Реферат принцип действия постоянного тока
Обновлено: 18.05.2024
Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц. Количественными характеристиками тока являются его сила тока (отношение заряда: переносимого через поперечное сечение проводника в единицу времени):
и его плотность, определяемая соотношением:
Единицей измерения силы тока является ампер (1А - характерное значение тока, потребляемого бытовыми электронагревательными приборами).
Необходимыми условиями существования тока являются наличие свободных носителей зарядов, замкнутой цепи и источника ЭДС (батареи), поддерживающего направленное движение.
Электрический ток может существовать в различных средах: в металлах, вакууме, газах, в растворах и расплавах электролитов, в плазме, в полупроводниках, в тканях живых организмов.
При протекании тока практически всегда происходит взаимодействие носителей зарядов с окружающей средой, сопровождающееся передачей энергии последней в виде тепла. Роль источника ЭДС как раз и состоит в компенсации тепловых потерь в цепях.
Электрический ток в металлах обусловлен движением относительно свободных электронов через кристаллическую решетку. Причины существования свободных электронов в проводящих кристаллах может быть объяснена только на языке квантовой механики.
Опыт показывает, что сила электрического тока, протекающего по проводнику, пропорциональна приложенной к его концам разности потенциалов (закон Ома). Постоянный для выбранного проводника коэффициент пропорциональности между током и напряжением называют электрическим сопротивлением:
Сопротивление измеряют в омах (сопротивление человеческого тела составляет около 1000 Ом). Величина электрического сопротивления проводников слабо возрастает при увеличении их температуры. Это связано с тем, что при нагревании узлы кристаллической решетки усиливают хаотические тепловые колебания, что препятствует направленному движению электронов. Во многих задачах непосредственный учет колебаний решетки оказывается весьма трудоемким. Для упрощения взаимодействия электронов с колеблющимися узлами оказывается удобным заменить их столкновениями с частицами газа гипотетических частиц - фононов, свойства которых подбираются так, чтобы получить максимально приближенное к реальности описание и могут оказываться весьма экзотическими. Объекты такого типа весьма популярны в физике и называются квазичастицами. Помимо взаимодействий с колебаниями кристаллической решетки движению электронов в кристалле могут препятствовать дислокации - нарушения регулярности решетки. Взаимодействия с дислокациями играют определяющую роль при низких температурах, когда тепловые колебания практически отсутствуют.
Некоторые материалы при низких температурах полностью утрачивают электрическое сопротивление, переходя в сверх проводящее состояние. Ток в таких средах может существовать без каких-либо ЭДС, поскольку потери энергии при столкновениях электронов с фононами и дислокациями отсутствуют. Создание материалов, сохраняющих сверхповодящее состояние при относительно высоких (комнатных) температурах и небольших токах является весьма важной задачей, решение которой произвело бы настоящий переворот в современной энергетике, т.к. позволило бы передавать электроэнергию на большие расстояния без тепловых потерь.
В настоящее время электрический ток в металлах используется главным образом для превращения электрической энергии в тепловую (нагреватели, источники света) или в механическую (электродвигатели). В последнем случае электрический ток используется в качестве источника магнитных полей, взаимодействие с которыми других токов вызывает появление сил.
Электрический ток в вакууме строго говоря невозможен из-за отсутствия в нем свободных электрических зарядов. Однако, некоторые проводящие вещества при нагревании или облучении светом способны испускать со своей поверхности электроны (термоэмиссия и фотоэмиссия), которые способны поддерживать электрический ток, двигаясь от катода к другому (положительному) электроду - аноду. При подаче на анод отрицательного напряжения ток в цепи обрывается. Описанное свойство обуславливает широкое применение электровакуумных приборов в электронных устройствах для выпрямления переменного тока. До сравнительно недавнего времени электровакуумные устройства широко использовались в качестве усилителей электрических сигналов. В настоящее время они почти полностью вытеснены полупроводниковыми приборами.
