Приемники электрической энергии

Источники электрической энергии.

Одной из основных характеристик источников электрической энергии является ЭДС. Количественно ЭДС характеризуется работой А, которая совершается при перемещении заряда в один Кулон в пределах источника

. (1.1)

Графически ЭДС изображают стрелкой в кружке. Направление стрелки совпадает с направлением ЭДС. Перемещение заряда определяет ток источника. Прохождение тока сопровождается потерями на нагрев источника. Количественно потери удобно определять внутренним сопротивлением R_вн. Поэтому условное графическое обозначение источника ЭДС представляет последовательное включение ЭДС Е и внутреннего сопротивления R_вн (рис. 1.4).

Символами 1 - 1’ обозначены зажимы источника. Разность потенциалов на зажимах источника называется напряжением U[B]. Стрелками показаны положительные направления тока и напряжения. Когда ключ К разомкнут, ток в цепи равен нулю и напряжение на зажимах источника равно ЭДС. Замкнем ключ К. В цепи возникнет ток

(1.2)

При этом напряжение на зажимах источника станет равным

(1.3)

Зависимость напряжения U на зажимах источника от тока I изображена на рис. 1.5а.

г

Рис.1.5

Если у источника ЭДС R_вн = 0, то вольтамперная характеристика его будет в виде прямой рис. 1.5б. Такой источник называют идеальным. Напряжение на зажимах такого источника не зависит от тока.

Если у некоторого источника увеличивать Е и R_вн до бесконечности, то его вольтамперная характеристика примет вид рис. 1.5в. Такой источник питания называют источником тока. Ток источника

(1.4)

не зависит от сопротивления нагрузки. Реальный источник тока имеет конечные значения Е и R_вн, а его условное графическое обозначение приведено на рис. 1.5г.

При расчете электрических цепей реальный источник электрической энергии с конечными Е и R_вн заменяют источником ЭДС или источником тока (рис. 1.6а,б).

Рис.1.6

Ток в нагрузке R_н одинаков и равен

.

Для схемы рис. 1.6а это очевидно, и следует из того, что R_вн и R_н включены последовательно. Для схемы рис. 1.6 б известно, что ток I_т = Е/R_вн, распределяется обратно пропорционально параллельно включенным R_вн и R_н, т.е.

=.

Источники питания могут иметь постоянную ЭДС - Е или переменную е(t), изменяющуюся во времени по заданному закону. В первом случае в цепи протекает постоянный ток, и она называется цепью постоянного тока. Во втором случае ток i(t) и напряжение u(t) переменные, поэтому цепь называется цепью переменного тока. В электротехнике чаще других применяются синусоидальные ток и напряжение.

Приемники электрической энергии делятся на пассивные и активные.

Пассивными называют приемники в которых под действием приложенного напряжения не возникает ЭДС. Вольтамперные характеристики пассивных приемников проходят через начало координат. При отсутствии напряжения ток этих элементов равен нулю. Основной характеристикой пассивных элементов является сопротивление. Пассивные элементы, сопротивление которых не зависит от приложенного напряжения, называются линейными. Реально таких элементов не существует. Но весьма близки к ним резисторы, реостаты, лампы накаливания и др. Зависимость напряжения от тока в таких элементах определяется законом Ома, т.е. U = IR, где R - сопротивление элемента. Эта зависимость не меняется, если напряжение и ток - переменные.

К приемникам электрической энергии относятся емкостные и индуктивные элементы. Основной параметр емкостного элемента - емкость С. Единица измерения - Фарада [Ф]. При постоянном напряжении, приложенном к емкости, на ее обкладках накапливается заряд

. (1.5)

Ток через емкость не протекает. Это означает, что сопротивление емкости в цепи постоянного тока равно бесконечности. Если к емкости приложено переменное напряжение u(t), то и заряд на ее обкладках становится переменным

. (1.6)

В этом случае в цепи возникает ток

. (1.7)

Выражение (1.7) позволяет определить падение напряжения на емкости, если в цепи протекает переменный ток.

. (1.8)

Очевидно, что сопротивление емкостного элемента переменному току определяется законом Ома, но зависит не только от величины, но и от формы тока и напряжения.

Основным параметром индуктивного элемента является индуктивность - L. Единица измерения - Генри [ Гн ]. Если через индуктивность L протекает постоянный ток I, то в ней возникает постоянное во времени потокосцепление самоиндукции

. (1.9)

Будем полагать, что элемент L идеальный, т.е. сопротивление витков r отсутствует. Очевидно, что при этом падение напряжения на элементе равно нулю.

Предположим, что индуктивный элемент подключен к источнику переменного тока i(t). Потокосцепление также будет переменным y(t) = L×i(t). Изменяющееся потокосцепление наводит в катушке ЭДС самоиндукции

. (1.10)

Так как r = 0, то ЭДС е_L(t) уравновешивает напряжение, приложенное к индуктивности

. (1.11)

Выражение (1.11) позволяет определить ток индуктивности, если известно приложенное к ней напряжение u(t).

. (1.12)

Кроме пассивных,в электротехнике применяются активные приемники. К ним относятся электродвигатели, аккумуляторы в процессе их заряда и др. В цепи переменного тока при определенных условиях роль активных элементов выполняют индуктивность и емкость. В активных элементах возникает противо - ЭДС Е. Приложенное к приемнику напряжение уравновешивается противо-ЭДС и падением напряжения на сопротивлении элемента, т.е.

. (1.13)

Дата добавления: 2014-01-06