Направление, величина и плотность тока. Электродвижущая сила (ЭДС), электрический потенциал и напряжение.

Вопрос

Направление, величина и плотность тока. Электродвижущая сила (ЭДС), электрический потенциал и напряжение.

Рассмотрим источник электрической энергии постоянного тока на примере гальванического элемента ( рис. 2.10, а), представляющего собой две пластины – из меди Cu и цинка Zn, помещенные в раствор серной кислоты. Чистая кислота не проводит электрического тока. Но при растворении ее в дистиллированной воде она распадается на ионы, заряженные положительно и отрицательно

Раствор кислоты, щелочи или соли в дистилированной воде или другом растворителе называют электролитом, а процесс распада химических соединений под действием растворителя на ионы – электролитической диссоциацией.

Вследствие химических процессов положительные ионы цинка переходят в раствор серной кислоты, оставляя на цинковой пластине избыток отрицательных свободных зарядов. Одновременно в растворе серной кислоты тяжелые и подвижные положительные ионы водорода к медной пластине, на поверхности которой происходит восстановление нейтральных атомов водорода. При этом медная пластина теряет свободные отрицательные заряды, т.е заряжается положительно.

Между разноименно заряженными пластинами возникает однородное электрическое поле напряженностью , которое препятствует направленному движению ионов в растворе. При значении напряженности поля накопление зарядов на пластинах прекращается. Напряжение, равное разности потенциалов между пластинами, при котором накопление зарядов прекращается, служит количественной мерой сторонней силы ( в данном случае химической природы), стремящейся к накоплению заряда.

Электродвижущей силой называется количественная мера сторонней силы. Для гальванического элемента ЭДС Е равна

где d – расстояние между пластинками; – напряжение, равное разности потенциалов между выводами пластин в режиме холостого хода, т.е при отсутствии тока в гальваническом элементе.

Если к выводам гальванического элемента подключить приемник, например резистор, то в замкнутой цепи возникнет ток. Направленное движение ионов в растворе кислоты сопровождается их взаимными столкновениями, что создает внутреннее сопротивление гальванического элемента постоянному току. Гальванический элемент, эскизное изображение которого дано на рис. 2.10 а, а обозначение на принципиальных схемах – на рис. 2.10 б, можно представить схемой замещения рис. 2.10 в, состоящей из последовательно включенных ЭДС Е источника и резистивного элемента сопротивлением , равным его внутреннему сопротивлению. Стрелка ЭДС указывает направление движения положительных зарядов в гальваническом жлементе под действием сторонних сил. Стрелка напряжения указывает направление движения положительных зарядов под действием сил электрического поля в приемнике, если его подключить к гальваническому элементу.

Схема замещения на рис. 2.10 в справедлива для любых других источников электрической энергии постоянного тока, которые отличаются от гальванического элемента физической природой ЭДС и внутреннего сопротивления.

Источники ЭДС и источник тока

Источник ЭДС

Если внутреннее сопротивление источника электрической энергии во много раз меньше сопротивления цепи нагрузки, то напряжение источника по (2.6) при токе по закону Ома и значениях сопротивлений практически равно ЭДС

Источник энергии с малым внутренним сопротивлением можно заменить идеализированной моделью, для которой . Такой идеализированный источник электрической энергии называется идеальным источником ЭДС и характеризуется одним параметром . Напряжение между выводами идеального источника ЭДС не зависит от тока, а его внешняя характеристика определяется выражением

(2.7)

Которому соответствует прямая на рис. 2.12, б. Такой источник называется также источником напряжения. На этом же рисунке показано обозначение идеального источника ЭДС на схемах.

Источник тока

Если внутреннее сопротивление источника электрической энергии во много раз больше сопротивления цепи нагрузки, то ток источника при значениях сопротивлений практически равен его току короткого замыкания

Источник электрической энергии с большим внутренним сопротивлением можно заменить идеализированной моделью, у которой и E и для которой справедливо равенство . Такой идеализированный источник электрической энергии называется идеальным источником тока и характеризуется одним параметром Ток источника тока не зависит от напряжения между его выводами, а его внешняя характеристика определяется выражением

I = J = const, (2.8.)

Которому соответствует прямая на рис 2.12, в. На этом же рисунке дано обозначение источника тока на схемах. Участок внешней характеристики с отрицательным значением напряжения соответствует потреблению источником тока энергии из внешней относительно него цепи

От схемы замещения источника энергии на рис 2.11, а можно перейти к эквивалентной схеме замещения с источником тока. Для этого разделим все слагаемые уравнения (2.6.) на внутреннее сопротивление источника :

Или

J =

Вопрос № 2

Активное сопротивление – способность проводника создавать препятствия движению зарядов в электрическом поле (ток).

