Лекционный материал по общепрофессиональной дисциплине ОП.02 Электротехника

Электрическая цепь. Источники и приемники электрической энергии.

1. Электрическая цепь

Совокупность устройств, образующих путь электрического тока, называется электрической цепью

Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи, называется элементом электрической цепи.

Простейшая электрическая цепь состоит из трех основных элементов:

1.Источники электрической энергии;

2.Приемники электрической энергии;

3.Соединительные провода

Схема электрической цепи- это графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов, показывающее соединения этих элементов

2. Источники и приемники электрической энергии

2.1. Источники электрической энергии

Источники электрической энергии- это преобразователи какого- либо вида

неэлектрической энергии в электрическую.

Основным видом таких устройств являются электромеханические генераторы.

Источники переменного тока:

На тепловых электростанциях- турбогенераторы;

На гидроэлектростанциях – гидрогенераторы.

Источники постоянного тока:

Электромеханические генераторы;

Электрохимические источники- гальванические элементы, топливные элементы;

Термоэлектрогенераторы;

Фотоэлектрогенераторы (преобразуют лучистую энергию в электрическую)

Величина характеризующая способность вызывать электрический ток, называется электродвижущей силой источника ЭДС.

Е= ;

где, Е- электродвижущая сила (В);

А_ст- работа сторонних сил (Дж);

Q- электрический заряд (Кл)

Энергия источника

W_И=ЕIt;

где, W_И- энергия источника (Вт·с);

I- сила тока (А);

t- время (с)

Мощность источника- это электрическая энергия, получаемая источником в единицу времени.

Р_И= =EI;

где, Р_И- мощность источника (Вт);

-энергия источника (Вт·с);

Е- электродвижущая сила (В);

I- сила тока (А);

t- время (с)

Коэффициент полезного действия (КПД) оценивает эффективность работы источника

ŋ= = ;

где, ŋ-КПД источника;

- мощность приемника (Вт);

Р_И- мощность источника (Вт);

2.2. Приемники электрической энергии

Приемники электрической энергии- это преобразователи электрической энергии в другие виды энергии:

механическую- электродвигатели;

тепловую- печи, нагревательные элементы;

световую- лампы электрического освещения;

химическую- электролитические ванны, аккумуляторы

Энергия приемника

W_П=UIt=I²Rt;

где, W_П- энергия приемника (Вт·с);

U- напряжение (В);

I- сила тока (А);

t- время (с);

R-электрическое сопротивление (Ом)

Количество теплоты выделенное при прохождении постоянного тока в проводнике (закон Джоуля- Ленца)

Q= I²Rt (Дж) (джоули);

Q=0,24·I²Rt(Кал) (Калории);

где, Q- количество теплоты

Мощность приемника- это скорость преобразования электрической энергии в другой вид энергии

Р_П= UI=I²R;

где, - мощность приемника (Вт);

U- напряжение (В);

I- сила тока (А);

t- время (с);

R-электрическое сопротивление (Ом)

Контрольные вопросы:

1.Что называется электрической цепью?

2. Основные элементы электрической цепи?

3. Что называется электрической схемой?

4. Что называется источником электрической энергии?

5. Что относится к источникам постоянного тока?

6. Что относится к источникам переменного тока?

7. Что относится к источникам постоянного тока?

8. Как определить ЭДС, энергию, мощность, КПД источника?

9. Единицы измерения ЭДС, энергии, мощности, КПД источника?

10.Что называется приемником электрической энергии?

11. Как определить энергию, мощность приемника?

12. Единицы измерения энергии, мощности приемника?

Задачи для самостоятельного решения

Задача 1

Электропечь работала в течении 5 часов при напряжении 220В. Потребляемая мощность печи 5000Вт. Определить сопротивление печи, ток и израсходованную энергию.

Задача 2

Определить время, необходимое для зарядки аккумулятора, если напряжение, подведенное к батарее 24В, сопротивление R=10Ом, а затраченная энергия 0,35кВт.

Режимы электрических цепей

1. Номинальный режим

Источники и приемники электрической энергии характеризуются номинальными величинами тока, напряжения, мощности, на которые эти устройства рассчитаны заводами –изготовителями для нормальной работы.

Режим работы при котором действительные токи, напряжения, мощности элементов соответствуют номинальным величинам, называется номинальным.

2. Рабочий режим

Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от номинальных, но отклонения находятся в допустимых пределах, режим называется рабочим.

Уравнения энергетического баланса

W_И=W_П+W_О

ЕIt= I²Rt+ I²rt

где, W_И= ЕIt –энергия источника;

W_П= I²Rt –энергия приемника;

W_О= I²rt –энергия потерь в источнике;

r- внутреннее сопротивление источника

Баланс мощности

ЕI= I²R+ I²r

где, Р_И= ЕI- мощность источника;

Р_П= I²R- мощность приемника;

Р_О= I²r- мощность потерь в источнике

Баланс напряжений

Е= IR+ Ir

где, Е –ЭДС источника;

U= IR - напряжение на внешних зажимах источника (на приемнике);

U_О= Ir –падение напряжения внутри источника

Закон Ома для полной цепи

I=

3. Режим холостого хода

Соответствует размыканию цепи, при котором ток в цепи или ее элементах равен нулю.

I=0; R ; U=Е

4. Режим короткого замыкания

Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами и напряжение на этом участке равно нулю, называется режимом короткого замыкания.

U=0; R I= I_к=

Контрольные вопросы для подготовки к отчету:

1. Что называется номинальным режимом?

2. Что называется рабочим режимом?

3. Как определить энергетический баланс электрической цепи?

4. Как составить баланс мощности?

5. Как составить баланс напряжений?

6. Как записать закон Ома для полной цепи?

7. Что называется режимом холостого хода?

8. Чему равны ток, напряжение, сопротивление при холостом ходе?

9. Что называется режимом короткого замыкания?

10. Чему равны ток, напряжение, сопротивление при коротком замыкании?

Задачи для самостоятельного решения:

Задача 1

Кислотный аккумулятор с ЭДС Е=2,5В с внутренним сопротивлением r=0,2 Ом замкнут на потребитель с сопротивлением R=2,6 Ом. Определить ток в цепи, напряжение на зажимах источника, мощность источника, приемника, потерь. Составить баланс мощности.

Задача 2

Определить внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи, если её ЭДС Е=6В, напряжение на зажимах генератора U=5,6В, ток в цепи I=0,2 А.Составить баланс мощности.

Соединение резисторов

1.Последовательное соединение резисторов

Последовательным называется соединение, когда конец одного резистора соединяется с началом следующего и ток на всех резисторах одинаковый.

I=I₁=I₂=…=I_n

Общее сопротивление при последовательном соединении:

R=R₁+R₂+…+R_n

Общее напряжение в цепи:

U=U₁+U₂+…+U_n

2.Параллельное соединение резисторов

Параллельным называется соединение, когда начала и концы всех резисторов подсоединяются к паре узлов и напряжение на всех резисторах одинаково.

U=U₁=U₂=…=U_n

Общий ток определяется :

I=I₁+I₂+…+I_n

Общее сопротивление при параллельном соединении:

= + +…+ или G=G₁+G₂+…G_n

где G= ; G₁= ; G₂= ; G_n= - электрические проводимости

Общее сопротивление двух параллельно соединенных резисторов:

R₁₂=

Задание:

Задача 1.

Три резистора с сопротивлениями R₁=2Ом, R₂=4Ом, R₃=6Ом соединены последовательно, напряжение на зажимах U=120В. Найти ток I, общее сопротивление цепи R, напряжение на каждом участке U₁, U₂,U₃, мощности каждого элемента P₁, P₂, P₃.

Задача 2

Два резистора с сопротивлением R₁=6Ом и R₂= 4Ом соединены параллельно, напряжение на зажимах U=24В. Найти токи I, I₁ I₂, общее сопротивление R