Материал для подготовки к экзамену по электротехнике

198

Преимущества электрической энергии. Основные электротехнические понятия. Электрический ток. Электрическая цепь. Сила тока. ЭДС. Напряжение. Закон Ома. Работа и мощность в электрической цепи. Закон Джоуля-Ленца.

Ответ: Преимущества электрической энергии.

В настоящее время электрическая энергия – самый распространенный вид энергии и по сравнению с другими видами энергии обладает следующими преимуществами:

1.     Электрическая энергия – единственный вид энергии, который можно производить централизованно в больших количествах, что обеспечивает низкую её стоимость;

2.    быстро и экономично передается на большие расстояния;

3.    легко делится и распределяется между потребителями;

4.    легко преобразуется в другие виды энергии, что делает её универсальным энергоносителем;

5.     является единственным видом энергии, на использовании которой основана работа телекоммуникационных систем, электронно-вычислительной техники, современных систем управления и автоматики.

6.    Потребители электрической энергии отличаются высокой экономичностью и экологической чистотой.

 Несмотря на все эти достоинства электрической энергии свойственны и определенные недостатки:

1.     Электрическая энергия в промышленном масштабе не может быть запасена впрок в больших количествах;

2.     В природе нет естественных источников и запасов электрической энергии, пригодных для практического использования.

3.     специфические загрязнения окружающей среды: электромагнитные поля и электромагнитные излучения, действие которых на человека практически не исследованы.

 Электрическую энергию в промышленных масштабах получают в основном на тепловых электрических станциях за счет использования энергии первичных источников (уголь, газ, мазут).

1). Электрический ток. Сила тока

Упорядоченное направленное движение свободных электрических зарядов в пространстве под действием силы электрического поля называют электрическим током. Количественной мерой электрического тока является сила тока I [A]. Сила тока в электрической цепи определяется количеством электричества dQ [ Кл ], проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени (с): I = dQ /dt [ Кл/с ], [A]. При измерении количества электричества часто пользуются единицей измерения - Ампер-секунда (Q = 1 Кл = 1 А-с), а при измерении больших количеств – Ампер-час (1А-час = 3600 А-с ).

2). Электрическая цепь

Электрическая цепь – это совокупность соединённых между собой электротехнических устройств, обеспечивающих прохождение электрического тока и предназначенных для производства электрической энергии, а также её передачи, распределения и преобразования в требуемый вид энергии (работу).

 Чтобы по электрической цепи протекал электрический ток, эта цепь должна быть «замкнута». «Разрыв» электрической цепи в любом месте, т.е. появление в цепи непроводящего участка, приводит к прекращению электрического тока.

Простейшая электрическая цепь содержит следующие элементы:

1. Источник электрической энергии (генерирующее устройство) - преобразует какой-либо вид первичной энергии в электрическую;

2. Соединительные провода – соединяют зажимы источника электрической энергии и потребителя и служат для передачи электрической энергии;

3. Потребитель электрической энергии - служит для преобразования электрической энергии в требуемый вид энергии, т.е. в работу.

Кроме этих устройств электрическая цепь обычно содержит электроизмерительные приборы, различные сигнальные, регулирующие, коммутирующие, защитные и другие электротехнические устройства.

3.) Электродвижущая сила (ЭДС) и напряжение

При протекании электрического тока по электрической цепи совершается работа (механическая, тепловая и др.), на выполнение которой источник электрической энергии затрачивает некоторую энергию. Количественной мерой этой энергии источника является электродвижущая сила [Е] - ЭДС источника электрической [В] – это его полная энергия, которую он может израсходовать на получение работы, совершаемой при перемещении единицы количества электричества по замкнутому контуру электрической цепи (а - а): E аа = dW аа /dQ [B].

 Для характеристики работы, совершаемой источником электрической энергии на некотором участке электрической цепи, используется понятие разность потенциалов или напряжение [U]. Напряжение [U] характеризуется работой, совершаемой источником электрической энергии на некотором участке цепи (c - d): Ucd = dWcd /dQ [B].

4). Закон Ома

закон Ома : I = Y U ,здесь Y [1/ Ом ], [Сименс], [См] – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от свойств и параметров проводника и называется проводимостью.

