Электрическая цепь с несколькими источниками эдс конспект
Обновлено: 06.07.2024
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ
ОП. 04 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА
Коды формируемых компетенций
ОК 1-ОК 9, ПК 1.1-1.6, ПК 2.1-2.4, ПК 3.1-3.4, ПК 4.1-4.5, ПДК 1-4
Для студентов СПО специальности
35.02.07 Механизация сельского хозяйства
Преподаватель Фомичев А.Г.
Тема: Электрические цепи постоянного тока
1.1.Элементы электрических цепей постоянного тока
Электрические схемы – это чертежи, на которых показано, как электрические приборы соединены в цепь.
Электрическая цепь - совокупность устройств, предназначенных для передачи, распределения и взаимного преобразования энергии.
Основными элементами электрической цепи являются источники и приемники электрической энергии, которые соединены между собой проводниками.
В источниках электрической энергии химическая, механическая, тепловая энергия или энергия других видов превращается в электрическую.
В приемниках электрической энергии - электрическая энергия преобразуется в тепловую, световую, механическую и другие.
Электрические цепи, в которых получение энергии, передача и преобразование происходят при неизменных во времени токах и напряжениях называют цепями постоянного тока.
Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой (рисунок 1)
1.2 Источники энергии
1.2.1.Источники ЭДС
Источник ЭДС характеризуется величиной ЭДС равной напряжению (разности потенциалов) на зажимах при отсутствии тока через источник.
ЭДС определяют как работу сторонних сил, присущих источнику, на перемещение единичного положительного заряда внутри источника от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом.
Рисунок 1.1. Обозначения источника ЭДС и гальванического элемента в схемах
· Источники питания цепи постоянного тока -это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. Все источники питания имеют внутреннее сопротивление, значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи.
· Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы и др.
· Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых можно назвать самые основные напряжение и мощность.
· Для нормальной работы электроприемника на его зажимах (клеммах) необходимо поддерживать номинальное напряжение. Для приемников постоянного тока оно составляет 27, 110, 220, 440 В, а также 6, 12, 24, 36 В.
· Напряжение на зажимах реального источника зависит от тока через источник. Если этой зависимостью можно пренебречь, то такой источник называют идеальным.
· На расчетных схемах обязательно нужно указывать направления напряжений и токов (выбираются произвольно).
Рисунок 1.2. Схема с реальным источником ЭДС
8
Напряжение U на зажимах реального источника меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении.
Идеальный источник имеет Rвн =0.
Максимальный ток возникает в режиме короткого замыкания при Rн =0, при этом выходное напряжение U стремится также к нулю.
9 1.2.2 Источник тока
· Источник тока характеризуется током I при короткозамкнутых зажимах (при отсутствии напряжения).
· Если ток не зависит от напряжения - такой источник называют идеальным.
Рисунок 1.3. Изображение источника тока в схемах
Эквивалентное сопротивление последовательно соединенных элементов цепи равно сумме сопротивлений отдельных элементов.
16
Эквивалентное сопротивление цепи, состоящей из параллельных составляющих, всегда меньше меньшего из сопротивлений цепи.
Следовательно, при параллельном соединении эквивалентная проводимость цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей.
1.4.3 Замена источника тока источником ЭДС
Рисунок 1.8. Замена источника тока источником ЭДС
Баланс мощности различается в этих схемах, поскольку через сопротивление R течет разный ток.
Результат решения задачи всегда должен приводиться к исходной схеме.
Для схемы с источником тока справедливо следующее соотношение:
1.5 Подключение измерительных приборов к электрическим цепям
Прежде чем производить измерения в электрических цепях нужно определиться со следующими вопросами, исходя из ответа на которые, выбирается измерительный прибор:
- постоянный или переменный ток присутствует в данной электрической цепи.
Если переменный - то какой именно (форма сигнала, частота);
- какого порядка токи и напряжения имеются в данной цепи;
-какая погрешность измерения будет нас удовлетворять.
21 1.5.1 Измерение напряжений
Для измерения падения напряжения на каком либо участке цепи, параллельно ему подключают вольтметр с учетом полярности.
