Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Електричні і МАГНІТНІ КОЛА
Загальні відомості про електричні ланцюги
Головне завдання електротехніки - передача і використання електромагнітного поля для приведення в дію потужних машин, механізмів, джерел світла, тепла і для інших енергетичних перетворень. В електротехніці електромагнітне поле передається з однієї точки простору в іншу вздовж проводів, завдяки чому вдається здійснити високу ступінь концентрації електромагнітного поля і несомой їм енергії в просторі діелектрика, навколишнього дроти [1]. Широко використовуються процеси, при яких напруга і струм змінюються в часі за гармонійним законом. Проміжок часу, після закінчення якого значення цих величин повторюються, носить назву періоду Т. Величина, зворотна періоду, називається частотою і вимірюється в uерцах (Гц) (циклах в секунду - циклічна частота). Також використовуються одиниці: 1 кГц = 10 3 Гц; 1 МГц = 10 6 Гц; 1 ГГц = 10 9 Гц; 1 ТГц = 10 12 Гц.
Електромагнітне поле, що розповсюджується в просторі з певною швидкістю n, називають електромагнітною хвилею. За період Т електромагнітна хвиля поширюється на відстань довжини хвилі: l = nТ = n / f. Для вакууму і повітря швидкість n = с = 3 × 10 8 м / с і довжина хвилі l [м] = c / f = = 300 / (f [МГц]).
Якщо заряди знаходяться в русі, то з ними пов'язано і магнітне поле, т. Е. Магнітна складова електромагнітного поля Н. Вимірюється Н в амперах на метр [А / м]. Будь-яке рух заряджених частинок (скорочено - зарядів) називається електричним струмом. Струм в провідному середовищі називають струмом проводімості.Еслі через розглянуту поверхню середовища за проміжок часу Dt переноситься кількість електрики Dq, то миттєве значення струму (значення його в даний момент часу) визначається за виразом:
Таким чином, струм визначається як скалярна величина, що дорівнює межі відносини кількості електрики, що переноситься зарядженими частинками крізь розглянуту поверхню протягом певного проміжку часу, до величини цього проміжку часу, коли останній прямує до нуля. Вимірюється в амперах (А).
Струм може бути незмінним в часі. Тоді його називають постійним струмом і зазвичай позначають буквою I. Постійний струм I дорівнює кількості електрики, переносимого через розглянуту поверхню в одиницю часу (секунду): I = q / t, де q - кількість електрики, перенесене за час t. ВообщеI є функцією часу і може мати різні величину і знак в різні моменти часу.
Сукупність пристроїв, призначених для проходження в них електричних струмів, називається електричним колом. Будь-яка ланцюг містить один або кілька джерел (генераторів) електромагнітної енергії, званих активними елементами ланцюга. Всі інші її ділянки носять найменування пасивних елементів. Для перенесення елементарного заряду dq через будь-якої пасивний ділянку ланцюга, необхідно затратити енергію dw = udq. Тут u- миттєве значення напруги (різниці потенціалів) на затискачах пасивного ділянки ланцюга. Напруга визначається як межа відносини роботи сил електричного поля при перенесенні заряду через заданий пасивний ділянку до величини цього заряду, коли останній прямує до нуля: u = dw / dq. Вимірюється u в вольтах (В) .Напруга - скалярна величина. У загальному випадку воно є функцією часу u = u (t).
Якщо напруга не залежить від часу, його називають постійною напругою і зазвичай позначають U. Постійна напруга U дорівнює роботі сил поля при перенесенні одиничного заряду уздовж заданої ділянки ланцюга: U = W / q, де W - робота сил поля при перенесенні заряду q.
Миттєве значення швидкості зміни енергії, що надходить в ланцюг, називається миттєвою потужністю і визначається за формулою: p = ui. Миттєва потужність вимірюється в джоулях в секунду (Дж / с) або у ВАТ (Вт).
Параметри ланцюга. Ідеалізовані пасивні елементи
Для кількісного опису процесів, що відбуваються в ланцюгах, введені в розгляд величини, звані параметрами ланцюга. Перший з них - опір. Це пасивний елемент ланцюга, в якому електромагнітна енергія не запасається, а тільки необоротно перетворюється в який-небудь інший вид енергії.
Подібний елемент практично неможливий і може розглядатися лише як абстрактна модель деякого реального об'єкта. Розглянутий ідеалізований ділянку ланцюга називається опором і умовно зображується спеціальним графічним позначенням і символом R. Незважаючи на те що струм I- скалярна величина, в теорії ланцюгів йому умовно приписують напрям, який вибирається довільно, вважається позитивним і позначається стрілкою на зображенні провідника. Як спрямовуючу силу струму вважають напрям руху або позитивних, або негативних зарядів (електронів).
Хоча напруга u- скалярна величина, йому також довільно приписують умовно позитивний напрямок і відзначають його стрілкою. Як правило, напрямки напруги і струму вважають співпадаючими. При цьому умови (якщо в якості напрямку струму взято напрямок руху позитивних зарядів) позитивним буде напруга, спрямоване від більш високого потенціалу (+) до нижчого (-). Зі сказаного випливає, що замість стрілки можна на кресленні вказувати полярність (+, -). Якщо обрані напрямки струму і напруги співпадають, то відповідно до закону Ома. встановленому експериментально:
ЗдесьR- параметр ділянки кола, що називається так само, як і сам елемент, опором і вимірюваний в Омасі; g = 1 / R - провідність, яка вимірюється в Сіменса (сім). Опір провідника довжиною l метрів і площею поперечного перерізу S (м 2) визначається наступним чином:
Миттєва потужність, що виділяється на опорі, відповідає виразу:
Потужність дорівнює швидкості зміни енергії. В даному випадку pвиражает миттєву швидкість витрачання енергії в опорі; вона в будь-який момент часу позитивна. Це означає, що в будь-який момент енергія надходить з джерела в опір і тут перетворюється в інший вид енергії. Реальний елемент, що наближається за своїми властивостями до опору, називається резистором.
Параметром, кількісно характеризує запасається в ланцюзі магнітну енергію, є індуктивність. Ділянка ланцюга, що представляє собою виток, що охоплює площу S. через який проходить струм i. пронизує магнітний потік:
рівний потоку вектора магнітної індукції В = mн через площу S. Магнітний потік вимірюється в Вебера, а магнітна індукція - в тесла. Абсолютна магнітна проникність середовища m = m0 mr. [Гн / м], де m0 = 4p × 10 -7 Гн / м - магнітна постійна; mr - відносна магнітна проникність. Індуктивністю витка називається відношення магнітного потоку до току: L = Ф / i. Якщо магнітний потік виміряно в Вебер, а струм в Амперах, індуктивність виражається в генрі (Гн).
У тих випадках, коли прагнуть отримати якомога більшу індуктивність, провідник згортають в котушку. Якщо котушка містить w однакових витків, то повний магнітний потік і індуктивність збільшуються в w раз: L = wmSH / i.
Ідеалізований елемент ланцюга, що не володіє опором (т. Е. Вільний від витрачання енергії), в якому може запасатися енергія магнітного поля, але якому не властиво накопичувати електричну енергію, називається (так само як параметр, що визначає зв'язок між струмом i і магнітним полем Ф ) індуктивністю.
Коли струм, що протікає через індуктивність, змінюється в часі (di / dt ¹ 0), в ній індукується ЕРС самоіндукції ЕL. Якщо дляi і ЕL обрані однакові позитивні напрямки і якщо L не залежить ні від часу t, ні від струму i, то, відповідно до закону електромагнітної індукції:
Збільшенню струму відповідає негативна (спрямована назустріч йому) индуктированная ЕДС.Напряженіем (падінням напруги) на індуктивності називають велічінуuL = -eL = L (di / dt). Позитивні напрямки i і uL збігаються.
Енергію, запасені в магнітному полі індуктивності, визначають наступним чином:
Миттєва потужність має сенс швидкості зміни запасеної в магнітному полі енергії: pL = dWL / dt = uL i = Li (di / dt).
Фізичним елементом, властивості якого наближаються до індуктивності, є котушка індуктивності. що представляє собою в найпростішому випадку спіраль з провідника, намотану на діелектричному каркасі.
Параметром ланцюга, що визначає енергію, що запасається в електричному полі, є ємність. Якщо до двох електродів підведено напругу і, на них накопичуються рівні за величиною різнойменні заряди ± q і в навколишньому просторі створюється електричне поле. Ємність зазвичай визначають як С = q / і. Якщо заряд виміряно в кулонах, а напруга в вольтах, ємність виражається в Фарада.
Ідеалізований ділянку ланцюга, що не володіє опором (вільне володіння від витрачання енергії), в якому може запасатися енергія електричного поля, але якому не властиво накопичувати магнітну енергію, називається ємністю (так само як і параметр, що визначає зв'язок між напругою і та електричним потоком ФЕ).
Прийнявши для токаi і напруги на ємності uc однакові напрямки і враховуючи, що q = Сіc, і вважаючи, що ємність не залежить ні від часу, ні від напруги ИC, маємо:
Визначимо енергію Wc, що запасається в електричному полі ємності. Вважаючи, що С від напруги не залежить, отримаємо:
Миттєва потужність рс має в даному випадку сенс швидкості зміни запасеної в електричному полі енергії:
Залежно від знака швидкості зміни напруги потужність рс може бути або позитивною, або негативною. Величина рс> 0 в ті моменти часу, коли енергія надходить з джерела в електричне поле і ємність заряджається. Навпаки, рс <0. когда энергия возвращается из электрического поля в источник и происходит разряд емкости.
Конденсатор є деталлю ланцюга, наближеною моделлю, якої може служити ємність.