R=(pl)|S

где: R – удельное сопротивление проводника;

l – длина проводника;

S – поперечное сечение.

Проводимость (G) – величина обратная сопротивлению =

G=1/R; Проводимость измеряют в сименсах (См).

Работа совершаемая электрическим полем при перемещении положительного заряда Q вдоль неразветвленного участка ав электрической цепи, не содержащей источников электрической энергии = произведению этого заряда на напряжение между концами этого участка.

A=QU; Дж

Q=It

A=UtI; Дж

Мощность тока служит для оценки энергетических условий (позволяет определить как быстро совершается работа), измеряется в Вт.

P_R = IU=I²К, Вт

В любой электрической цепи должен соблюдаться баланс мощностей:

Баланс: алгебраическая сумма мощностей всех источников энергии должна = алгебраической сумме мощностей приемников энергии.

_источн = _потреб

_ист I _ист = _RI_R (I²_RR)

Электрическая цепь, или цепь постоянного тока, в общем случае содержит источники электрической энергии, приемники электрической цепи, измерительные приборы, аппараты автоматики и управления, соединительные линии и провода.

В источниках электрической энергии осуществляется преобразование в электрическую энергию каких-либо других форм энергии, например энергии химических процессов в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловой энергии в термопреобразователях на основе термопар.

Изображение цепи

Принципиальная схема показывает назначение электротехнических устройств и их взаимодействие, но неудобна при расчетах режима работы цепи. Для того чтобы выполнить расчет, необходимо каждое электротехническое устройство представить его схемой замещения.

Ветвь схемы состоит из одного или нескольких последовательно соединенных элементов, каждый из которых имеет два вывода ( начало и конец), причем к концу каждого предыдущего элемента присоединяется начало следующего.

Схема замещения цепи

При включении различного количества приемников, изменении их параметров или сопротивлений регулировочных резисторов будут изменяться напряжения, токи и мощности в электрической цепи, от значений которых зависит режим работы цепи и ее элементов. Наиболее характерными являются следующие режимы работы: номинальный, согласованный, холостого хода и короткого замыкания.

Номинальным называется режим, при котором данный элемент электрической цепи работает со значениями различных величин (тока, напряжения и др.), на которые он рассчитан заводом - изготовителем а которые называются его номинальными (или техническими) данными. Номинальные данные указываются в справочной литературе, технической документации или на самом элементе.
Под режимом холостого хода понимается такой режим, при котором приемник отключен от источника. При этом источник не отдает энергию во внешнюю цепь, а приемник не потребляет ее.
Режимом холостого хода двигателей считается режим, возникающий при работе двигателей без механической нагрузки на валу.
Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при соединении между собой выводов источника, приемника или соединительных проводов, а также иных элементов электрической цепи, между которыми имеется напряжение. При этом сопротивление в месте соединения оказывается практически равным нулю. Режим короткого замыкания является следствием выхода из строя изоляции, обрыва проводов, поломки деталей, небрежности обслуживающего персонала.
Согласованным является режим, при котором мощность, отдаваемая источником или потребляемая приемником, имеет максимальное значение. Такое значение получается при определенном соотношении (согласовании) параметров электрической цепи.

В общем случае

Ток (2.3а)

Уравнение (2.3а) математически выражает закон Ома для участка цепи, содержащего источник ЭДС; знак плюс перед Е соответствует рис. 2.6, а, знак минус - рис. 2.6, б.

Законы Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа

Второй закон Кирхгофа

Равна нулю

Для составления уравнения, по второму закону Кирхгофа, необходимо выбрать направление обхода контура (по часовой стрелке или против). Далее напряженее которое совпадает со входом контура берут со знаком плюс, а те которые не совпадают со знаком минус. По второму закону Кирхгофа, в любом (замкнутом) контуре справедливо равенство алгебраических сумм мгновенных значений напряжений на сопротивлениях контура и ЭДС:

Заменив напряжения и ЭДС на соответствующие комплексы, получим выражение для второго закона Кирхгофа в комплексной форме:

где - количество элементов в контуре,

- количество ЭДС в контуре.Пример:

В линейных электрических цепях синусоидальный ток возникает под действием синусоидальной Э.Д.С. Синусоидальную зависимость можно получить, вращая с постоянной скоростью в равномерном магнитном поле проводник в виде прямоугольной рамки площадью S. Тогда магнитный поток через рамку

где - угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции .

Поскольку при равномерном вращении рамки угловая скорость , то угол будет изменяться по закону =>

Тогда

где – емкостное сопротивление, имеющее размерность Ом.

№16

Р = U_rI = I²r — активная мощность цепи, Вт, кВт

Q = Q_L - Q_С = I²x — реактивная мощность цепи, вар, квар, это та мощность, которой приемник обменивается с сетью;

S = UI = I²z — полная мощность цепи. В • А, кВ • А

cos φ = r/z = P/S—коэффициент мощности цепи

Можно установить следующие связи между Р, Q, S и cos φ:

P = S cos φ = UI cos φ;
Q = S sin φ = UI sin φ;
S = √ P² + Q² = UI.

Реактивные (индуктивная, емкостная) мощности, обусловленные соответственно энергией магнитного поля индуктивности и электрического поля емкости, не совершают никакой полезной paботы, однако они оказывают существенное влияние на режим работы электрической цепи. Циркулируя по проводам трансформаторов, генераторов, двигателей, линий передач, они нагревают их. Поэтому расчет проводов и других элементов устройств переменного тока производят, исходя из полной мощности S, которая учитывает активную и реактивную мощности.

Рис. 2.13. Схема включения приборов для измерения активной, реактивной и полной мощностей цепи, а также ее параметров

Откуда

r = P/I².

Полное сопротивление цепи

z = U/I.

Провода, соединяющие фазы генератора и приемника, называются линейными (провода А-А, В-В, С-С). Точка О – нулевая (нейтральная) точка генератора, соответственно точка, О' – нулевая (нейтральная) точка приемника, потребителя. Провод, соединяющий точки О – О', называется нулевым, или нейтральным.

Напряжение между началом и концом фазы называется фазным напряжением (U_А, U_B, U_С). Ток, протекающий по фазе, называется фазным током (I_А, I_В, I_С). Напряжение между двумя любыми линейными проводами называется линейным напряжением (U_AB, U_BC, U_CA).

Ток, протекающий по линейному проводу, называют линейным (I_А, I_B, I_С). Как видно из схемы рис. 3.4, если потребители соединены в звезду с нулевым проводом, то фазный ток равен линейному току (I_ф= I_л), а напряжения отличаются в раз (). В данной схеме могут быть два напряжения, отличающиеся в раз, поэтому ГОСТ установил следующие номинальные напряжения приемников переменного тока — 127, 220, 380, 660 В, соответственно применяется три системы 220/127; 380/220 и 660/380.

Линейные напряжения равны разности фазных напряжений:

19) Совокупность трех однофазных цепей переменного тока, в которых действуют ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе, называется трехфазной системой. Однофазные цепи, входящие в состав трехфазной системы, называются фазами. При сдвиге фаз между ЭДС, напряжениями и токами на 120град. и равенстве их амплитудных значений трехфазная система называется симметричной.
При соединении звездой концы фаз соединяются в один общий узел, называемый нулевой или нейтральной точкой, которые обозначают N или 0 для генератора и n – для приемника. Фазы источника с началом фаз приемника соединяются линейными проводами. Токи, протекающие по этим проводам, называют линейными.
Напряжения, действующие между началами отдельных фаз приемника U_ab, U_bc и U_ca, называются линейными, а напряжения, действующие между началом и концом фаз U_a, U_b, U_c – фазными. Токи I_А, I_В, I_С, протекающие по фазам, называют фазными, а ток I_N в нейтральном проводе называется нейтральным.

При соединении фаз трехфазного симметричного источника звездой справедливо соотношение между линейными и фазными напряжениями:

U_Л = U_ФПри соединении звездой линейные токи равны соответствующим фазным токам IЛ = IФ.

Ток в нейтральном проводе в соответствии с первым законом Кирхгофа для узла n равен:

İ А+ İ В + İ С = İ N.

Если концы всех фаз генератора соединить в общий узел, а начала фаз соединить с нагрузкой, образующей трехлучевую звезду сопротивлений, получится трехфазная цепь, соединенная звездой. При этом три обратных провода сливаются в один, называемый нулевым или нейтральным. Трехфазная цепь, соединенная звездой, изображена на рис

Соединение нейтральных точек генератора и приёмника электроэнергии нейтральным проводом позволяет снизить напряжение смещения нейтрали практически до нуля и выровнять фазные напряжения на приёмнике электроэнергии. Небольшое напряжение будет обусловлено только сопротивлением нулевого провода.

Измерения и виды измерений

Измерением называют нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных средств измерения. По способу получения результата измерения подразделяют на прямые, косвенные, совокупные, совместные.

