ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ Явление электрического тока проводимости имеет огромное практическое значение. С ним связаны важнейшие энергетические преобразования: получение электрической энергии из других видов энергии и обратное ее превращение; передача электрической энергии на расстояние. Эти энергетические преобразования осуществляются в электрических цепях. Электрическая цепь—это совокупность устройств и объектов, образующих путь электрического тока. Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и выполняющее в ней определенную функцию, называется элементом электрической цепи. Электрические цепи можно классифицировать: по виду тока — цепи постоянного и переменного тока; по составу элементов — цепи активные и пассивные, цепи линейные и нелинейные; по характеру распределения параметров —цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами. Электрические цепи переменного тока, кроме- того, различают по числу фаз — однофазные, многофазные (в основном трехфазные). стейшая электрическая цепь (рис. 3.1) состоит из грех иых элементов: источника электрической энергии 1, прием-0С'Т электрической энергии 2, соедини-Я"К ных проводов 3. Кроме основных ТСЛментов в электрические цепи входят элелиЧНые вспомогательные элементы ля управления (рубильники, переключатели контакторы и др.), защиты (плавкие предохранители, реле и т. д.), регулирования (реостаты, стабилизаторы Рис 31 тока и напряжения, трансформаторы), контроля (амперметры, вольтметры и т. д.). Вспомогательные элементы, так же как и основные, включаются в цепь с помощью проводов. Источники электрической энергии Источник электрической энергии—это преобразователь ка-кого-либо вида неэлектрической энергии в электрическую. В настоящее время основным видом такого преобразователя является электромеханический генератор — преобразователь механической энергии в электрическую. На тепловых электростанциях работают турбогенераторы — электрические машины, приводимые в движение тепловыми (паровыми, газовыми) турбинами, а на гидроэлектростанциях установлены гидрогенераторы— электрические машины с приводом от гидравлических турбин. Турбогенераторы и гидрогенераторы электростанций— это машины переменного тока. Для цепей постоянного тока применяются электромеханические генераторы постоянного тока; преобразователи химической энергии в электрическую —гальванические элементы и аккумуляторы; устройства для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую — термоэлектрогенерагоры. Источниками электрической энергии служат электрические трансформаторы и выпрямители. Эти устройства не вырабатывают электрическую энергию, а получают ее от тех же генераторов переменного тока, изменяют ее характеристики: трансформаторы изменяют величину напряжения, а выпрямители преобразуют переменное напряжение в постоянное. Трансформаторы и выпрямители, с одной стороны, являются приемниками электрической энергии, а с другой — источниками. Приемники электрической энергии Наиболее многочисленными и разнообразными элементами иектрических цепей являются приемники электрической }''ергии. Они преобразуют электрическую энергию в другие иДы энергии: механическую (электродвигатели переменного приборы, сварочные аппараты), световую (лампы э뫦 ктрического освещения, прожекторы), химическую (aKKj муляторы в процессе зарядки, электролитические ванн и др.). Для передачи и распределения электрической энергии служ¦ провода и кабели, с помощью которых соединяются в эле трические цепи источники, приемники электрической энерп и промежуточные устройства. В соединительных проводах и кабелях при наличии в mi электрического тока выделяется теплота, поэтому в расчет они выступают как приемники электрической энергии. Схемы электрических цепей При разработке, конструировании, монтаже электрическ» изделий и установок нельзя обойтись без электрических схел В зависимости от основного назначения различают нескольку типов схем: структурную, функциональную, принципиальну* монтажную и др. На принципиальной схеме приводится полный соста¦ элементов и указаны все связи между ними. Эта схед дает детальное представление о принципах работы изделия (установки). Электрическую цепь можно составить из элементов,] входящих в данное изделие или установку. В других случаях изделия (установки) сами являются элементами электрической цепи. Схема электрической цепи—это графическое изображение электрическ цепи, содержащее условные обозначения ее элементов, показывающее соединений этих элементов. Условные обозначения в электрических схемах установлены! стандартами системы ЕСКД. В электрических цепях и их схемах различают последовательное и параллельное соединения элементов. Будем считать, что каждый элемент для включения в цепь] имеет два зажима, из которых один условно назовем началом, а другой —концом данного элемента. При последовательном соединении группы элементов конец] предыдущего элемента соединен с началом следующего; начале первого элемента и конец последнего являются зажимами (н. к.) группы элементов, которыми она может быть присоединена] к другим участкам цепи (рис. 3.2, я). При параллельном соединении группы элементов начала] всех элементов соединены в одном зажиме, а концы й¦ другом; этими зажимами группа присоединяется к другим] участкам цепи (рис. 3.2, б Группы элементов между собой могут быть включены оследовательно или параллельно — так образуются сложные электрические цепи. Задачи Задача 3.1. Составить схему электрической цепи, в которой к аккумуляторной батарее присоединены три резистора. Один — регулируемый, включен [последовательно к группе из. двух нерегулируемых, соединенных между собой параллельно. В схеме предусмотреть управление с помощью двухполюсного выключателя, защиту плавкими предохранителями, измерение общего тока в цепи и напряжения на зажимах батареи. Задача 3.2. Составить схему электрической цепи, в которой четыре резистора (один из них регулируемый) образуют замкнутый контур в виде четырехугольника. В одной диагонали четырехугольника — гальванический элемент, присоединенный к цепи через однополюсный выключатель; в другой находится гальванометр, который можно включить и выключить кнопочным выключателем. Задача 3.3. Составить схему электрической цепи, в которой последовательно включены два нерегулируемых резистора, аккумуляторная батарея и генератор постоянного тока. С помощью переключателя батарею и генератор можно включить согласно или встречно. В схеме предусмотреть защиту цепи плавкими предохранителями, измерение тока, измерение напряжения на зажимах батареи и генератора одним вольтметром с помощью переключателя. Задача 3.4. Составить схему электрической цепи, в которой генератор постоянного тока и аккумуляторная батарея, включенные параллельно, снабжают энергией внешнюю часть цепи, состоящей из трех нерегулируемых резисторов, включенных также параллельно. Каждый элемент цепи присоединяется к ней однополюсным выключателем. В схеме предусмотреть измерение общего напряжения, тока в каждом источнике и общего тока приемников энергии. § 3.2. ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ДРУГИХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ Физические процессы получения электрической энергии различаются в зависимости от вида преобразуемой энергии. Главное различие состоит в природе сил, которые разделяют положительный и отрицательный заряды в веществе. На электрически заряженные частицы кроме сил электрического поля при определенных условиях действуют сторон-¦'Ие силы, обусловленные неэлектромагнитными процессами Химические реакции, тепловые процессы, контактные явления и т. д.). рических зарядощ и образуется электродвижущая сила (ЭДС). В гл. 10 показано, что разделение зарядов в электропрово. ной среде происходит также под действием электромагнитный сил (например, при движении заряженных частиц в магнитно поле), в результате чего индуцируется электрическое пол и образуется ЭДС. Величина, характеризующая способность стороннего поля и индуцирова электрического поля вызывать электрический ток, называется электролвижу силой. Рассмотрим примеры преобразования химической, теплово" лучистой энергии в электрическую, физический смысл и ко-, личественное выражение электродвижущей силы (о преобразовании механической энергии в электрическую см. § 10.3) Преобразование химической энергии в электрическую Электрохимическими источниками электрической энергии являются гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы. На рис. 3.3 показана цинковая пластинка, опущенная в водный раствор серной кислоты (электролит). Цинк растворяется в электролите, причем в раствор переходят положительные, ионы Zn + . Раствор заряжается положительно, а цинк — отрица тельно. Растворение цинка обусловлено химическими силами В области контакта цинк — раствор появляется электрическое поле образовавшихся ионов, направленное от раствора к цинку. I По мере растворения цинка растет заряд, а вместе с ним и напряженность электрического поля. Электрическое поле противодействует переходу ионов Zn+ в раствор, поэтому на определенной стадии растворение цинка прекращается. Такое равновесное состояние соответствует равенству двух сил, действующих на ионы Zn + : химических, под действием которых цинк растворяется, и электрических, препятствующих растворению. Растворение цинка прекращается при наличии некоторой раз-; ности потенциалов U t между ци нком и раствором. Если в тот же раствор поместить пластинку из другого вещест ва, то описанный процесс будет иметь место и в этом случае. Но полученная разность потенциалов U2 может быть другой величины больше или меньше Ul. разуется элемента и Г,' с 3.4, Я, о). (РИлрИ соединении пласта Г— II проводником в замкну-1 й цепи будет действовать ЭДС химического элемента Ел=и1 — и2 (3.1) и установиться электрический ТОК. В данном случае ЭДС со-! здается и поддерживается при работе элемента химическими силами (сторонние силы) и, следовательно, можно говорить о преобразовании химической энергии в электрическую. Электрический ток в гальваническом элементе сопровождается необратимыми электрохимическими процессами, которые можно описать определенными химическими реакциями. Применение гальванических элементов ограничено — в единицу времени они могут дать лишь незначительное количество электрической энергии, а срок их работы невелик и заканчивается, когда активное вещество электродов в определенной степени будет израсходовано. Значительно большее применение имеют аккумуляторы, электрохимические процессы которых обратимы. Обратимость электрохимических процессов позволяет проводить многократную зарядку и разрядку аккумуляторов. При зарядке в них накапливается определенное количество химической энергии (за счет израсходованной электрической энергии), а при разрядке эта энергия может быть использована в электрической цепи в виде электрической энергии. Рис. 3.4 соответствует режиму разрядки свинцового аккумулятора. Дальнейшим развитием техники прямого преобразования химической энергии в электрическую является создание топливных элементов. Электрическая энергия в них (как и в гальванических элементах) получается при химических реакциях, в ходе которых Расходуются активные материалы: топливо (водород, природный газ, нефтепродукты и т. п.) и окислитель (кислород, воздух). Запас активных материалов непрерывно пополняется, поэтому топливный элемент (в отличие от гальванического) в принципе может работать сколь угодно долго. си vui нескольких ватт до сотен киловатт в единице)1 открывают возможность широкого применения топливных! элементов и прежде всего для привода различных автономны транспортных средств. Электрохимические генераторы просты в эксплуатации,! бесшумны, не создают радиопомех и отходов, загрязняющих] воздух. Преобразование тепловой энергии в электрическую Непосредственное преобразование тепловой энергии в элек трическую можно осуществить, используя явления в контакте двух металлов или полупроводников, где действуют сторонние силы, которыми обусловлена диффузия заряженных частиц. § Величина контактной разности потенциалов зависит не только от свойств контактирующих материалов, но и от .температуры контакта, так как с температурой связаны энергия свободных электронов и их концентрация. Рассматривая замкнутую цепь из двух разных металлов] (рис. 3.5, а), можно убедиться в том, что при одинаковой * температуре контактов / и 2 электрического тока в цепи не¦ получится, так как контактные разности потенциалов, определя- j емые формулой (2.12), в обоих контактах одинаковы, но направлены в противоположные стороны по цепи uKl-uK2-Al-A'+A2-Al-o. Если один из контактов, например' 1, нагреть (fj > t2), то равновесие нарушится —в контакте 1 появится дополнительный скачок потенциала, связанный с нагревом. В этом случае Utl>Ut2. В цепи образуется термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), абсолютное значение которой пропорционально разности температур контактов: Однако концентрация свободных -к 1 понов в металлах велика и при Эр0еходе из одного металла в дру-ой меняется очень мало. В связи Г этим контактная разность потенциалов оказывается незначительной и мало зависит от температуры. Рис 36 По этой причине металлические уепмоэлементы имеют очень малые ЭДС и КПД и применяются для измерения температур (рис. 3.5, б). В отличие от металлов в полупроводниках при увеличении температуры сильно увеличиваются концентрации свободных электронов и дырок. Это свойство полупроводников позволяет получить более высокие термоЭДС и КПД термоэлементов. Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников (п и р на рис. 3.6). Один имеет электронную, а другой—дырочную электропроводность. При нагревании полупроводников в месте соединения их металлической пластинкой сильно увеличивается концентрация свободных носителей заряда. Поэтому в полупроводниках возникает диффузия их от горячего конца к холодному. В полупроводнике с электронной электропроводностью к холодному концу перемещаются электроны, в результате чего этот конец заряжается отрицательно. В другом полупроводнике к холодному концу перемещаются дырки, образуя положительный заряд. Возникшая разность потенциалов противодействует диффузии, и при некоторой величине ее устанавливается равновесие сил электрического поля и сторонних сил, под действием которых идет процесс диффузии носителей заряда. Эта разность потенциалов и является термоЭДС полупроводникового термоэлемента. Если к холодным концам полупроводников подключить токопроводящий элемент, например резистор, то образуются замкнутая цепь и электрический ток в ней. В 1964 г. в СССР создан первый в мире термоэлектрический генератор для прямого преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую (установка «Ромашка» мощностью 500 Вт). Ведутся работы с целью увеличения мощности и КПД термоэлектрогенераторов. Преобразование лучистой энергии в электрическую Концентрация и энергия свободных носителей заряда в полупроводниках могут увеличиваться не только при нагревании, но и под действием лучистой энергии (свет, инфракрасное излучение). Проводимость полупроводников, обусловленная действием На них лучистой энергии, называется фотопроводимостью ствия группы электронных приборо называемых фотосопротивлениями. Рис. 3.7 поясняет действие тверчог фотоэлемента с запирающим слоем (вен тильного фотоэлемента) в фотогенера торном режиме. В вентильном фотоэлементе осущес вляется контакт двух полупроводнике один из которых обладает электронной электропроводность^ а другой—дырочной. Благодаря диффузии электронов и дыро через я-/>-переход во взаимно противоположных направления образуется контактная разность потенциалов Ux. Если полу проводники освещаются, в них за счет поглощения световой энергии образуются неосновные свободные носители заряда электроны в /^-полупроводнике и дырки в л-полупроводнике Эти электроны и дырки под действием электрического поля, в свою очередь, направляются через л-/>-переход: дырки — в дырочный полупроводник, а электроны — в электронный. Освещение контакта приводит к нарушению равновесия основных носителей заряда, в результате которого потенциальный барьер в контакте уменьшается и устанавливается новое состояние равновесия при меньшей величине его, равной UK,C. Разность потенциальных барьеров в контакте полупровод ников в неосвещенном и освещенном состояниях называется фотоэлектродвижущей силой: EC = UX-UKC. (3.4) ФотоЭДС тем больше, чем интенсивнее освещается полупроводник. После соединения полупроводников возникает ток в цепи и происходит преобразование лучистой энергии в электрическую. Фотоэлектрические генераторы предназначены для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую и в насто ящее время применяются в космической технике. ЭДС и мощность источника электрической энергии Возникновение электродвижущей силы Е во всех случаях связано с работой сторонних сил по перемещению заряженных частиц. Количественная оценка этого явления дается величиной работы, приходящейся на единицу заряда: E=AJQ. (3.5) Единицей измерений ЭДС, так же как и напряжения, является вольт (В). Положительное направление ЭДС совпадает с направлением, в котором сторонние силы действуют на частицы с положительным зарядом. Это соответствует и положительному направТаким образом, в источнике электрической 1°г ии направления ЭДС и тока совпадают. эНер1бота сторонних сил Аст равна энергии, отдаваемой чником питания во внешнюю цепь. Эта энергия называется вс1°1,тпИческой энергией источника: э л е к 1 У W„ = ACT = EQ. (3.6) Перемещенный заряд Q можно выразить через ток в ис- тоЧнике: Q = H, поэтому Wn — Elt. (3.7) формула (3.7) позволяет подсчитать энергию, выработанную источником за определенный промежуток времени t, используя [электрические показатели цепи—ЭДС источника и ток, но не позволяет оценить работоспособность источника. Действительно, определенное количество электрической энергии может быть получено от разных источников, но за разное время. Работоспособность источников можно оценить, сравнивая количество энергии, вырабатываемое за одно и то же время, например за 1 с. Величина энергии, вырабатываемой за единицу времени, т. е. скорость преобразования энергии в источнике, называется мощностью источника: _W,_Elt. Ри = Е1. Единица энергии — джоуль (Дж). Единица мощности [/']= [Wtt] = джоуль/секунда = ватт (Вт). Из формулы (3.8) следует, что ватт = вольт • ампер; джоуль = вольт • ампер • секунда = ватт • секунда. Указанные единицы мощности и энергии являются основными. Измерять большие мощности и количества энергии Удобнее более крупными единицами, чем ватт и джоуль. [Поэтому пользуются производными единицами: 1 киловатт (кВт)=ю3Вт; 1 мегаватт (МВт)=106Вт; 1 киловатт-час (кВт-ч)= Ю00• 3600 = 36• 105 Вг с (или Дж). Задачи ¦ьбцша-Дача Два генератора постоянного тока, работая круглосуточно на К " приемник, выработали вместе за месяц 96000 кВт ч электроэнергии, это впСНИе сут этого месяца первый генератор находился в ремонте. За ПоКа,. М5 счетчик электрической энергии, установленный на линии к приемнику, ал --4 000 кВт ч. Определить мощность и ЭДС каждого генератора, если во врсми jjauwibi пика ibiBdji - 11 i \, а в пи второго = 1000 A. Решение. По условию задачи черчена электрическая схема (рис. 3 где Гх и Г2 — генераторы; Я—прием Whi и Wh2—счетчики электрической э ргии; Ai и А 2 — амперметры; В, и В2 выключатели; Л и /2 — токи генерато /„—ток приемника; ?\ и Е2—ЭДС нераторов. Мощность второго генератора о р о о делим по показаниям счетчика за 10 в которые первый генератор наход: в ремонте. В это время второй генератор работал один: Pi г = Л 2 r/f,- 24 000/(24 10) =100 кВт. Энергия, выработанная первым генератором за месяц, А1г=Л-Л2г=96000 - 24000-3 = 24000 кВт ч. Мощность первого генератора Лr=A,X =24000/(24 • 20) = 50 кВт. ЭДС второго генератора Ei = Pirlh= 100000/1000= 100 В. ЭДС первого генератора Е, = Р, Tj 1\ = 50 000/500 = 100 В. Задача 3.6. Аккумуляторная батарея при разрядке работала с ток /=50 А в течение 10 ч. Определить мощность батареи, если ее ЭДС в тече:: всего периода работы оставалась практически постоянной, равной 2Г Определить стоимость электрической энергии, выработанной батареей, цене 4 коп. за 1 кВт • ч. Задача 3.7. Определить плотность тока в проводах сечением 10 м соединяющих приемник с генератором, суточная выработка энергии которJ составляет 120 кВт ч при ЭДС Е- 100 В.