Электрический ток в газах на первый взгляд не может существовать из-за отсутствия свободных заряженных частиц (электроны в атомах и молекулах газов прочно “связаны” с ядрами электростатическими силами). Однако, при передаче атому энергии порядка 10эВ (энергия, приобретаемая свободным электроном при прохождении через разность потенциалов в 10 В), последний переходит в ионизированное состояние (электрон уходит от ядра на сколь угодно большое расстояние). В газах при комнатных температурах всегда присутствует очень небольшое количество ионизированных атомов, возникших под действием космического излучения (фотоионизация). При помещении такого газа в электрическое поле заряженные частицы начинают разгоняться, передавая нейтральным атомам набранную кинетическую энергия и ионизуя их. В результате развивается лавинообразный процесс нарастания числа свободных электронов и ионов - возникает электрический разряд. Характерное свечение разряда связано с выделением энергии при рекомбинации электронов и положительных ионов. Типы электрических разрядов весьма разнообразны и сильно завися от состава газа и внешних условий.
Вещество, содержащее смесь нейтральных атомов, свободных электронов и положительных ионов, называют плазмой. Плазма, возникающая в результате сравнительно слаботочных электрических разрядов (напр. в трубках “дневного света”) характеризуется весьма малыми концентрациями заряженных частиц по сравнению с нейтральными ( ). Обычно ее называют низкотемпературной, поскольку температура атомов и ионов близка к комнатной. Средняя же энергия гораздо более легких электронов оказывается гораздо большей. Т.о. низкотемпературная плазма является существенно неравновесной, открытой средой. Как отмечалось, в подобных средах возможны процессы самоорганизации. Хорошо известным примером является генерация в плазме газовых лазеров высоко упорядоченного когерентного излучения.
Плазма может так же может быть термодинамически равновесной. Для ее существования необходима очень высокая температура (при которой энергия теплового движения сравнима с энергией ионизации). Такие температуры существуют на поверхности Солнца, могут возникать при очень мощных электрических разрядах (молнии), при ядерных взрывах. Такую плазму называют горячей.
Земля является достаточно хорошим проводником электрического тока (по сравнению с сухим воздухом). На высоте около 50 км ионизирующее космическое излучение обуславливает наличие ионосферы - слоя сильно ионизированного газа. Измерения показывают, что между ионосферой и поверхностью Земли существует огромная разность потенциалов (около 5000000 В), причем ионосфера имеет положительный по отношению к Замле заряд. Наличие разности потенциалов между Землей и “небом” приводит к появлению тока очень малой плотности (A/) даже в таком плохом проводнике как воздух. Полный ток, приходящий на поверхность планеты, весьма велик (ок. А), а выделяемая им мощность сравнима с мощностью всех построенных электростанций ( Вт). Возникают естественные вопросы о механизме поддержания указанной разности потенциалов и о причинах, по которым ее наличие до сих пор никак не используется человеком.
В настоящее время установлено, что основным механизмом, заряжающим “небо” относительно Земли являются грозы. Капли воды и кристаллы льда, перемещаясь вниз к основанию грозовой тучи собирают на себе имеющиеся в атмосфере отрицательные заряды и тем самым заряжают нижнюю часть грозового облака отрицательным электричеством до потенциалов, во много раз превосходящих потенциал Земли. В результате между Землей и тучей возникает очень большое электрическое поле, направленное в противоположную сторону по сравнению с полем, существующем в безоблачную погоду. Вблизи выступающих с поверхности Земли проводящих предметов это поле еще усиливается и оказывается достаточным для ионизации газа, которая нарастает по лавинообразному закону. В результате возникает очень мощный электрический разряд, называемый молнией. Вопреки бытующему мнению, молния начинается на Земле и бьет в тучу, а не наоборот.
Характерное для ясной погоды электрическое поле напряженностью 100В/м не удается не только использовать, но даже ощутить, хотя на равной росту человека высоте при его отсутствии оно создает разность потенциалов около 200В. Причиной этого является низкая проводимость воздуха и, как следствие, малые плотности текущих на поверхность Земли токов. Введение в электрическую цепь хорошего проводника (человека), шунтирующего двухметровый воздушный столб, практически не изменяет суммарного сопротивления цепи “небо-Земля”, ток в которой остается неизменным. Вызываемое им падение напряжения на теле человека составляет около U=IR=0.2мкВ, что лежит значительно ниже порога чувствительности нашего организма.
Электрический ток в живых тканях.
Важная роль электрических импульсов для жизнедеятельности организмов предполагалась еще более 200 лет назад. Сейчас известно, что эти импульсы используются для обеспечения управления работой органов и передачи информации между ними в процессе жизнедеятельности. Роль кабелей для передачи сигналов в сложнейшем “биологическом компьютере” играют нервы, основу которых составляют узко специализированные клетки - нейроны. Основные функции этих клеток - прием, обработка и усиление электрических сигналов. Нейроны связываются друг с другом в “сеть” при помощи специальных удлиненных выростов - аксонов, выполняющих функции проводников. Исследования распространения электрических сигналов в аксонах выполнялись совместно биологами, химиками и физиками в 30-60 годах нашего века и явились одним из первых удачных примеров плодотворного сотрудничества представителей смежных естественных наук.
Как оказалось, свойства электрических импульсов, распространяющихся в аксонах существенно отличаются от привычных для электротехники: 1) скорость распространения импульсов по аксону оказывается на несколько порядков меньше характерных для металлических; 2) после прохождения электрического импульса существует “мертвое” время, в течение которого распространение следующего импульса невозможно; 3) существует пороговое значение напряжения (импульсы с амплитудой ниже пороговой не распространяются); 4) при медленном нарастании напряжения даже до превышающего порог значения импульс по аксону не передается (“аккомодация”).
Перечисленные нехарактерные для традиционной электротехники особенности проводимости аксонов нашли объяснения в рамках весьма специфического электро-химического механизма, центральная роль в котором принадлежит полу проницаемой для ионов клеточной мембране, отделяющей содержащий аномально высокую концентрацию ионов K+ и низкую - Na+ внутренний объем клетки (и ее аксона) от окружающей среды, заполненной физиологическим раствором. В результате хаотического теплового движения частиц через границу между областями с различными концентрациями положительных ионов возникают диффузионные потоки (K+ - из клетки, Na+ - внутрь ее), скорости которых регулируются проницаемостью клеточной мембраны и электрической разностью потенциалов по обе стороны от нее. Изменения проницаемости мембраны для каждого из ионов приводит к изменению количества заряженных частиц, пересекающих границу и, следовательно, к изменению электрического потенциала аксона относительно внешней среды. Как показали опыты, проводимость участка мембраны изменяется в зависимости от приложенной к нему разности потенциалов. Т.о. подаваемый на участок аксона электрический импульс изменяет на небольшое время (зависящее от свойств аксона) проводимость мембраны, что ведет к перераспределению зарядов, усилению импульса и формированию его заднего фронта. При этом аксон одновременно играет роль проводника и “усиливающих подстанций - ретрансляторов”, что позволяет избежать затухания сигналов, передаваемых в организме на достаточно большие расстояния.
Интересно, что весьма сходную проблему с той, что была решена природой, незадолго до раскрытия механизма проводимости аксона пришлось решать в радиотехнике при попытке организовать транс Атлантическую кабельную связь. Для того, чтобы избежать затухания и искажения сигнала в длинной линии, кабель пришлось разделить на сравнительно короткие звенья, между которыми были помещены усилители. Опыт, накопленный физиками при создании длинных линий кабельной связи существенно облегчил решение проблемы о механизме электропроводности аксона.
Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил.
За направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц.
Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.
Содержание
Постоянный электрический ток…………………………………………………….3
Условия существования постоянного электрического тока………………….3
Основные понятия……………………………………………………………….3
Последовательное и параллельное соединение проводников……………….5
Правило Кирхгофа………………………………………………………………6
Электрический ток в жидкостях……………………………………………………7
Электрический ток в газах…………………………………………………………..9
Плазма………………………………………………………………………………..10
Прикрепленные файлы: 1 файл
Постоянный электрический ток (реферат).docx
Содержание
- Постоянный электрический ток…… ……………………………………………….3
- Условия существования постоянного электрического тока………………….3
- Основные понятия…………………………………………………………… ….3
- Последовательное и параллельное соединение проводников……………….5
- Правило Кирхгофа………………………………………………………… ……6
Постоянный электрический ток.
Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил.
За направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц.
Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.
Условия существования постоянного электрического тока.
Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.
Источник тока - устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля. В источнике тока на заряженные частицы в замкнутой цепи действуют сторонние силы. Причины возникновения сторонних сил в различных источниках тока различны. Например в аккумуляторах и гальванических элементах сторонние силы возникают благодаря протеканию химических реакций, в генераторах электростанций они возникают при движении проводника в магнитном поле, в фотоэлементах - при действия света на электроны в металлах и полупроводниках.
Электродвижущей силой источника тока называют отношение работы сторонних сил к величине положительного заряда, переносимого от отрицательного полюса источника тока к положительному.
Сила тока - скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через проводник, ко времени, за которое этот заряд прошел.
где I - сила тока, q - величина заряда (количество электричества), t - время прохождения заряда.
Плотность тока - векторная физическая величина, равная отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.
где j -плотность тока, S - площадь сечения проводника.
Направление вектора плотности тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.
Напряжение - скалярная физическая величина, равная отношению полной работе кулоновских и сторонних сил при перемещении положительного заряда на участке к значению этого заряда.
где A - полная работа сторонних и кулоновских сил, q - электрический заряд.
Электрическое сопротивление - физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи.
где ρ - удельное сопротивление проводника, l - длина участка проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.
Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению
где G - проводимость.
Закон Ома для однородного участка цепи.
Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении участка и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении.
где U - напряжение на участке, R - сопротивление участка.
Закон Ома для произвольного участка цепи, содержащего источник постоянного тока.
где φ1 - φ2 + ε = U напряжен ие на заданном участке цепи, R - электрическое сопротивление заданного участка цепи.
Закон Ома для полной цепи.
Сила тока в полной цепи равна отношению электродвижущей силы источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участка цепи.
где R - электрическое сопротивление внешнего участка цепи, r - электрическое сопротивление внутреннего участка цепи.
Из закона Ома для полной цепи следует, что сила тока в цепи с заданным источником тока зависит только от сопротивления внешней цепи R.
Если к полюсам источника тока подсоединить проводник с сопротивлением R
Последовательное и параллельное
Электрическая цепь включает в себя источника тока и проводники (потребители, резисторы и др), которые могут соединятся последовательно или параллельно.
При последовательном соединении конец предыдущего проводника соединяется с началом следующего.
Во всех последовательно соединенных проводниках сила тока одинакова:
Сопротивление всего участка равно сумме сопротивлений всех отдельно взятых проводников:
Падение напряжения на всем участке равно сумме паданий напряжений на всех отдельно взятых проводниках:
Напряжения на последовательно соединенных проводниках пропорциональны их сопротивлениям.
При параллельном соединении проводники подсоединяются к одним и тем же точкам цепи.
Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме токов, текущих в каждом проводнике:
Величина, обратная сопротивлению разветвленного участка, равна сумме обратных величин обратных сопротивлениям каждого отдельно взятого проводника:
Падение напряжения во всех проводниках одинаково:
Силы тока в проводниках обратно пропорциональны их сопротивлениям
Смешанное соединение - комбинация параллельного и последовательного соединений.
Для расчета разветвленных цепей, содержащих неоднородные участки, используют правила Кирхгофа. Расчет сложных цепей состоит в отыскании токов в различных участках цепей.
Узел - точка разветвленной цепи, в которой сходится более двух проводников.
1 правило Кирхгофа: алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю;
где n - число проводников, сходящихся в узле, Ii - сила тока в проводнике.
токи, входящие в узел считают положительными, токи, отходящие из узла - отрицательными.
2 правило Кирхгофа: в любом произвольно выбранном замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма произведений сил токов и сопротивлений каждого из участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС в контуре.
Чтобы учесть знаки сил токов и ЭДС выбирается определенное направление обхода контура(по часовой стрелке или против нее). Положительными считают токи, направление которых совпадает с направлением обхода контура, отрицательными считают токи противоположного направления. ЭДС источников электрической энергии считают положительными если они создают токи, направление которых совпадает с направлением обхода контура, в противном случае - отрицательными.
Электрический ток в жидкостях
В металлическом проводнике элект рический ток образуется направленным движением свободных электронов и что при этом никаких изменений вещества, из которого проводник сделан, не происходит.
Такие проводники, в которых прохождение электрического тока не сопровождается химическими изменениями их вещества, называются проводниками первого рода. К ним относятся все металлы, уголь и ряд других веществ.
Но есть в природе и такие проводники электрического тока, в которых во время прохождения тока происходят химические явления. Эти проводники называются проводниками второго рода. К ним относятся главным образом различные растворы в воде кислот, солей и щелочей.
