: => неферромагнитные вещества, для которых рохн ~ 1; => ферромагнитные вещества, магнитная проницаемость которых роп,» 1. Магнитные свойства вещества объясняются с помощью вектора намагниченности, обусловленного его кристаллической структурой и наличием внутренних упругих напряжений. В обычных условиях векторы намагниченности направлены в разные стороны и магнитные свойства не проявляются. Если вещество поместить во внешнее магнитное поле, то векторы намагниченности, ориентируясь вдоль поля, увеличивают индукцию вещества в десятки и сотни тысяч раз. Для характеристики свойств ферромагнитных веществ (или материалов) используют зависимость мгновенных значений индукции b от напряженности h магнитного поля, снятую при периодическом воздействии. Зависимость b = F(h) называется кривой намагничивания и имеет форму гистерезисной петли (рис. 1), что свидетельствует о наличии потерь. Ферромагнитные материалы разделяются на две группы: 82 => магнитно-мягкие материалы (железо, стали и их сплавы, ферриты и др.), кривая намагничивания которых (рис. 1,я и б) имеет ярко выраженный нелинейный харакгер и сравнительно малую площадь гистерезисной петли. Они находят широкое применение в различных электротехнических и электронных устройствах; Рис. 1. Гистерезисные петли магнитно-мягких (а) и магнитно-жестких (б) материалов => магнитно-жесткие материалы (углеродистые стали; вольфрамовые, платинокобальтовые сплавы и др.), кривая намагничивания которых (рис. 1, Особенности магнитных цепей. Магнитной цепью называют конструкцию на основе ферромагнитного материала, предназначенную для создания магнитных полей заданной конфигурации и интенсивности. Примером простейших магнитных цепей являются кольцевые (тороидальные) и трсхстержнсвые магнитопроводы (рис. 2, а, б). Магнитная цепь, используемая в измерительных приборах, приведена на рис. 2, в. Она состоит из постоянного магнита и подвижной катушки, расположенной на ферромагнитном цилиндре. При протекании через катушку постоянного тока создается вращающий момент, что вызывает поворот цилиндра на определенный угол. Более сложную магнитную цепь имеют генераторы и электродвигатели. По топологическому признаку различают неразветвленные (рис. 2 9а) и разветвленные (рис. 2,6) магнитные цепи. Магнитное поле создается (возбуждается) катушкой с током (рис. 2, а, б) или постоянным магнитом (рис. 2, в). Если через провод пропустить постоянный ток, то вокруг него создается постоянное магнитное поле, которое можно представить в виде непрерывных магнитных линий вектора индукции В. Совокупность линий 83 образует магнитный поток Ф. Если провол разместить на магнитопроводе в виде обмотки (катушки), то основной поток, создаваемый каждым ее витком, будет циркулировать по магнитопроводу. Результирующий поток, создаваемый всеми витками w обмотки, называется потокосцеплени- w ем, при этом ц/ = — Li, где L — индуктивность катушки; / — иро- *=i текающий через нее ток; Ф* = BS; S — площадь сечения магнитопровода. Рис. 2. Простейшие магнитные цепи: в виде тороидального (а) и трсхстсржнсвого (б) магнитопровода; цепь из постоянного магнита и подвижной катушки, расположенной на ферромагнитном цилиндре (в) Магнитодвижущей силой (МДС) катушки с током называют произведение числа витков на протекающий но ней ток: F = wl. Если в электрической цепи ЭДС создает ток, то в магнитной цепи МДС вызывает магнитный поток. Положительное направление МДС определяется по направлению движения часовой стрелки (правило буравчика). Закон полною тока. Этот закон устанавливает количественную связь между напряженностью магнитного поля и токами: линейный интеграл от вектора напряженности магнитного поля вдоль любого замкнутого контура равен алгебраической сумме токов, охваченных этим контуром: ^Hdl = ^1. Линейный интеграл между двумя точками а и b магнитной h цепи называют падением магнитного напряжения: = J Hdl. Если на а этом участке вектор Н совпадает по направлению с элементом пути dl и значение напряженности магнитного поля равно Н = const, то магнитное напряжение U аь ^= Н1„&, где 1 аь — длина участка. Если участок ab содержит N элементарных участков, на каждом из которых напряженность посто- N янна и равна Н„, то Uu/) = ^Н„1я, где 1п — длина w-го участка. Л«1 84 Чаконы Кирхгофа для магнитных цепей. Согласно первому закону алгебраическая сумма потоков в узле равна нулю: = 0. По второму за- к кону алгебраическая сумма падений магнитного напряжения вдоль замкнутого контура равна алгебраической сумме МДС: к =0. Вто- к к рой закон по своей сути является частным случаем закона полного тока. Перед составлением уравнений для магнитной цепи выбираются положительные направления потоков и обхода контуров. Если направления магнитного потока и МДС совпадают с направлением обхода, указанные величины входят в уравнение со знаком плюс, в противном случае — указывается знак минус. Цель анализа — определение магнитного потока или МДС магнитной цени. Таким образом, если для электрических цепей основными величинами являются ток и напряжения, то для магнитных цепей таковыми служат магнитный поток и магнитодвижущая сила (МДС).

 

 

3. Законспектировать в тетради.

 

Ход урока.

 

1. При помощи учебника самостоятельно законспектировать тему.

2. При конспектировании можно использовать литературу - «Основы электротехники», П.А.Бутырин.

 

Тема урока.

Основы электротехники. Постоянный ток

 

Всем доброго времени суток! По существу всё учение об электричестве основано на взаимодействии зарядов, то есть, по сути, на законе Кулона, Однако он в основном применяется к статическим зарядам, нас же интересует больше перемещение, накопление и хранение электрических зарядов, по этому в данной статье я рассмотрю перемещение зарядов по проводникам.