Рисунок 1.9. Измерение падения напряжения на R 2 вольтметром
Вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением Rv, следовательно, во время работы часть тока из электрической цепи пойдет через вольтметр, тем самым режим электрической цепи при подключении вольтметра изменится. Значит, результат измерения будет содержать погрешность.
Для того чтобы вольтметр не влиял на исследуемую цепь, стараются делать внутреннее сопротивление вольтметра как можно большим.
23 1.5.2 Измерение токов
Для измерения величины тока, протекающего через некоторый элемент цепи, последовательно с ним в разрыв ветви включают амперметр, с учетом полярности. Так как амперметр имеет некоторое сопротивление R A, включение его в электрическую цепь изменяет его режим, и результат измерения содержит погрешность.
Рисунок 1.10 Измерение тока амперметром
1.5.3 Измерение мощностей
Для измерения мощности, потребляемой каким либо элементом цепи, необходимо, чтобы измерительный прибор измерял падение напряжения на нем и ток через него и перемножал эти значения. Ваттметры имеют четыре входных зажима - два токовых и два по напряжению.
Рисунок 1.11. Схема включения ваттметра для измерения мощности,
1.5.4 Мостовые схемы
Рисунок 1.12. Мост Уитстона
Мостовые схемы применяются для измерения сопротивлений.
ac, cb, ad, bd - плечи моста.
ab, cd - диагонали моста.
28 Для измерения сопротивления уравновешенным мостом в одно из его плеч включают неизвестное сопротивление. Подстраивая какое-либо другое из плеч, с помощью известных сопротивлений, добиваются баланса моста (т.е. когда вольтметр показывает нуль). После этого находят неизвестное сопротивление. Для питания моста величина ЭДС Е существенного значения не имеет. Важно, чтобы не было ощутимого нагрева сопротивлений, и была бы достаточной чувствительность вольтметра. Сопротивление измерительного прибора также значения не имеет, т.к. в уравновешенном состоянии разность потенциалов точек c и d равна нулю, следовательно, ток через вольтметр не течет.
Используются также неуравновешенные мосты, в них не выполняют подстраивание плеч, а величину неизвестного сопротивления отсчитывают по показаниям измерительного прибора со специально отградуированной шкалой. При измерении неуравновешенным мостом требуется стабилизировать ЭДС Е.
1.5.5 Компенсационный метод измерения
Рисунок 1.26 Потенциометр
С помощью потенциометров измеряют величину ЭДС. Потенциометр устроен таким образом, что при измерении величины ЭДС E x входной ток отсутствует.
Перед работой производят калибровку прибора: для этого переводят переключатель в положение. С помощью R I подстраивают рабочий ток в схеме так, чтобы падение напряжения на сопротивлении R равнялось бы величине ЭДС нормального элемента НЭ. При этом вольтметр должен показывать нуль. Для измерения ЭДС E X переключатель переводят в положение, с помощью отградуированного движка реохорда R p добиваются, чтобы вольтметр показывал нуль, и считывают показания прибора.
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
1. Упростить схему к одному сопротивлению
31 32 2. Составить баланс мощностей для приведенной схемы
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
2. Основные элементы электрической цепи
5. От чего зависит напряжение на зажимах реального источника?
7. Из закона Ома для полной цепи.
8. Расчетное определение проводимости.
10.Обобщенный закон Ома для участка цепи с ЭДС.
11.Последовательное соединение сопротивлений.
12.Параллельное соединение сопротивлений.
13.Замена источника тока источником ЭДС, характеристика.
14. Подключение измерительных приборов к электрическим цепям.
15. Измерение напряжений, методика.
16. Измерение токов, методика.
17. Измерение мощностей, методика.
18. Мостовые схемы
19.Компенсационный метод измерения
Примечание:
· Участок электроцепи, вдоль которого протекает один и тот же ток, называется ветвью. Место соединения ветвей электроцепи называется узлом. На электросхемах узел обозначается точкой.
· Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром электрической цепи. Простейшая электрическая цепь имеет одноконтурную схему, сложные электрические цепи несколько контуров.