Прямые измерения – измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находится непосредственно из опытных данных, т. е. сравнением её с единицей физической величины или по показаниям измерительных приборов, градуированных в этих единицах.

Косвенные измер. – измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находится на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым, а иногда совокупным прямым измерениям.

Методы измерений

Й. Дифференциальный метод заключается в сравнении с мерой, но по этому методу на измерительное устройство воздействует разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой (чашечные весы).

Термометры расширения

Действие термометров расширения основано на изменении объема жидкостей и твердых тел при изменении температуры. Из термометров расширения наиболее широко применяют жидкостные стеклянные термометры. Такой термометр заполняется жидкостью (ртуть, толуол, этиловый спирт и др.), которая с увеличением темпера туры расширяется и поднимается вверх по капилляру.

В технике также приходится считаться с тепловым расширением: рельсовые стыки, мостовые опоры, ввод тока в лампах накаливания, железобетон (железо и бетон имеют одинаковые коэффициенты расширения), расширение электрических проводов при нагревании их током.

Манометрические термометры

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из (рис. 2)из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, - металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. Манометрические термометры часто используют в системах автоматического регулирования температуры, как бесшкальные устройства информации (датчики).Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

1. жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жидкостью;

2 конденсационные, в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично – ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью;

Милливольтметр

Вольтметр — измерительный прибор непосредственного отсчёта для определения напряжения или ЭДС в электрических цепях. Подключается параллельно нагрузке или источнику электрической энергии.

Потенциометр

Потенцио́ метр — регулируемый делитель электрического напряжения, представляющий собой, как правило, резистор с подвижным отводным контактом (движком). С развитием электронной промышленности помимо «классических» потенциометров появились также цифровые потенциометры. Такие потенциометры, как правило, представляют собой интегральные схемы, не имеющие подвижных частей и позволяющие программно выставлять собственное сопротивление с заданным шагом.

Большинство разновидностей переменных резисторов могут использоваться как в качестве потенциометров, так и в качестве реостатов, разница в схемах подключения и в назначении (потенциометр — регулятор напряжения, реостат — силы тока).

Потенциометры используются в качестве регуляторов параметров (громкости звука, мощности, выходного напряжения и т. д.), для подстройки внутренних характеристик цепей аппаратуры (подстроечный резистор), на основе прецизионных потенциометров построены многие типы датчиков углового или линейного перемещения.

Термометр сопротивления представляет собой измерительное устройство, состоящее из термопреобразователя сопротивления, электроизмерительного прибора и проводов, соединяющих их между собой в единое целое.

Чувствительные элементы широко распространенных платиновых ТС представляют собой 2-х или четырехканальный керамический каркас, в каналы которого укладываются платиновые спирали из проволоки, закрепляемых в них глазурью.

Давление –физическая величина, равная нормальной поверхностной силе, приходящейся на единицу площади.Все тела, находящиеся на земной поверхности, испытывают со всех сторон одинаковое давление атмосферы, окружающей земной шар. Это давление называется атмосферным.

Сильфон— это тонкостенная трубка с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке. Сильфонный манометр — это деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является сильфон, представляющий собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, изготовленную из высокопрочного сплава. Предназначены для измерения разрежения и небольших избыточных давлений до 40 кПа.

Принцип действия сильфонного манометра основан на уравнивании избыточного давления силами упругой деформации сильфона. Избыточное давление подводят внутрь сильфона, при этом длина сильфона увеличивается, вследствие чего стрелка прибора через систему рычагов движется по шкале.

Используются в сложных эксплуатационных и технологических условиях, в пищевой, пивоваренной и фармацевтической промышленности, в энергетической технике, химической и нефтехимической индустрии, и других отраслях перерабатывающей промышленности.

№41 В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная давлению деформация или сила преобразуются в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. Большинство деформационных манометров и дифманометров содержат упругие чувствительные элементы, осуществляющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки.

Статической (упругой) характеристике чувствительного элемента, связывающей перемещение рабочей точки с давлением, присуще наличие начальной зоны пропорциональных перемещений, в которой имеют место упругие деформации, и нелинейной области, в которой возникают пластические деформации. Несовершенство упругих свойств материалов чувствительных элементов обусловливает наличие гистерезиса статической характеристики и упругое последействие. Последнее проявляется в запаздывании перемещения рабочей точки по отношению к приложенному давлению и медленном возвращении ее в начальное положение после снятия давления.

Форма и крутизна статической характеристики зависят от конструкции чувствительного элемента, материала, температуры. Рабочий диапазон выбирается в области упругих деформаций с обеспечением запаса на случай перегрузки чувствительного элемента давлением.

Полые одновитковые трубчатые пружины имеют эллиптическое или плоскоовальное сечение. Один конец пружины, в который поступает измеряемое давление, закреплен неподвижно в держателе, второй (закрытый) — может перемещаться. Под действием разности измеряемого внутреннего давления и внешнего атмосферного трубчатая пружина деформируется: малая ось сечения трубки увеличивается, большая уменьшается, при этом пружина раскручивается и ее свободный конец совершает перемещение в 1...3 мм. Для давлений до 5 МПа трубчатые пружины изготовляют из латуни, бронзы, а для более высоких давлений — из легированных сталей и сплавов никеля.

Сильфонные и мембранные чувствительные элементы имеют более широкие возможности для увеличения эффективной площади с целью получения требуемого перестановочного усилия, что позволяет использовать их для измерения малых избыточных давлений и разрежения. Сильфон — это тонкостенная трубка с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке. Жесткость сильфона зависит от материала, наружного и внутреннего диаметров, толщины стенки заготовки, радиуса закругления гофр r и угла их уплотнения a, числа гофр. Сильфоны бывают цельнотянутыми и сварными. Благодаря значительному прогрессу в технологии изготовления сильфонов, они получили широкое распространение в манометрах и дифманометрах с силовой компенсацией.

Наиболее разнообразными по конструкции являются мембранные чувствительные элементы: плоская или пластинчатая мембрана представляет собой гибкую тонкую пластину, закрепленную по окружности. Под влиянием разности давлений, действующих с обеих сторон на мембрану, ее центр перемещается. Плоская мембрана имеет нелинейную упругую характеристику и малые перемещения рабочей точки, в связи с чем ее в основном применяют для преобразования давления в силу (пьезоэлектрические преобразователи), поверхностные деформации (тензопреобразователи) и малые перемещения (емкостные и резонансные преобразователи). Преобразователи с такими чувствительными элементами рассмотрены в разделе электрических манометров.

Для улучшения статической характеристики используют гофрированные мембраны и мембранные коробки. Профили мембран могут быть пильчатыми, трапецеидальными, синусоидальными. Гофрирование мембраны приводит к увеличению ее жесткости, спрямлению статической характеристики и увеличению зоны пропорциональных перемещений рабочей точки. Более широко используются мембранные коробки, которые представляют собой сваренные или спаянные по внешней кромке мембраны. Жесткость коробки вдвое ниже жесткости каждой из мембран. В дифманометрах, чувствительных элементах регуляторов прямого действия используются мембранные блоки, включающие две коробки и более.

Для измерения малых давлений применяются вялые мембраны, изготовленные из бензомаслостойкой прорезиненной ткани. В центре мембраны крепятся металлические пластины, в одну из которых упирается винтовая пружина, выполняющая функции упругого элемента.

Упругие свойства материалов чувствительных элементов зависят от температуры. Так, у трубчатых пружин температурный коэффициент снижения жесткости при росте температуры достигает 3 * 10 -4°С. Это определяет необходимость защиты приборов от воздействия высоких температур измеряемой среды. С течением времени у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие, это приводит к снижению крутизны статической характеристики прибора и ее смещению. Процесс изменения статической характеристики ускоряется при повышенной температуре и пульсации измеряемого давления. Конструкция деформационных манометров и дифманометров обычно предусматривает возможность коррекции отклонений показаний или выходного сигнала, вызванных старением упругого чувствительного элемента.

№42 ТЕНЗОДАТЧИКИ.

1) Одноточечные тензодатчики Мерадат К10:

Конструкция одноточечных тензодатчиков Мерадат К-10 позволяет использовать их для создания весов на одном датчике. Они применяются в платформенных весах на малые нагрузки. Принцип действия датчика основан на преобразовании механической деформации сдвига в пропорциональный электрический сигнал.

2) Тензодатчики малого веса Мерадат К-11:

Мостообразные тензодатчики

№43

Принцип действия электрических манометров (датчиков давления) основан на изменении электрических свойств чувствительных элементов.

Емкостные манометры представляют собой упругий мембранный манометр, в котором мембрана является одной из обкладок плоского конденсатора. При изменении давления меняется расстояние между обкладками конденсатора, что изменяет величину его емкости.

Основным достоинством емкостных датчиков давления являются:

Высокая чувствительность,

Малые масса и размеры,

Стабильность характеристик,

Простота конструкции;

К недостаткам относятся:

Вопрос

Направление, величина и плотность тока. Электродвижущая сила (ЭДС), электрический потенциал и напряжение.

12 3 4 5 6 7 8 Следующая ⇒