Энергия и мощность в электрической цепи. Баланс мощности

В источнике электрической энергии, так же, как и в нагрузке (в резисторах) происходит необратимое преобразование электрической энергии в тепло. Это учитывается внутренним сопротивлением R0 источника ЭДС, показываемого на схеме замещения отдельным резистором, включённым последовательно с ЭДС E.

Работа, совершаемая источником электрической энергии за время t, т.е. работа по разделению зарядов сторонними силами в источнике равна W=E*Q=E*I*t.

В приёмнике электрической энергии при напряжении U и токе расходуется энергия

Wпр=U*Q=U*I*t=I2 *R*t=U2 *t/R.

Мощность P характеризует интенсивность преобразования энергии из одного вида в другую за единицу времени.

Для цепей постоянного тока мощность источника

а мощность приёмника

В системе СИ энергия и мощность измеряются в Джоулях (Дж) и Ваттах (Вт) соответственно.

Для всех величин, введённых выше, применяются кратные и дольные единицы измерения

Энергия часто выражается в киловатт-часах. 1кВт*ч=3,6*106 Дж.

На основании закона сохранения энергии мощность, развиваемая всеми источниками электрической энергии, входящими в электрическую цепь, должна быть равна мощности преобразования электрической энергии в другие виды энергии всеми приёмниками, входящими в эту цепь:

ΣEiIi – алгебраическая сумма мощностей, развиваемых источниками (Если положительное направление тока через источник ЭДС, то источник ЭДС работает в режиме генератора и произведение E*I>0. Если же направление I и E противоположны, то источник ЭДС потребляет энергию, т.е. работает в режиме приёмника и произведение E*I<0).

ΣRjIj2 – сумма мощностей всех приёмников.

9 вопрос

Если два параллельно расположенных проводника подсоединить к источнику тока так, чтобы по ним прошел электрический ток, то в зависимости от направления тока в них проводники либо отталкиваются, либо притягиваются.

Объяснение этого явления возможно с позиции возникновения вокруг проводников особого вида материи - магнитного поля.

Силы, с которыми взаимодействуют проводники с током, называются магнитными.

Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равная

F = I·L·B·sina

I - сила тока в проводнике;

B - модуль вектора индукции магнитного поля;

L - длина проводника, находящегося в магнитном поле;

a - угол между вектором магнитного поля инаправлением тока в проводнике.

Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера.

Максимальная сила Ампера равна:

F = I·L·B

Ей соответствует a = 90градусов

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.

10 вопрос

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем в 1831 году. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина э. д. с. не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой э. д. с., называется индукционным током.

Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока.

При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС.

Это явление и называется самоиндукцией. (Понятие родственно понятию взаимоиндукции, являясь как бы его частным случаем).

Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Этим свойством ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.

Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока(переменного) i

Коэффициент пропорциональности L называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью контура (катушки)

11 вопрос

При подключении к источнику переменного тока с синусоидально изменяющейся э. д. с. электрических цепей с линейными сопротивлениями в них будут действовать синусоидально изменяющиеся напряжения и проходить синусоидально изменяющиеся токи. Переменные токи, э. д. с. и напряжения характеризуются четырьмя основными параметрами: периодом, частотой, амплитудой и действующим значением.

Период. Промежуток времени Т, в течение которого э. д. с, напряжение и или ток i совершают полный цикл изменений, называется периодом. Чем быстрее вращается виток или ротор генератора переменного тока, тем меньше период изменения э. д. с. или тока.

Частота. Число полных периодов изменения э. д. с, напряжения или тока в 1 с называется частотой,

f = 1 / T

Она измеряется в герцах (Гц), т. е. числом периодов в секунду. Чем больше частота, тем меньше период изменения тока, напряжения или э. д. с. (рис. 169,б). В Советском Союзе все электрические станции переменного тока вырабатывают ток, изменяющийся с частотой 50 Гц, т. е. 50 периодов в секунду. В автоматике и радиотехнике применяют электрические токи и более высоких частот. Такие частоты измеряются в килогерцах (1 кГц=103 Гц) и мегагерцах (1 МГц=106 Гц).

Из рис. 169,а следует, что в течение времени одного периода Т фаза?t тока (э. д. с. или напряжения) изменяется на угол 360°, или 2? радиан. Поэтому

? = 2?/T = 2?f

Эту величину называют угловой частотой переменного тока, она имеет размерность рад/с.

Амплитуда. Наибольшее значение переменного тока (переменных э. д. с. и напряжения) называют амплитудным значением, или амплитудой. В рассмотренном нами простейшем генераторе переменного тока (см. рис. 168, а) э. д. с. е дважды достигает амплитудного значения: во время первого полуоборота +Ет (направлена от начала витка к его концу), а во время второго полуоборота — Ет (направлена от конца витка к его началу). Точно так же за один период ток i 2 раза достигает амплитудного значения: Iт и — Iт. Амплитудное значение тока, напряжения и э. д. с. в формулах обозначают соответствующими буквами с индексами «т», т. е. Iт Uт, Ет и др.

12 вопрос

Для цепей переменного тока, в отличие от постоянного, закон Ома несколько изменяется, так как некоторые виды нагрузок ведут себя при прохождении изменяющегося во времени тока по-разному. Рассмотрим эти типы нагрузок.

Активная (резистивная) нагрузка. Для неё закон Ома выполняется в каждый момент времени и аналогичен закону Ома для постоянного тока. Примеры активной нагрузки: электрическая лампочка, нагревательный элемент (ТЭН), электрическая плита.

Индуктивная (реактивная) нагрузка преобразует в течение одной половины полупериода энергию электрического тока в магнитное поле, а течении следующей половины преобразует энергию магнитного поля в электрический ток. При этом в индуктивной нагрузке кривая тока отстаёт от кривой напряжения на ту же половину полупериода. Примером для данного вида нагрузок может быть дроссель или катушка индуктивности.

Ёмкостная (реактивная) нагрузка преобразует в течение одной половины полупериода энергию электрического тока в электрическое поле, а течении следующей половины преобразует энергию электрического поля в электрический ток. При этом в ёмкостной нагрузке кривая тока опережает кривую напряжения на ту же половину полупериода. Примером данного вида нагрузок может быть конденсатор.

Так как в природе не существует ничего идеального, чистые реактивные нагрузки в электротехнике не встречаются. Любая нагрузка имеет КПД ниже 100%, и часть энергии рассеивается в виде тепловых потерь, излучения и т.д. Поэтому в реальной, а не теоретической электротехнике применяется понятие активно-реактивной нагрузки.

Активно-индуктивная нагрузка может рассматриваться как последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и идеальной индуктивности. Примером таких нагрузок может быть обмоточный электромагнитный трансформатор, электродвигатель, электромагнитное пускорегулирующее устройство для люминесцентных ламп, катушка зажигания в автомобиле. Для этого вида нагрузок характерен бросок напряжения в момент размыкания электрической цепи.

Активно-ёмкостная нагрузка может рассматриваться как последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и идеальной ёмкости. Примером таких нагрузок может быть конденсатор, электронные блоки питания галогенных или люминесцентных ламп. Для этих нагрузок характерен бросок тока в момент замыкания электрической цепи, особенно если он произошёл в тот момент, когда напряжение в сети максимально, или близко к максимальному.При протекании тока через активно-реактивную нагрузку часть тока будет протекать через прибор, не производя никакой полезной работы. При этом максимумы и минимумы тока и напряжения будут достигаться в разное время, а кривые изменения по времени тока и напряжения будут не совпадать – оставаясь, при этом, периодическими функциями. Происходит сдвиг тока и напряжения по фазе. Косинус угла между током и напряжением является важной величиной в электротехнике и обозначается cos(?).

13 вопрос

Ряд Фурье — представление произвольной функции f с периодом \tau в виде ряда

где

— амплитуда k-го гармонического колебания,

— круговая частота гармонического колебания,

— начальная фаза k-го колебания,

— k-я комплексная амплитуда

В более общем виде рядом Фурье элемента гильбертова пространства называется разложение этого элемента по ортогональному базису. Существует множество систем ортогональных функций: Уолша, Лагера, Котельникова и др.

Разложение функции в ряд Фурье является мощным инструментом при решении самых разных задач благодаря тому, что ряд Фурье прозрачным образом ведёт себя при дифференцировании, интегрировании, сдвиге функции по аргументу и свёртке функций.

14 вопрос

Соединение – звездой Концы всех обмоток соединяются в одной точке генератора, так называемой нулевой точке. Затем производится соединение с потребителями, используя четыре провода: три – линейные провода, которые идут от начала обмоток 1, 2, 3, один – нулевой (нейтральный) провод, идущий от нулевой точки генератора. Такую систему называют еще четырехпроводной.

Соединение треугольником В этом случае конец предыдущей обмотки соединяется с началом последующей, образуя, тем самым, правильный треугольник. Линейные провода соединяются с вершинами треугольника – точками 1, 2, 3. При таком подключении фазное и линейное напряжения совпадают. В сравнении с подключением звездой, подключение треугольником снижает линейное напряжение примерно в 1,73 раза. Оно допускается лишь при условии одинаковой нагрузки фаз, иначе сила тока в обмотках может увеличиться, что представляет опасность для генератора. Отдельные потребители (нагрузки), которые питаются от раздельных пар проводов, точно так же могут соединяться или звездой или треугольником. В итоге получается ситуация, аналогичная генератору: при соединении треугольником – нагрузки находятся под линейным напряжением, при соединении звездой – напряжение в 1,73 раза меньше.