· Согласованный режим источника питания и внешней цепи возникает в том случае, когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению. В этом случае ток в цепи в 2 раза меньше тока короткого замыкания.
· Самыми распространенными и простыми типами соединений в электрической цепи являются последовательное и параллельное соединение.
· Элементами электрической цепи являются различные электротехнические устройства, которые могут работать в различных режимах. Режимы работы как отдельных элементов, так и всей электрической цепи характеризуются значениями тока и напряжения. Поскольку ток и напряжение в общем случае могут принимать любые значения, то режимов может быть бесчисленное множество.
· Режим холостого хода это режим, при котором тока в цепи нет. Такая ситуация может возникнуть при разрыве цепи. Номинальный режим бывает, когда источник питания или любой другой элемент цепи работает при значениях тока, напряжения и мощности, указанных в паспорте данного электротехнического устройства. Эти значения соответствуют самым оптимальным условиям работы устройства с точки зрения экономичности, надежности, долговечности и пр.
· Режим короткого замыкания это режим, когда сопротивление приемника равно нулю, что соответствует соединению положительного и отрицательного зажимов источника питания с нулевым сопротивлением. Ток короткого замыкания может достигать больших значений, во много раз превышая номинальный ток. Поэтому режим короткого замыкания для большинства электроустановок является аварийным.
Электрической цепью постоянного тока называют совокупность устройств и объектов: источников электрической энергии, преобразователей, потребителей, коммутационной, защитной и измерительной аппаратуры, соединительных проводов или линии электропередачи.
Электрические и электромагнитные процессы в этих объектах описываются с помощью понятий об электродвижущей силе (ЭДС - E ), токе ( I ) и напряжении ( U ).
Элементы цепи можно разделить на три группы:
1) элементы, предназначенные для генерирования электроэнергии (источники энергии, источники ЭДС);
2) элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую, химическую и т.д. (эти элементы называются приемниками электрической энергии или потребителями);
3) элементы, предназначенные для передачи электрической энергии от источника к приемникам (линии электропередачи, соединительные провода); элементы, обеспечивающие уровень и качество напряжения и т.д.
Источники питания цепи постоянного тока – это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термо- и фотоэлементы и др.
Электрическими приемниками или потребителями постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы, электролизные установки и др. Все электоприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых основные – напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах необходимо поддерживать номинальное напряжение. По ГОСТ 721-77 напряжение равно 27, 110, 220, 440 В, так же 6, 12, 24, 36 В.
Коммутационная аппаратура служит для подключения потребителей к источникам, то есть для замыкания и размыкания источников электроцепи.
Защитная аппаратура предназначена для размыкания цепи в аварийных ситуациях.
Измерительная аппаратура предназначена для замера тока, напряжения и других электрических величин.
Линии электропередачи используются, когда источники и потребители удалены друг от друга на большие расстояния. Соединительные провода предназначены для соединения между собой зажимов или электродов элементов электрической цепи.
Активные и пассивные элементы
Элемент называется пассивным , если он не может вызывать протекание тока, то есть если он не создает тока или ЭДС. Если собрать несколько пассивных элементов (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) в электрическую цепь, то ток в цепи не потечет.
Элемент, который создает ЭДС и вызывает протекание тока, называется активным (источники электроэнергии).
Линейные и нелинейные цепи
Электрическая цепь называется линейной , если электрическое сопротивление или другие параметры участков, не зависят от значений и направлений токов и напряжений. Электрические процессы линейной цепи описываются линейными алгебраическими и дифференциальными уравнениями.
Если электрическая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент , то она является нелинейной.
Топологические элементы электрической цепи.
Графическое изображение электрической цепи называется электрической схемой. Электрическая схема включает: узлы, ветви, контуры.
Ветвь – совокупность элементов, соединенных последовательно. По ветви протекает один и тот же ток.
Узел – точка соединения трех или более ветвей.
Контур – совокупность ветвей, при обходе которых осуществляется замкнутый путь.
Простейшая электроцепь имеет один контур с одной ветвью и не имеет узлов. Сложные электроцепи имеют несколько контуров.