Если в стеклянный сосуд налить воды и прибавить в нее несколько капель серной кислоты (или какой-либо другой кислоты или щелочи), а затем взять две металлические пластины и присоединить к ним проводники опустив эти пластины в сосуд, а к другим концам проводников подключить источник тока через выключатель и амперметр, то произойдет выделение газа из раствора, причем оно будет продолжаться непрерывно, пока замкнута цепь т.к. подкисленная вода действительно является проводником. Кроме того, пластины начнут покрываться пузырьками газа. Затем эти пузырьки будут отрываться от пластин и выходить наружу.
При прохождении по раствору электрического тока происходят химические изменения, в результате которых выделяется газ.
Проводники второго рода называются электролитами, а явление, происходящее в электролите при прохождении через него электрического тока, — электролизом.
Металлические пластины, опущенные в электролит, называются электродами; одна из них, соединенная с положительным полюсом источника тока, называется анодом, а другая, соединенная с отрицательным полюсом,— катодом.
Чем же обусловливается прохождение электрического тока в жидком проводнике? Оказывается, в таких растворах (электролитах) молекулы кислоты (щелочи, соли) под действием растворителя (в данном случае воды) распадаются на две составные части, причем одна частица молекулы имеет положительный электрический заряд, а другая отрицательный.
Частицы молекулы, обладающие электрическим зарядом, называются ионами. При растворении в воде кислоты, соли или щелочи в растворе возникает большое количество как положительных, так и отрицательных ионов.
Теперь должно стать понятным, почему через раствор прошел электрический ток, ведь между электродами, соединенными с источником тока, создана разность потенциалов, иначе говоря, один из них оказался заряженным положительно, а другой отрицательно. Под действием этой разности потенциалов положительные ионы начали перемешаться по направлению к отрицательному электроду — катоду, а отрицательные ионы — к аноду.
Таким образом, хаотическое движение ионов стало упорядоченным встречным движением отрицательных ионов в одну сторону и положительных в другую. Этот процесс переноса зарядов и составляет течение электрического тока через электролит и происходит до тех пор, пока имеется разность потенциалов на электродах. С исчезновением разности потенциалов прекращается ток через электролит, нарушается упорядоченное движение ионов, и вновь наступает хаотическое движение.
В качестве примера рассмотрим явление электролиза при пропускании электрического тока через раствор медного купороса CuSO4 с опущенными в него медными электродами.
Явление электролиза при прохождении тока через раствор медного купороса: С - сосуд с электролитом, Б — источник тока, В — выключатель
Здесь также будет встречное движение ионов к электродам. Положительным ионом будет ион меди (Си), а отрицательным — ион кислотного остатка (SO4). Ионы меди при соприкосновении с катодом будут разряжаться (присоединяя к себе недостающие электроны), т. е. превращаться в нейтральные молекулы чистой меди, и в виде тончайшего (молекулярного) слоя отлагаться на катоде.
Отрицательные ионы, достигнув анода, также разряжаются (отдают излишние электроны). Но при этом они вступают в химическую реакцию с медью анода, в результате чего к кислотному остатку SO4 присоединяется молекула меди Сu и образуется молекула медного купороса СuSО4, возвращаемая обратно электролиту.
Так как этот химический процесс протекает длительное время, то на катоде отлагается медь, выделяющаяся из электролита. При этом электролит вместо ушедших на катод молекул меди получает новые молекулы меди за счет растворения второго электрода — анода.
Тот же самый процесс происходит, если вместо медных взяты цинковые электроды, а электролитом служит раствор цинкового купороса ZnSO4. Цинк также будет переноситься с анода на катод.
Таким образом, разница между электрическим током в металлах и жидких проводниках заключается в том, что в металлах переносчиками зарядов являются только свободные электроны, т. е. отрицательные заряды, тогда как в электролитах электричество переносится разноименно заряженными частицами вещества — ионами, двигающимися в противоположных направлениях. Поэтому говорят, что электролиты обладают ионной проводимостью.
Допустим, направление тока в проводнике АВ сохранилось прежним. Тогда под действием электромагнитной силы проводник станет перемещаться влево со скоростью V. При движении он пересекает линии магнитной индукции и в нем индуцируется ЭДС, направление действия которой будет противоположно направлению тока 1. Такая ЭДС называется противодействующей ЭДС (противоЭДС). Она действует не только навстречу… Читать ещё >
Принцип действия машины постоянного тока ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )
Работа машины постоянного тока основана на электромагнитной индукции и возникновении электромагнитных сил, действующих на проводники с током в магнитном поле.
![Рис. 7.1.1.]()
При рассмотрении процессов, происходящих в машине постоянного тока, бывает удобно закон электромагнитной индукции формулировать относительно числа линий магнитной индукции, пересекаемых проводником в единицу времени (Е = BIV), а не изменения потока в контуре / г— d0 I.
L ~ ' -jj- >? Объясняется это тем, что при наличии сложных обмоток в машине не всегда просто и наглядно выделить интересующий контур.
Простейшее устройство для преобразования механической энергии в электрическую показано на рисунке 7.1.1. Если к проводнику АВ приложить внешнюю механическую силу и двигать его со скоростью Vто при пересечении им линий магнитной индукции в проводнике возникает ЭДС индукции Е, направление которой определяется правилом правой руки.
При отсутствии внешней цепи под влиянием ЭДС индукции на концах проводника АВ произойдет накопление противоположных электрических зарядов и появится напряжение, которое и уравновесит ЭДС индукции. При этом следует иметь в виду, что направление действия напряжения в проводнике АВ (источнике) противоположно направлению действия ЭДС Е.
Замыкание проводника АВ на внешний резистор R вызовет появление в цепи тока /, направление которого совпадает с направлением действия ЭДС Е. Наличие же тока в проводнике АВ приведет к созданию электромагнитной силы F", направление которой определяется правилом левой руки. Нетрудно видеть, что электромагнитная сила противоположна движущей механической силе.
В процессе преодоления электромагнитных сил в машине и происходит преобразование механической энергии в электрическую, которая, в свою очередь, в замкнутой цепи преобразуется в другие виды энергии. В этом случае машина вырабатывает электрическую энергию и про нее говорят, что она работает в генераторном режиме. Эквивалентная схема этой простейшей машины показана на рисунке 7.1.2.
Необходимо подчеркнуть, что при работе машины в генераторном режиме ЭДС и ток совпадают по направлению и в машине возникают электромагнитные силы, препятствующие движению проводников (якоря) (28, "https://referat.bookap.info").
Рассмотренную элементарную машину можно использовать и для преобразования электрической энергии в механическую. С этой целью проводник АВ следует соединить с источником постоянного тока (рис. 7.1.3).
![Рис. 7.1.2.]()
![Рис. 7.1.3.]()
Допустим, направление тока в проводнике АВ сохранилось прежним. Тогда под действием электромагнитной силы проводник станет перемещаться влево со скоростью V. При движении он пересекает линии магнитной индукции и в нем индуцируется ЭДС, направление действия которой будет противоположно направлению тока 1. Такая ЭДС называется противодействующей ЭДС (противоЭДС). Она действует не только навстречу току, но и навстречу приложенному напряжению.
Проводник, движущийся под действием электромагнитных сил, совершает работу, и при этом электрическая энергия преобразуется в механическую. В этом случае машина является двигателем или, как говорят, она работает в двигательном режиме.
При работе машины в двигательном режиме электромагнитные силы являются движущими, а возникающая ЭДС Е противоположна току / по направлению.
Эквивалентная схема машины в двигательном режиме показана на рисунке 7.1.4.
![Рис. 7.1.4.]()
Рис. 7.1.4.
Таким образом, одна и та же машина может работать в двигательном или генераторном режиме, т. е. быть двигателем или генератором. Свойство обратимости электрических машин постоянного тока было впервые сформулировано Б. С. Якоби .
Мы рассмотрели принцип устройства простейшей машины с поступательным движением проводников. Обычно в электрических машинах используют вращательное движение проводника в магнитном поле. Это значительно упрощает конструкцию машин.
Раздельные частицы накапливаются на полюсах источника тока, - так называют места, к которым с помощью клемм или зажимов подсоединяют проводники. Один полюс источника тока заряжается положительно, другой - отрицательно. Если полюсы соединить проводником, то под действием поля свободные заряженные частицы в проводнике будут двигаться, возникнет электрический ток.