 Для цепи постоянного тока закон Ома записывается в виде формулы: I = U/R , а для цепи переменного тока: I = U/Z , где Z - полное сопротивление электрической цепи переменного тока.

5). Работа и мощность в электрической цепи

При прохождении электрического тока по электрической цепи в ней происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии, т.е. совершается работа [dW] [Дж] или [Н∙м]. Из выражения для напряжения: U = dW /dQ можно записать: dW = U dQ = U I dt [Дж], или : W = U I t [Дж].

  Для характеристики скорости энергетического процесса преобразования и обмена электрической энергией в электрических цепях переменного тока используют понятие - полная мощность [S] [ВА]: S = dW /dt = U I .

Скорость процесса преобразования электрической энергии в другие виды энергии – характеризуется понятием - активная мощность Р [Вт]. В случае, когда проводник, по которому течёт электрический ток не перемещается (отсутствует механическая работа) и в проводнике не происходит химических превращений, то вся энергия электрического тока преобразуется во внутреннюю энергию, которая выделяется в виде тепла. В случае такого полного преобразования электрической энергии в тепловую для определения активной мощности используется формула Джоуля-Ленца: P = I² R [Вт]. По этой же формуле обычно определяют тепловые потери («джоулевы» потери) в различных электротехнических устройствах, машинах, аппаратах и др.

 Скорость процесса обмена электрической энергией между электромагнитными полями в электрических цепях переменного тока вводится понятие - реактивная мощность Q=I²X, единица измерения Вольт-Ампер реактивный [ВАр]

2. Электрическая цепь постоянного тока. Основные элементы и их условно-графические обозначения. Методы расчета цепей постоянного тока (правила Кирхгофа, метод эквивалентных преобразований).

Электрической цепью называют совокупность электротехнических устройств, образующих путь для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в которой могут быть описаны с помощью электрических величин - электродвижущей силы (E), тока (I) и напряжения (U).

Для расчета и анализа режимов работы реальных устройств электрических цепей используют эквивалентные схемы замещения. Чем точнее элементы схемы замещения отражают реальную цепь, тем точнее ее расчет и анализ режимов работы.

Схемы замещения линейных электрических цепей постоянного тока можно составить с помощью двух типов идеальных элементов (Рис.1):

идеального источника Э.Д.С. с параметром Е (Рис.1а) и идеального резистора (сопротивления) с параметром R (Рис.1б).

Электрические провода, соединяющие такие элементы, изображаются на схемах в виде отрезков прямых линий, электрическим сопротивлением этих проводов при анализе и расчете пренебрегают.

Ветвью называют участок цепи вдоль которого протекает один и тот же ток и который состоит из последовательно соединенных элементов.

Узлом называется место соединения трех и более ветвей.

Контуром называется любой замкнутый путь цепи, который можно обойти, двигаясь по ее ветвям.

Расчет и анализ электрических цепей производится с использованием закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа.

Закон Ома для участка цепи

Соотношение между током I, напряжением U_R и сопротивлением R участка аb электрической цепи выражается законом Ома: или U_R = RI-падение напряжения на резисторе R

При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением R, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью:

Закон Ома для всей цепи

Этот закон определяет зависимость между ЭДС Е источника питания с внутренним сопротивлением r0 , током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением R_Э = r₀ + R всей цепи:

Сложная электрическая цепь содержит, как правило, несколько ветвей, в которые могут быть включены свои источники питания и режим ее работы не может быть описан только законом Ома. Но это можно выполнить на основании первого и второго законов Кирхгофа, являющихся следствием закона сохранения энергии.

Первый закон Кирхгофа

В любом узле электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю: ,

где m-число ветвей подключенных к узлу.

При записи уравнений по первому закону Кирхгофа токи, направленные к узлу, берут со знаком «плюс», а токи, направленные от узла – со знаком «минус».

Второй закон Кирхгофа

В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех его участках: , где n – число источников ЭДС в контуре; m – число элементов с сопротивлением Rк в контуре;

Uк = RкIк – напряжение или падение напряжения на к-м элементе контура.