Положительные направления тока, напряжения и ЭДС.
Чтобы правильно записать уравнения, описывающие процессы в электрических цепях, и произвести анализ этих процессов, необходимо задать условные положительные направления ЭДС источников питания, тока в элементах или ветвях цепи и напряжения на зажимах элементов цепи или между узлами цепи.
Внутри источника ЭДС постоянного тока положительным является направление ЭДС от отрицательного полюса к положительному полюсу. Это соответствует определению ЭДС как величины, характеризующей способность сторонних сил вызывать электрический ток.
По отношению к источнику ЭДС все элементы цепи составляют внешний участок цепи.
За положительное направление тока в цепи принимают направление, совпадающее с направлением ЭДС. Во внешней цепи положительным является направление от положительного полюса источника к отрицательному полюсу. В электронной теории – направление совпадает с направлением положительно заряженных частиц.
Условным положительным направлением падения напряжения (или просто напряжения) на элементах цепи или между двумя узлами цепи принимают направление, совпадающее с условно положительным направлением тока в этом элементе или в этой ветви. Положительное направление напряжения на зажимах источника ЭДС всегда противоположно положительному направлению ЭДС.
Действительные направления электрических величин, определяемые расчетом, могут совпадать или не совпадать с условными направлениями. При расчетах если определено, что ток, ЭДС и напряжения положительны, то их действительные направления совпадают с условно принятыми положительными направлениями, если отрицательны, то не совпадают.
Цель: познакомить учащихся с условиями, необходимыми для существования тока в замкнутой цепи, дать понятие сторонних сил, ЭДС, познакомить учащихся с законом Ома для полной цепи.
1. Организационный момент
2. Актуализация
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
1) закон Ома для полной цепи;
2) связь ЭДС с внутренним сопротивлением;
3) короткое замыкание;
4) различие между ЭДС, напряжением и разностью потенциалов.
Глоссарий по теме
Электрическая цепь – набор устройств, которые соединены проводниками, предназначенный для протекания тока.
Электродвижущая сила – это отношение работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к абсолютной величине этого заряда.
Закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению:
R – сопротивление внешнее или сопротивление нагрузки, Ом
r – внутреннее сопротивление или сопротивление источника тока, Ом
R + r – полное сопротивление электрической цепи
3. Изучение нового материала
Любые силы, которые действуют на электрически заряженные частицы, кроме сил электростатического происхождения (т.е. кулоновских), называют сторонними силами. Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри всех источников тока.
Действие сторонних сил характеризуется важной физической величиной электродвижущей силой (ЭДС). Электродвижущая сила в замкнутом контуре - отношение работы сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду.
В источнике тока из-за действием сторонних сил происходит разделение зарядов. Так как они движутся, они взаимодействуют с ионами кристаллов и электролитов и отдают им часть своей энергии. Это приводит к уменьшению силы тока, таким образом, источник тока обладает сопротивлением, которое называют внутренним r.
З акон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление цепи:
Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению
Короткое замыкание
При коротком замыкании, когда внешнее сопротивление стремится к нулю, сила тока в цепи определяется именно внутренним сопротивлением и может оказаться очень большой. И тогда провода могут расплавиться, что может привести к опасным последствиям.
Т.е. при коротком замыкании сопротивление внешнее стремится к нулю R→ 0, и в цепи резко возрастает сила тока.
На этом уроке мы рассмотрим важнейшую характеристику источника тока – электродвижущую силу. Мы познакомимся с тем, какие силы совершают работу в источниках тока. Также мы рассмотрим закон Ома для полной цепи.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи"
Как вы знаете, для существования электрического тока, необходимо наличие электрического поля. Причем, это поле должно постоянно поддерживаться неким источником тока. Сегодня мы поговорим об основной характеристике источника тока, которая называется электродвижущей силой (или, сокращенно, ЭДС). Для начала рассмотрим простой опыт: возьмем два противоположно заряженных шарика и соединим их проводником. В этом случае, в проводнике возникнет электрический ток, но он будет очень кратковременным. Дело в том, что очень скоро произойдет перераспределение заряда, и потенциалы шариков уравняются. Значит, перестанет существовать электрическое поле.