Содержание работы
Файлы: 1 файл
1 Постоянный и перемнный ток.docx
Электропитание систем автоматизации
"Постоянный и переменный ток"
- Введение………………………………………………………… ………..….…3
- Основные определения………………………………………………… …. 4
- Постоянный ток………………………………………………….……….……4
- Переменный ток……………………………………………………………. .5
- Получение переменного тока…………………………………………….…. 5
- Действующее значение силы тока и напряжения……………………….….6
- Достоинства и недостатки……………………………………………….… …6
- Список литературы…………………………………………………… .……. 8
постоянный переменный ток
Что же такое электрический ток и что необходимо для его возникновения и существования в течение нужного нам времени?
Электрический ток широко используется в энергетике для передачи энергии на расстоянии.
Электрический ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Различают переменный и постоянный токи.
Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняется во времени.
Переменный ток — это ток, направление и величина которого меняется во времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы. В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
Время, за которое происходит один такой цикл (время, включающее изменение тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц соответствует одному периоду в секунду.
Постоянный ток, электрический ток, не изменяющийся с течением времени ни по силе, ни по направлению. Постоянный ток возникает под действием постоянного напряжения и может существовать лишь в замкнутой цепи; во всех сечениях неразветвлённой цепи сила постоянный тока одинакова.
Основные законы постоянный ток: закон Ома, устанавливающий зависимость силы тока от напряжения, закон Джоуля — Ленца, определяющий количество тепла, выделяемого током в проводнике. Расчёт разветвленных цепей производится с помощью правил Кирхгофа.
Источниками постоянного тока большой мощности являются электромашинные генераторы. Так же его получают выпрямлением переменного. Источниками тока небольшой мощности служат гальванические элементы, термоэлементы, фотоэлементы, которые могут быть сгруппированы в батареи (в т. ч. солнечные батареи), и электромашины малой мощности. Новыми источниками с высоким кпд являются магнитогидродинамические генераторы. Вторичными, предварительно заряжаемыми источниками постоянного тока служат аккумуляторы.
Постоянный ток низкого напряжения используется в различных отраслях промышленности, например в электрометаллургии для расплава и электролиза руд, в первую очередь алюминиевых, и т.п. Он применяется в тяговых электродвигателях на транспорте, а также в электроприводах, когда необходимы двигатели, обладающие большой перегрузочной способностью, скорость которых можно плавно и экономично менять в широких пределах. Питание устройств связи, автоматики, сигнализации и телемеханики производится постоянным током. Разрабатывается проблема передачи энергии такого тока практически без потерь по сверхпроводящим линиям.
Как мы уже знаем, электрический ток бывает постоянным и переменным. Но широко применяется только переменный ток. Это обусловлено тем, что напряжение и силу переменного тока можно преобразовывать практически без потерь энергии.
Переменный ток, в отличие от тока постоянного, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени. характеризуется двумя параметрами — периодом и амплитудой, зная которые мы можем судить, какой это переменный ток, и построить график тока.
Получение переменного тока
Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явлений электромагнитной индукции. На рисунке изображена примитивная установка для выработки переменного тока.
Принцип действия установки прост. Проволочная рамка вращается в однородном магнитном поле с постоянной скоростью. Своими концами рамка закреплена на кольцах, вращающихся вместе с ней. К кольцам плотно прилегают пружины, выполняющие роль контактов. Через поверхность рамки непрерывно будет протекать изменяющийся магнитный поток, но поток, создаваемый электромагнитом, останется постоянным. В связи с этим в рамке возникнет ЭДС индукции. Для того чтобы определить, изменяется ли магнитный поток, проходящий по поверхности рамки, нужно всего лишь сравнить положение рамки в определенные периоды времени. Для этого нужно внимательно посмотреть на рисунке.
Действующие значения силы тока и напряжения
Как известно, переменная ЭДС индукции вызывает в цепи переменный ток. При наибольшем значении ЭДС сила тока будет иметь максимальное значение и наоборот. Это явление называется совпадением по фазе. Несмотря на то что значения силы тока могут колебаться от нуля и до определенного максимального значения, имеются приборы, с помощью которых можно замерить силу переменного тока.
Характеристикой переменного тока могут быть действия, которые не зависят от направления тока и могут быть такими же, как и при постоянном токе. К таким действиям можно отнести тепловое. К примеру, переменный ток протекает через проводник с заданным сопротивлением. Через определенный промежуток времени в этом проводнике выделится какое-то количество тепла. Можно подобрать такое значение силы постоянного тока, чтобы на этом же проводнике за то же время выделялось этим током такое же количество тепла, что и при переменном токе. Такое значение постоянного тока называется действующим значением силы переменного тока.
Амперметры и вольтметры магнитоэлектрической системы не позволяют производить замеры в цепях переменного тока. Это происходит потому, что при каждом изменении тока в катушке меняется направление вращающего момента, которое воздействует на стрелку прибора. Из-за того что катушка и стрелка обладают большой инерцией, прибор не реагирует на переменный ток. Для этих целей применяются приборы, не зависящие от направления тока. Например, это могут быть приборы, основанные на тепловом действии тока. В таких приборах стрелка поворачивается за счет удлинения нити, нагреваемой током.
Можно также применять приборы с электромагнитной системой действия. Подвижной частью в данных приспособлениях является железный диск небольшого диаметра.
Он перемагничивается и втягивается внутрь катушки, через которую пропущен переменный ток. Такие приборы измеряют действующие значения силы тока и напряжения.
Достоинства и недостатки
Электрические станции вырабатывают электрическую энергию трехфазного переменного тока, который передается на большие расстояния по трем проводам. Частота переменного тока, питающего промышленные установки, в разных странах различна. Она колеблется от 25 до 60 периодов в секунду (герц). В России, как и в большинстве стран, промышленная частота принята равной 50 Гц.
Одно из отрицательных свойств переменного тока в том, что провода, по которым протекает ток, необходимо рассчитывать на максимальное значение силы тока, а практически используется немногим более 2/3 этого значения. Есть и другие отрицательные следствия. Явление электромагнитной индукции приводит, например, к тому, что переменный ток в проводах распределяется не равномерно по всему сечению, а главным образом вблизи поверхности. Благодаря тому, что используется не все сечения проводов, их сопротивление реально возрастает. Далее, переменный ток, как и ток постоянный, окружен магнитным полем, но полем переменным. А такое поле, согласно закону электромагнитной индукции, вызывает в соседних проводах и в других проводящих материалах электрические токи, что приводит к бесполезной потере энергии.
Все эти недостатки полностью отсутствуют у постоянного тока. Почему же все-таки переменный ток практически безраздельно господствует в технике и в быту?
Необходимость высокого напряжения видна из следующего простого расчета. Допустим, что электрическая мощность Р = 66 кВт передается от электростанции в город под напряжением 220 В (именно такое напряжение обычно используется потребителями). Пусть сопротивление ЛЭП равно 0,4 Ом. Тогда сила тока в ЛЭП составит I = 66 000 Вт / 220 В = 300 А, а выделившееся в линии количество теплоты — Q = I2R =(300 A)2·0,4 Ом = 36 000 Вт. Больше половины передаваемой мощности (54,5 %) будет потеряно в виде тепла в ЛЭП! А теперь представим себе, что та же мощность по той же ЛЭП передается при напряжении 22 000 В. Теперь ток в цепи будет равен I = 66 000 Вт / 22 000 В = 3 А, а выделившееся количество теплоты — Q = (3 A)2·0,4 Ом = 3,6 Вт. Потеряно будет всего около 0,005 %! Вот почему электрическая энергия по ЛЭП всегда передается при очень высоком напряжении — 110, 220, 330, 400, 500 и даже 750 киловольт.
Однако те недостатки переменного тока, которые были изложены выше, заставляют думать о том, нельзя ли все-таки для передачи электрической энергии использовать постоянный ток, конечно, тоже высокого напряжения? Это сделать непросто. Действительно, сначала нужно переменное напряжение, после его повышения, преобразовать в постоянное (для этого служат выпрямители), а затем на другом конце ЛЭП — превратить переданное постоянное напряжение в переменное (это можно сделать с помощью устройств, называемых инверторами), чтобы напряжение можно было понизить до значения, нужного потребителю.
Для техники в равной мере нужны и полезны оба тока. В некоторых случаях незаменим постоянный ток, например там, где используется электролиз. Но без переменных токов не было бы радиосвязи, телевидения и т. д.
Читайте также:
