Кристаллическая решётка

Электрический ток. Все металлы являются проводниками электрического тока. Они состоят из пространственной кристаллической решетки, узлы которой совпадают с центрами положительных ионов. Вокруг ионов хаотически движутся свободные электроны.

В металлах электронная проводимость

Электрическим током в металлах называется упорядоченное движение свободных электронов. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Электрические заряды могут двигаться упорядоченно под действием электрического поля, поэтому условием для существования эл. тока является наличие электрического поля и свободных носителей эл.заряда .

Сила тока численно равна заряду, протекающему через данное поперечное сечение проводника в единицу времени. Ток называется постоянным, если сила тока и его направление не изменяется с течением времени.

1 ампер (А) равен силе постоянного тока, при котором через любое поперечное сечение проводника за 1 с протекает 1 Кл электричества. I = q 0 nvS Силу тока в цепи измеряют . Условное обозначение в цепи

Работа и мощность тока. Электрический ток снабжает нас энергией. Она возникает за счёт работы электрического поля по передвижению свободных зарядов в проводнике. Рассмотрим участок цепи, по которому течёт ток I. Напряжение на участке обозначим U , сопротивление участка равно R. При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время Δ t по цепи протекает заряд Δq = I Δt . Электрическое поле на выделенном участке совершает работу. ΔA = U I Δ t — эту работу называют работой электрического тока . За счёт работы на рассматриваемом участке может совершаться механическая работа; могут также протекать химические реакции. Если этого нет, то работа эл.поля приводит только к нагреванию проводника. Работа тока равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током: — закон Джоуля - Ленца

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt , за которое эта работа была совершена на данном участке : P = IU или . Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж ), мощность – в ваттах (Вт ).

Закон Ома для замкнутой цепи. Источник тока имеет ЭДС () и сопротивление (r ), которое называют внутренним . Электродвижущей силой (ЭДС) называется отношение работы сторонних сил по перемещению заряда q вдоль цепи, к значению этого заряда (1В=1Дж/1Кл ). Рассмотрим теперь замкнутую (полную) цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R . (R+r ) — полное сопротивление цепи. Закон Ома для полной цепи записывается в виде или

План работы

Различные методы измерения мощности и способы подключения приборов в цепях постоянного тока.

Анализ результатов измерений.

Основные теоретические положения

Мощность – физическая величина, равная выполняемой работе за единицу времени, что равносильно скорости изменения энергии системы. В частности, электрическая мощность – это величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую, световую и т. д.

Мощность в цепях постоянного тока определяется выражением P = UI , где U – напряжение, приложенное к нагрузке, В, I – ток, протекающий через нагрузку, А. Единицей измерения электрической мощности является ватт (Вт). Из приведенного уравнения следует, что мощность P можно определить косвенным методом, измеряя вольтметром напряжение U на нагрузке и амперметром – ток I , протекающий через нагрузку. Перемножив результаты измерений U и I , получим значение мощности.

На рис. 1 приведены две схемы включения вольтметра и амперметра. Выбор той или иной схемы обусловлен допускаемой методической погрешностью измерения. Погрешность зависит от соизмеримости внутренних сопротивлений приборов с сопротивлением нагрузки R н .

Рис. 1. Схемы включения приборов для измерения мощности

в цепи постоянного тока.

Схема рис. 1а применяется, когда сопротивление нагрузки R н много меньше сопротивления вольтметра R в ; а схема рис. 1б – когда сопротивление нагрузки R н много больше сопротивления амперметра R a . Если этими условиями пренебречь и допустить, что R н = R в для схемы рис. 1а и R н = R a для схемы рис. 1б , то относительная погрешность измерения мощности составит 100 %.

Практически удобнее измерять мощность одним прибором – ваттметром. Для определения мощности ваттметру нужна информация о токе и напряжении, и он должен уметь их перемножать. Таким прибором является электродинамический ваттметр, состоящий из подвижной катушки, расположенной внутри неподвижной катушки.

К подвижной катушке подключают напряжение нагрузки, а через неподвижную катушку пропускают ток нагрузки. Взаимодействие магнитных полей катушек заставляет подвижную катушку поворачиваться на угол, пропорциональный мощности. Направление поворота зависит от направления токов в катушках, поэтому включать его в цепь необходимо так, чтобы начала обмоток катушек были подключены в сторону источника питания (генератору). На клеммах ваттметра начала обмоток обозначены звездочкой (*U и *I ). Их называют генераторными зажимами. Если токовый генераторный зажим подключить ошибочно в сторону нагрузки, то стрелка прибора будет отклоняться влево от нулевой отметки и отсчет показаний будет невозможен. Генераторный зажим обмотки напряжения, в целях уменьшения погрешности измерения, может быть включен по схеме рис. 2а или рис. 2б .

Рис. 2. Схема включения ваттметра в цепь постоянного тока.

Схема рис. 2 а применяется, когда сопротивление нагрузки R н много больше сопротивления токовой цепи ваттметра R a ; а схема рис. 2б – когда сопротивление нагрузки R н много меньше сопротивления цепи напряжения ваттметра R в . Сопротивления цепей напряжения и тока указаны на циферблате прибора. Ваттметр сконструирован так, что практически чаще пользуются схемой рис. 2а .

Из формулы определения напряжения () легко получить выражение для расчета работы по переносу электрического заряда ; так как сила тока связана с зарядом соотношением , то работа тока: , или .

Мощность по определению , следовательно, .

Русский ученый X. Ленц и английский учены Д. Джоуль опытным путем в середине XIX в. установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля-Ленца и читается так: при прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившееся в проводнике, прямо пропорцинально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока :

Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внешние сопротивления и источник тока (рис. 17). Как один из участков цепи, источник тока обладает сопротивлением, которое называют внутренним, .

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщались дополнительная энергия, она появляется за счет работы по перемещению зарядов, которую производят силы неэлектрического происхождения (сторонние силы) против сил электрического поля. Источник тока характеризуется энергетической характеристикой, которая называется ЭДС - электродвижущая сила источника . ЭДС измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к величине этого заряда .

Пусть за время через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд . Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать так: . Согласно определению силы тока, , поэтому . При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых и , выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоуля-Ленца оно равно: . Согласно закону сохранения энергии, . Следовательно, . Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: . Эту зависимость опытным путем получил Георг Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи . При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

Довольно часто возникает необходимость измерять мощность, потребляемую из сети, или же генерируемую в сеть. Это необходимо для учета потребляемой или генерируемой энергии, а также для обеспечения нормальной работы энергосистемы (избежание перегрузок). Измерять мощность можно несколькими способами – прямым и косвенным. При прямом измерении применяют ваттметр, а при косвенном амперметр и вольтметр.

Измерение мощности в цепи постоянного тока

Из-за отсутствия реактивной и активной составляющей в цепях постоянного тока для измерения мощности ваттметр применяют очень редко. Как правило, величину потребляемой или отдаваемой энергии измеряют косвенным методом, с помощью измеряют ток I в цепи, а с помощью измеряют напряжение U нагрузки. После чего применив простую формулу P=UI и получают значение мощности.

Чтоб уменьшить из-за влияний внутренних сопротивлений устройств, приборы могут подключать по различным схемам, а именно при относительно малом сопротивлении нагрузки R применяют такую схему включения:

А при большом значении R такую схему:

Измерение мощности в однофазных цепях переменного тока

Главным отличием цепей переменного тока от сетей постоянного тока, пожалуй, заключается в том, что в переменном напряжении существует несколько мощностей – . Полную измеряют зачастую тем же косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра и значение ее равно S=UI.

Замер же активной P=UIcosφ и реактивной Q=UIsinφ производится прямым методом, с помощью ваттметра. Для измерения ваттметр в цепь подключают по следующей схеме:

Где токовую обмотку необходимо подключить последовательно с нагрузкой R н, и, соответственно, обмотку напряжения параллельно нагрузке.

Замер реактивной мощности в однофазных сетях не производится. Такие опыты зачастую ставятся только в лабораториях, где ваттметры включают по специальным схемам.

Измерение мощности в трехфазных цепях переменного тока

Как и в однофазных сетях, так же и в трехфазных полную энергию сети можно измерять косвенным методом, то есть с помощью вольтметра и амперметра по схемам показанным выше. Если нагрузка трехфазной цепи будет симметричной, то можно применить такую формулу:

U л – напряжение линейное, I- фазный ток.

Если же фазная нагрузка не симметрична, то производят суммирование мощностей каждой из фаз:

При измерении активной энергии в четырехпроводной цепи при использовании трех ваттметров, как показано ниже:

Общей энергией потребляемой из сети будет сумма показаний ваттметров:

Не меньшее распространение получил и метод измерения двумя ваттметрами (применим только для трехпроводных цепей):

Сумму их показаний можно выразить следующим выражением:

При симметричной нагрузке применима такая же формула как и для полной энергии:

Где φ – сдвиг между током и напряжением (угол фазового сдвига).

Измерение реактивной составляющей производят по той же схеме (смотри рисунок в)) и в этом случае она будет равна разности алгебраической между показателями приборов:

Если сеть не симметрична, то для измерения реактивной составляющей применяют два или три ваттметра, которые подключают по различным схемам.

Процесс измерения активной и реактивной мощности

Производят измерения активной мощности цепи переменного напряжения. Они подключаются по тем же схемам что и ваттметры. Учет реактивной энергии в однофазных потребителей в нашей стране не ведется. Ее учет производят в трехфазных цепях крупных промышленных предприятий, потребляющих большие объемы электроэнергии. Счетчики активной энергии имеют маркировку СА, реактивной СР. Также широкое применение получают электронные счетчики электроэнергии.

Работа и мощность постоянного тока

Прохождение электрического тока по проводнику сопряжено с затратой, определенного количества энергии. Мерой количества энергии, затрачиваемой в единицу времени, является мощность:

P= A/ t

где Р - мощность; А - количество затраченной энергии (работа) за время t.

По этой формуле, приведенной к виду

А = Pt

можно рассчитывать затрату энергии с целью определения стоимости эксплуатации электрооборудования.

Мощность в электрической цепи постоянного тока однозначно связана с сопротивлением этой цепи и про­ходящим по ней током:

Р = I 2 R (3-12)

где I - ток, R - сопротивление.

Произведя подстановки с помощью закона, Ома, можно также получить:

Р = UI (3-12а)
и
P=U 2 /R (3-12б)

где U - напряжение на концах цепи с сопротивлением R.

Если не вся подводимая (Рподв) к цепи мощность расходуется в ней полезно (Рпол), то говорят о коэффициенте полезного действия (КПД) цепи, источника и т. п.

h = Рпол/Рподв

Так как КПД всегда меньше единицы, то его обычно выражают в процентах

Очень важными вопросами являются режимы исполь­зования источников тока, при которых достигается максимальное значение КПД или наибольшая «отдача».

На основании закона Ома для всей цепи любой реаль­ный источник тока можно представить эквивалентным генератором (рис. 3-6, в), состоящим из последовательно соединенных генератора Е с нулевым внутренним сопро­тивлением и отдельного сопротивления Rвн. Нагружая такой генератор сопротивлением Rн, в зависимости от соотношения Rн и Rвн можно получить резко отличные режимы работы источника тока.

Если Rн >> Rвн, то полное сопротивление цепи прак­тически равно сопротивлению нагрузки. При этом изме­нение величины Rн меняет ток в цепи, но почти не сказы­вается на напряжении, которое оказывается все время весьма близким к значению ЭДС, т. е. Umax=E

Такой режим использования источника называют режимом генератора напряжения . Он является основным режимом работы батарей и аккумуляторов. В режиме генератора напряжения КПД очень близок к 100%, однако мощность, отдаваемая во внешнюю цепь, невелика, ибо от источника отбираются небольшие токи.

Если взять малые сопротивления нагрузки Rн <

I ма x = E/Rвн

Такой режим называют режимом генератора тока . Он широко используется в усилителях на пентодах, внутреннее сопротивление которых обычно во много раз превышает сопротивление нагрузки. При этом КПД источника очень мал (единицы процентов и меньше), а мощность, отбираемая от источника во внешнюю цепь, также оказывается незначительной.

Наконец, третьим режимом, широко употребляемым в схемах с транзисторами, является режим согласования , характеризующийся равенством сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению генератора (Rн =Rвн). При этом напряжение на нагрузке равно половине ЭДС (U= 0,5 Е), а ток - половине тока короткого замыка­ния (I= 0,5 Iмаx); мощность же, отбираемая внешней цепью, максимальна и равна

Р max= E 2 /(4Rвн)

При этом КПД источника составляет 50%. Максимальную мощность Рмах, которую способен отдать источник в нагрузку в режиме согласования, часто называют также располагаемой мощностью генера­тора Ррасп.

Электрический ток, проходя по проводнику, нагревает его. Чем больше ток и чем меньше при данном токе площадь сечения провода, тем сильнее нагревается провод. Чтобы нагрев приборов током не был бы очень сильным, площадь сечения проводов должна выбираться в соответствии с нагрузочным током. Нагревание прибора в значительной степени зависит и от его конструкции: чем лучше условия охлаждения, тем меньше прибор будет нагреваться.

При расчетах проводов пользуются допустимой в раз­ных случаях плотностью тока, т. е. допустимым значением тока на 1мм2 площади сечения провода. В наиболее рас­пространенных случаях радиоремонтной практики руко­водствуются следующими предельными значениями плот­ности тока y:

1. Для реостатов и балластных проволочных сопро­тивлений, выполненных на фарфоровых или керамических каркасах одним слоем голой проволоки, y = 6-10 а/мм2. Для обмоток электромагнитов, реле, звонков, рассчитанных на кратковременные включения, у = 4-5 а/мм2.

3. Для обмоток трансформаторов мощностью до 75 Вт, а также для обмоток дросселей, реле и проволочных сопротивлений с многослойной намоткой (например, сопротивле­ния сеточного смещения), рассчитанных на длительное включение, y = 2-3 а/мм2, то же мощностью 75-300 Вт y= 1,5 а/мм2.

4. Для шунтов и добавочных сопротивлений в измерительной аппаратуре y <1 а/ мм2.

5. Для нагревательных приборов в зависимости от материала проволоки, конструкции прибора и условий работы y = 8-20 а/мм2.

Определение диаметра провода на заданный ток при допустимой плотности тока, у производят по формуле:

где d - необходимый диаметр провода, мм; - ток, А; y - плотность тока, а/мм2.

При выборе для радиоаппаратуры непроволочных сопротивлений руководствуются мощностью, рассеивае­мой на сопротивлении при работе аппарата. Непроволоч­ные сопротивления выпускаются на различные нормально рассеиваемые мощности (0.25, 0.5, 1, 2 вт или больше) . При установке сопротивления в аппарат надо следить за тем, чтобы выделяемая в сопротивлении мощность не превышала норму.

Если под руками не имеется сопротивления на необ­ходимую нагрузку, то прибегают к соединению несколь­ких сопротивлений, причем, чтобы не усложнять pacче­тов, рекомендуется соединять одинаковые сопротивления.

Проволочные сопротивления, рассчитанные на мень­ший ток, чем надо, соединяют параллельно, причем надо соединить столько сопротивений, во сколько раз допустимый для них ток меньше требующегося. Например, если ток в цепи составляет 0,3А, а в нашем распоряжении имеются сопротивления, рассчитанные на ток в 0,1А, то для вклю­чения в указанную цепь надо соединить параллельно три таких сопротивления. Но чтобы при этом их общее сопро­тивление было равно заданному, величина каждого из соединяемых сопротивлений должна быть в три раза меньше заданной. Если в приведенном примере требуется сопротивление на 150 Ом, то каждое из трех соединяемых сопротивлений должно иметь 450 Ом.

Если при намотке проволочных сопротивлений не ока­жется под руками провода на необходимую нагрузку током, то намотку можно производить более тонким про­водом, но вести ее сразу в два или три провода. При намотке в два провода диаметр проводов может быть взят в 1,4 раза меньше против нормы, а при намотке в три провода ­в 1,8 раза.

Тепловое действие тока

Электрическая мощность расходуется на нагрев сопротивления R. Количество тепла, выделяемого в течение промежутка времени t, равно работе тока за это время:

Q = I 2 Rt

Магнитное действие тока

Важнейшим техническим применением магнитного действия тока является преоб­разование энергии электрического тока в механическое движение. На этом принципе строятся многие электро­акустические приборы (громкоговорители, телефоны), электроизмерительные приборы, реле и пр. Обязательной частью таких приборов является электромагнит (катушка со стальным сердечником) или соленоид (катушка без сердечника). В некоторых типах таких приборов бывает по две катушки. Кроме того, в электромагнитных приборах используются магнитопроводы, постоянные магниты и специальные проводники для индуктированных токов.