Из этого можно сделать вывод, что для поддержания постоянного тока необходимо наличие неких сил неэлектрического происхождения, чтобы эти силы могли перемещать заряды против поля. Такие силы называются сторонними силами. То есть, сторонние силы — это любые силы, которые действуют на электрические заряды, но при этом не являются силами электрического происхождения. Например, это могут быть силы, действующие на заряды со стороны магнитного поля — это используется в генераторах.
В батареях или аккумуляторах работу по разделению электрических зарядов выполняют химические реакции.
Еще один аргумент, который мы можем привести — это то, что работа кулоновских сил при перемещении заряда по замкнутому контуру, равна нулю. А это значит, что какие-то другие силы должны обеспечивать ненулевую работу для поддержания разности потенциалов.
Устройство для поддержания электрического тока, называется источником тока. В любом источнике тока сторонние силы действуют на заряды, совершая работу против кулоновских сил. Стало быть, характеристикой источника должна быть величина, не зависящая от величины заряда. Эта величина называется электродвижущей силой. Электродвижущая сила равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру, к величине этого заряда:
Из формулы видно, что электродвижущая сила, как и напряжение, измеряется в вольтах:
Теперь, когда мы познакомились с ЭДС, мы можем перейти к изучению закона Ома для полной цепи. Полной цепью называется замкнутая цепь, включающая в себя источник тока. Для удобства, мы рассмотрим простейшую электрическую цепь, состоящую только из источника тока, резистора и соединительных проводов:
Как мы уже сказали, источник тока характеризуется ЭДС. Тем не менее, любой источник тока обладает определенным сопротивлением, которое называется внутренним сопротивлением. Закон Ома для полной цепи представляет собой связь между ЭДС, внутренним и внешним сопротивлением и силой тока в цепи. Для того, чтобы установить эту связь, воспользуемся законом сохранения энергии. Запишем, что работа сторонних сил равна произведению ЭДС источника и величины заряда:
Как вы знаете, каждый участок цепи выделяет то или иное количество теплоты. По закону Джоуля-Ленца, это количество теплоты вычисляется по формуле:
Исходя из закона сохранения энергии, мы можем приравнять это количество теплоты к работе сторонних сил:
Закон Ома для полной цепи звучит так: сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС источника к полному сопротивлению цепи:
Вывести закон Ома для полной цепи можно, рассуждая несколько иначе. Как мы знаем, при последовательном соединении полное напряжение цепи равно сумме падений напряжений на всех участках цепи:
Мы видим, что произведение силы тока и сопротивления резистора есть не что иное, как напряжение на этом резисторе. А произведение силы тока и внутреннего сопротивления — это падение напряжения на самом источнике:
Надо сказать, что внутреннее сопротивление источника во многих случаях пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи. В этом случае, мы можем считать, что напряжение на зажимах источника примерно равно ЭДС (то есть падение напряжения на источнике считается приблизительно равным нулю):
Тем не менее, именно внутренним сопротивлением определяется сила тока в цепи при коротком замыкании. Напомним, что при коротком замыкании, внешнее сопротивление становится почти нулевым, поэтому в цепи резко возрастает сила тока:
Рассмотрим теперь цепь, содержащую несколько последовательно соединенных источников тока.
В этом случае, ЭДС всей цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных источников.
А,поскольку они стремятся вызвать ток в направлении, противоположном направлению обхода. Отрицательная ЭДС означает, что сторонние силы внутри источника совершают отрицательную работу. Таким образом, ЭДС нашей цепи будет равна:
В соответствии с правилами последовательного соединения, суммарное сопротивление цепи равно сумме внешнего сопротивления и внутренних сопротивлений всех источников тока:
Пример решения задачи.
Задача. К источнику тока с внутренним сопротивлением 1 Ом подключили резистор с сопротивлением 15 Ом. После этого в цепь включили амперметр, который показал, что сила тока равна 5 А. Найдите работу сторонних сил внутри источника, совершенную за 2 минуты.
Читайте также: