Использование электроэнергии

Электротехника.

 

Тема 1. Электрический ток.

Электрический ток - направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).

Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. - Анион (положительный ион).

Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. - Катион (отрицательный ион).

Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.

В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.

В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест - дырок.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов.

       Электрический ток может быть постоянным или переменным.

Постоянный ток - электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.

 

Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току. Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.

Закон Ома определяет величину электрического тока I в проводнике соотношением напряжения U к сопротивлении R - U/R, исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:

        Закон Ома  I = U/R определяется так: Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению  и обратно пропорциональна сопротивлению.

Действие электрического тока. Мы не можем видеть движущиеся в металлическом проводнике электроны. О наличии электрического тока в цепи мы можем судить лишь по различным явлениям, которые вызывает эл. ток. Это тепловое действие, химическое действие, магнитное действие. Такие явления называют действиями тока. Некоторые из этих действий легко наблюдать на опыте.

Тепловое действие тока можно наблюдать, например, присоединив к полюсам источника тока железную или никелиновую проволоку. Проволока нагревается и, удлинившись поэтому, слегка провисает. Её даже можно раскалить докрасна. В электрических лампах, например, тонкая вольфрамовая проволочка накаливается током до яркого свечения.

Химическое действие тока состоит в том, что в некоторых растворах кислот (солей, щелочей) при прохождении через них электрического тока наблюдается выделение веществ, содержащихся в растворе, которые откладываются на электродах, опущенных в этот раствор. Например, при пропускании тока через раствор медного купороса (CuSO4) на отрицательно заряженном электроде выделится чистая медь (Cu). Этим пользуются для получения чистых металлов.

Магнитное действие тока также можно наблюдать на опыте. Для этого медный провод, покрытый изоляционным материалом, нужно намотать на железный гвоздь, а концы провода соединить с источником тока. Когда цепь замкнута, гвоздь становится магнитом (намагничивается) и притягивает небольшие железные предметы: гвоздики, железные стружки, опилки. С исчезновением тока в обмотке (при размыкании цепи) гвоздь размагничивается.

Рассмотрим теперь взаимодействие между проводником с током и магнитом. Возьмем висящую на нитях небольшую рамочку, на которую навито несколько витков тонкой медной проволоки. Концы обмотки присоединим к полюсам источника тока. Следовательно, в обмотке появился  эл. ток, но рамка висит неподвижно. Если эту рамку поместить теперь между полюсами магнита, то она станет поворачиваться.

Явление взаимодействия катушки с током и магнита используют в устройстве приборов, измеряющих электрические величины. Стрелка прибора связана с подвижной катушкой, находящейся в магнитном поле. Когда в катушке существует электрический ток, стрелка отклоняется. Таким образом, можно судить о наличии тока в цепи.                Следует заметить, что из всех рассмотренных нами действий электрического тока магнитное действие наблюдается всегда, какой бы проводник ни был: твердый, жидкий или газообразный.

Тема 2. Электрические цепи.

Постоянный ток широко используется во многих отраслях техники. Его применяют в устройствах связи, приборах, электрооборудовании мобильных агрегатов и др.

Совокупность источников, приемников электрической энергии и соединяющих их проводов называют электрической цепью.

Источниками электрической энергии служат устройства, в которых происходит преобразование различных видов энергии в электрическую. По виду преобразуемой энергии источники электрической энергии могут быть разделены на химические и физические.    Химическими источниками электрической энергии принято называть устройства, вырабатывающие энергию за счет окислительно-восстановительного процесса между химическими реагентами. К химическим источникам относятся первичные (гальванические элементы и батареи), вторичные (аккумуляторы и аккумуляторные батареи) и резервные (при хранении электролит никогда гальванически не связан с электродами), а также электрохимические генераторы (топливные элементы).

Физическими источниками электрической энергии называют устройства, преобразующие энергию механическую, тепловую, электромагнитную, световую энергию, энергию радиационного излучения, ядерного распада в электрическую. К физическим источникам относятся электромашинные генераторы (турбо-, гидро- и дизель-генераторы), термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, МГД-генераторы, а также генераторы, преобразующие энергию солнечного излучения и атомного распада.

Приемники электрической энергии (электродвигатели, электрические печи, нагревательные приборы, лампы накаливания, резисторы и др.) преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии.

В электрической цепи источники и приемники соединяют проводами, которые обеспечивают передачу электрической энергии от источников к приемникам.

Электрические цепи содержат:

а) коммутационную аппаратуру для включения и отключения электрического оборудования и устройств (переключатели, выключатели и др.);

б) контрольно-измерительные приборы (амперметры, вольтметры и др.);

в) аппаратуру защиты (плавкие предохранители, автоматы и др.).

Рассмотрим простейшую электрическую цепь, состоящую из аккумулятора, фары автомобиля, выключателя, амперметра и соединительных проводов (рис.1а). Графическое изображение электрической цепи, в которой реальные элементы представлены их условными обозначениями (рис. 1б), называется электрической схемой.

Рис.1. Электрическая схема

Для упрощения изображения электрической цепи каждое электротехническое устройство заменяют (по ГОСТ) его условным обозначением.

На рис. 2 приведены условные обозначения источников и приемников постоянного тока: гальванического элемента (аккумулятора) (рис. 2 а), генератора постоянного тока (рис. 2 б), термопары (рис. 2 в), резистора (рис. 2 г), лампы накаливания (рис. 2 д), электрической печи (рис. 2е).

 

 

Рис. 2. а, б, в, г, д, е. Условные обозначения источников и приемников переменного тока.

Условные обозначения некоторых измерительных приборов и коммутирующих устройств представлены на рис. 3: амперметра (рис. 3 а), вольтметра (рис. 3 б), выключателя (рис. 3 в), предохранителя (рис. 3 г).

 

Рис.3. Условные обозначения измерительных приборов и коммутирующих устройств

 

Электрические цепи бывают неразветвленные и разветвленные. Если во всех участках цепи ток один и тот же, она называется неразветвленной (рис. 4 а). В разветвленной цепи (рис. 4 б) в каждой ветви протекает свой ток.

Рис.4. Электрические цепи.

Геометрическая конфигурация схемы характеризуется такими понятиями, как ветвь, узел, контур. Ветвь – участок электрической цепи, вдоль которого протекает один и тот же ток. Узел – место соединения ветвей электрической цепи (не менее трех). Контур – любой замкнутый путь, образованный ветвями и узлами. Цепь, представленная на рис. 4 б имеет три ветви и два узла.

Активное сопротивление.

При прохождении тока через элементы, имеющие активное сопротивление, потери выделяющейся мощности необратимы. Примером может служить резистор, выделяющееся на нем тепло, обратно в электрическую энергию не превращается. Кроме резистора активным сопротивлением может обладать линии электропередач, соединительные провода, обмотки трансформатора или электродвигателя.

Активное сопротивление зависит от физических параметров проводника, таких как материал, площадь сечения, длина, температура.

Реактивное сопротивление.

При прохождении переменного тока через реактивные элементы возникает реактивное сопротивление. Оно обусловлено в первую очередь ёмкостями и индуктивностями.

 

Индуктивностью в цепи переменного тока обладает катушка индуктивности.

Конденсатор обладает реактивным сопротивлением благодаря своей ёмкости. Его сопротивление с увеличением частоты тока уменьшается, что позволяет его активно использовать в электронике в качестве шунта переменной составляющей тока.

Последовательное соединение

 

Последовательным называется соединение (рис. 5), когда конец одного элемента соединяется с условным началом второго, конец второго – с началом третьего и т.д.

Рис 5. Последовательное соединение

 

Для последовательного соединения характерным является общий ток.

Эквивалентное сопротивление: 𝑅э=𝑅1+𝑅2+𝑅3

Напряжение на отдельных элементах распределяется пропорционально величинам их сопротивлений: 𝑈=𝑈1+𝑈2+𝑈3

Суммарная мощность приемников: 𝑃𝑖=𝐼2𝑅𝑖=𝑈𝑖𝐼

Параллельное соединение

 

Параллельным называется такое соединение (рис. 6), при котором соединяются вместе начала приемников и, соответственно, их концы. Напряжение подается на начало и концы.

 

Рис 6. Параллельное соединение

 

При параллельном соединении элементы находятся под одним и тем же напряжением – напряжением питающей сети.

Эквивалентное сопротивление определяется из выражения: 1𝑅э=1𝑅1+1𝑅2+1𝑅3

или 𝑔э=𝑔1+𝑔2+𝑔3,

где g- проводимость элемента.

𝑔1=1𝑅1

𝑔2=1𝑅2

𝑔3=1𝑅3

Токи в ветвях распределяются обратно пропорционально сопротивлениям элементов: 𝐼=𝐼1+𝐼2+𝐼3

𝐼1=𝑈𝑅1=𝑔1𝑈

𝑃=𝑃1+𝑃2+𝑃3

Смешанное соединение

 

Смешанным называется такое соединение (рис. 7), при котором имеют место и последовательное, и параллельное соединение элементов.

 

Рис 7. Смешанное соединение элементов

Для схемы 2.3 справедливы отношения:

𝑈2=𝑈3=𝑈23, 𝑈=𝑈1=𝑈23,

𝐼1=𝐼2+𝐼3, 𝐼1=𝑈1𝑅1=𝑈𝑅э,

𝐼2=𝑈23𝑅2, 𝐼3=𝑈23𝑅3,

𝑅э=𝑅1+𝑅23=𝑅1+𝑅2𝑅3𝑅2+𝑅3

𝑃=𝑃1+𝑃2+𝑃3

 

Общие сведения

Электрические измерительные приборы служат для измерения различных электрических величин: силы тока, напряжения, сопро­тивления, мощности, энергии, а также многих неэлектрических ве­личин, в том числе температуры, давления, влажности, скорости, уровня жидкости, толщины материала и др.

Электроизмерительные приборы классифицируются по роду из­меряемой величины, принципу действия, степени точности и роду измеряемого тока, кроме того, они делятся на эксплуатационные группы.

По роду измеряемой величины приборы делятся на амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры, счетчики, электротермометры, электротахометры (измеряющие число оборотов в минуту) и др.

По принципу действия измерительного механизма приборы мо­гут быть следующих систем: электромагнитной, магнитоэлектриче­ской, электродинамической, ферродинамической, индукционной, выпрямительной, термоэлектрической, электронной, вибрационной и электростатической.

В зависимости от рода тока, для измерения которого предназна­чены приборы, они делятся на приборы, измеряющие переменный ток, постоянный ток, и приборы, измеряющие переменный и посто­янный токи.

Выпускают приборы трех основных эксплуатационных групп: А, Б и В.

Условные обозначения электроизмерительных приборов разных эксплуатационных групп приведены в табл. 5.

 

 

 

Измерение силы тока.

Для измерения силы тока в электрических цепях служат ампер­метры, миллиамперметры и микроамперметры различных систем. Их включают в цепь последовательно, и через прибор проходит весь ток, протекающий в цепи.

 

   

Измерение напряжения.

Для измерения напряжения служат вольтметры, милливольт­метры и микровольтметры различных систем.

 

Измерение сопротивлений

Мегомметр

По правилам эксплуатации электрических установок низкого напряжения сопротивление изоляции участка цепи должно быть не ниже 1000 ом на каждый вольт рабочего напряжения. Например, при напряжении 127 в сопротивление изоляции провода должно быть 127x1000=127 000 ом =127 ком.

Для измерения сопротивления изоляции электрических цепей, обмоток электрических машин и электроустановок служат мегометры (приборы, измеряющие миллионы Ом) —переносные прибо­ры магнитоэлектрической системы.

 

 

Электротехника.

 

Тема 1. Электрический ток.

Электрический ток - направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).

Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. - Анион (положительный ион).

Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. - Катион (отрицательный ион).

Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.

В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.

В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест - дырок.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов.

       Электрический ток может быть постоянным или переменным.

Постоянный ток - электрический ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Переменный ток — электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.

 

Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току. Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.

Закон Ома определяет величину электрического тока I в проводнике соотношением напряжения U к сопротивлении R - U/R, исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R:

        Закон Ома  I = U/R определяется так: Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению  и обратно пропорциональна сопротивлению.

Действие электрического тока. Мы не можем видеть движущиеся в металлическом проводнике электроны. О наличии электрического тока в цепи мы можем судить лишь по различным явлениям, которые вызывает эл. ток. Это тепловое действие, химическое действие, магнитное действие. Такие явления называют действиями тока. Некоторые из этих действий легко наблюдать на опыте.

Тепловое действие тока можно наблюдать, например, присоединив к полюсам источника тока железную или никелиновую проволоку. Проволока нагревается и, удлинившись поэтому, слегка провисает. Её даже можно раскалить докрасна. В электрических лампах, например, тонкая вольфрамовая проволочка накаливается током до яркого свечения.

Химическое действие тока состоит в том, что в некоторых растворах кислот (солей, щелочей) при прохождении через них электрического тока наблюдается выделение веществ, содержащихся в растворе, которые откладываются на электродах, опущенных в этот раствор. Например, при пропускании тока через раствор медного купороса (CuSO4) на отрицательно заряженном электроде выделится чистая медь (Cu). Этим пользуются для получения чистых металлов.

Магнитное действие тока также можно наблюдать на опыте. Для этого медный провод, покрытый изоляционным материалом, нужно намотать на железный гвоздь, а концы провода соединить с источником тока. Когда цепь замкнута, гвоздь становится магнитом (намагничивается) и притягивает небольшие железные предметы: гвоздики, железные стружки, опилки. С исчезновением тока в обмотке (при размыкании цепи) гвоздь размагничивается.

Рассмотрим теперь взаимодействие между проводником с током и магнитом. Возьмем висящую на нитях небольшую рамочку, на которую навито несколько витков тонкой медной проволоки. Концы обмотки присоединим к полюсам источника тока. Следовательно, в обмотке появился  эл. ток, но рамка висит неподвижно. Если эту рамку поместить теперь между полюсами магнита, то она станет поворачиваться.

Явление взаимодействия катушки с током и магнита используют в устройстве приборов, измеряющих электрические величины. Стрелка прибора связана с подвижной катушкой, находящейся в магнитном поле. Когда в катушке существует электрический ток, стрелка отклоняется. Таким образом, можно судить о наличии тока в цепи.                Следует заметить, что из всех рассмотренных нами действий электрического тока магнитное действие наблюдается всегда, какой бы проводник ни был: твердый, жидкий или газообразный.

Использование электроэнергии

Электрическая энергия используется почти повсеместно. Конечно, большая часть производимой электроэнергии приходится на промышленность. Помимо этого, крупным потребителем будет являться транспорт.

Многие железнодорожные линии уже давно перешли на электрическую тягу. Освещение жилищ, улиц городов, производственные и бытовые нужды сел и деревень - все это тоже является крупным потребителем электроэнергии.

Огромная часть получаемой электроэнергии превращается в механическую энергию. Все механизмы, используемые в промышленности, приводятся в движение за счет электродвигателей. Потребителей электроэнергии достаточно, и находятся они повсюду.

А производится электроэнергия лишь в немногих местах. Возникает вопрос о передаче электроэнергии, причем на большие расстояния. При передаче на большие расстояния, происходит много потерь электроэнергии. Главным образом, это потери на нагрев электропроводов.

По закону Джоуля-Ленца энергия Q, расходуемая на нагрев, вычисляется по формуле:

Q = I ^{2 .} R ^. t.

То есть нагрев проводника тем выше, чем выше сила тока и его сопротивление

Так как снизить сопротивление до приемлемого уровня практически невозможно, то приходится уменьшать силу тока. Для этого повышают напряжение. Обычно на станциях стоят повышающие генераторы, а в конце линий передач стоят понижающие трансформаторы. И уже с них энергия расходится по потребителям.

Потребность в электрической энергии постоянно увеличивается. Для того чтобы соответствовать запросам на увеличение потребления есть два пути:

1. Строительство новых электростанций

2. Использование передовых технологий.

 

Тема 2. Электрические цепи.

Постоянный ток широко используется во многих отраслях техники. Его применяют в устройствах связи, приборах, электрооборудовании мобильных агрегатов и др.

Совокупность источников, приемников электрической энергии и соединяющих их проводов называют электрической цепью.

Источниками электрической энергии служат устройства, в которых происходит преобразование различных видов энергии в электрическую. По виду преобразуемой энергии источники электрической энергии могут быть разделены на химические и физические.    Химическими источниками электрической энергии принято называть устройства, вырабатывающие энергию за счет окислительно-восстановительного процесса между химическими реагентами. К химическим источникам относятся первичные (гальванические элементы и батареи), вторичные (аккумуляторы и аккумуляторные батареи) и резервные (при хранении электролит никогда гальванически не связан с электродами), а также электрохимические генераторы (топливные элементы).

Физическими источниками электрической энергии называют устройства, преобразующие энергию механическую, тепловую, электромагнитную, световую энергию, энергию радиационного излучения, ядерного распада в электрическую. К физическим источникам относятся электромашинные генераторы (турбо-, гидро- и дизель-генераторы), термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, МГД-генераторы, а также генераторы, преобразующие энергию солнечного излучения и атомного распада.

Приемники электрической энергии (электродвигатели, электрические печи, нагревательные приборы, лампы накаливания, резисторы и др.) преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии.

В электрической цепи источники и приемники соединяют проводами, которые обеспечивают передачу электрической энергии от источников к приемникам.

Электрические цепи содержат:

а) коммутационную аппаратуру для включения и отключения электрического оборудования и устройств (переключатели, выключатели и др.);

б) контрольно-измерительные приборы (амперметры, вольтметры и др.);

в) аппаратуру защиты (плавкие предохранители, автоматы и др.).

Рассмотрим простейшую электрическую цепь, состоящую из аккумулятора, фары автомобиля, выключателя, амперметра и соединительных проводов (рис.1а). Графическое изображение электрической цепи, в которой реальные элементы представлены их условными обозначениями (рис. 1б), называется электрической схемой.

Рис.1. Электрическая схема

Для упрощения изображения электрической цепи каждое электротехническое устройство заменяют (по ГОСТ) его условным обозначением.

На рис. 2 приведены условные обозначения источников и приемников постоянного тока: гальванического элемента (аккумулятора) (рис. 2 а), генератора постоянного тока (рис. 2 б), термопары (рис. 2 в), резистора (рис. 2 г), лампы накаливания (рис. 2 д), электрической печи (рис. 2е).

 

 

Рис. 2. а, б, в, г, д, е. Условные обозначения источников и приемников переменного тока.

Условные обозначения некоторых измерительных приборов и коммутирующих устройств представлены на рис. 3: амперметра (рис. 3 а), вольтметра (рис. 3 б), выключателя (рис. 3 в), предохранителя (рис. 3 г).

 

Рис.3. Условные обозначения измерительных приборов и коммутирующих устройств

 

Электрические цепи бывают неразветвленные и разветвленные. Если во всех участках цепи ток один и тот же, она называется неразветвленной (рис. 4 а). В разветвленной цепи (рис. 4 б) в каждой ветви протекает свой ток.

Рис.4. Электрические цепи.

Геометрическая конфигурация схемы характеризуется такими понятиями, как ветвь, узел, контур. Ветвь – участок электрической цепи, вдоль которого протекает один и тот же ток. Узел – место соединения ветвей электрической цепи (не менее трех). Контур – любой замкнутый путь, образованный ветвями и узлами. Цепь, представленная на рис. 4 б имеет три ветви и два узла.