ЕЛЕКТРИЧНЕ КОЛО

ЕЛЕКТРИЧНЕ КОЛО

Явище електричного струму провідності має величезне прак­тичне значення. З ним пов'язані найважливіші енергетичні перетво­рення: добування електричної енергії з інших видів енергії й зворотне їй перетворення; передавання електричної енергії на відстань.

Ці енергетичні перетворення здійснюються в електричних колах.

Електричне коло — це сукупність пристроїв і об'єктів, які утворюють шлях електричного струму. Окремий пристрій, що входить до складу елек­тричного кола і виконує в ньому певну функцію, називається елементом електричного кола.

Електричні кола класифікують: за видом струму—кола постій­ного й змінного струму; за складом елементів — кола активні й пасив­ні, кола лінійні й нелінійні; за характером розподілу параметрів — кола із зосередженими й розподіленими параметрами.

Електричні кола змінного струму, крім того, розрізняють за кіль­кістю фаз — однофазні, багатофазні (в основному трифазні).

§ 3.1. ЕЛЕМЕНТИ І СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ

Найпростіше електричне коло (рис. 3.1) складається з трьох основних елементів: джерела електричної енергії /, приймача елект­ричної енергії 2, з'єднувальних проводів 3. Крім основних елемен­тів до складу електричних кіл входять різні допоміжні елементи для керування (рубильники, перемикачі, контактори та ін.), захисту (плавкі запобіжники, реле тощо), регулювання (реостати, стабілі­затори струму і напруги, трансформатори), контролю (амперметри, вольтметри та ін.). Допоміжні елементи, так само як і основні, вмика­ються в коло за допомогою проводів.

Перетворення променистої енергії на електричну

Концентрація і енергія вільних носіїв заряду в напівпровід­никах можуть збільшуватись не тільки при нагріванні, а й під дією променистої енергії (світло, інфрачервоне випромінювання).

Провідність напівпровідників, зумовлена дією на них променистої енергії, називається фотопровідністю (внутрішнім фото­ефектом). На явищі фотопровідності грунтується дія групи електрон­них приладів, які називаються фотоопорами.

Рис. 3.7 пояснює дію твердого фотоелемента із запірним шаром (вентильного фотоелемента) у фотогенераторному режимі.

  У вентильному фотоелементі здійснюється контакт двох напівпровідників, один з яких має електронну електропровідність, а другий — діркову. Завдяки дифузії електронів і дірок крізь п — р перехід у взаємно протилежних напрямах утворюється контактна різниця по­тенціалів UK. Якщо напівпровідники освітлю­ються, в них внаслідок поглинання світлової енергії утворюються неосновні вільні носії за­ряду — електрони в р-напівпровіднику і дірки в п-напівпровіднику. Ці електрони і дірки під дією електричного поля, в свою чергу, прямують через  — р перехід: дірки — в дірковий напівпровідник, а електрони — в електронний. Освітлення контакту призводить до порушення рівноваги основних носіїв заряду, внаслідок чого потен­ціальний бар'єр у контакті зменшується і встановлюється новий стан рівноваги при меншому значенні його, яке дорівнює UK.C.

Різниця потенціальних бар'єрів у контакті напівпровідників у неосвітленому та освітленому станах називається фото електрорушійною силою (фото - е. р. с.):

Фото-е. р. с. тим більша, чим інтенсивніше освітлюється напівпро­відник. Після з'єднання напівпровідників виникає струм у колі і відбувається перетворення променистої енергії на електричну.

Фотоелектричні генератори призначені для прямого перетворення сонячної енергії на електричну і тепер застосовуються в космічній техніці.

E. р. с. і потужність джерела електричної енергії

Виникнення е. р. с. £ в усіх випадках пов'язане з роботою сторонніх сил з переміщення заряджених частинок. Кількісно це явище оцінюють роботою, що припадає на одиницю заряду;

Одиницею е. р. с., так само як і напруги, е вольт (В).

Додатний напрям е. р. с. збігається з напрямом, в якому сторонні сили діють на частинки з позитивним зарядом. Це відповідає і додат­ному напряму струму в колі. Якщо струм створюється електронами, то е. р. с. спрямована проти руху електронів, тобто усередині джере­ла від «—» до «+». Отже, в джерелі електричної енергії напрями е. р. с. і струму збігаються.

Робота сторонніх сил Лст дорівнює енергії, яку віддає джерело живлення в зовнішнє коло. Ця енергія називається електричний енергією джерела:

Переміщений заряд Q можна виразити через струм у джерелі: Q =» It, тому

Формула (3.7) дає змогу обчислити енергію, яку виробляє джерело за певний проміжок часу t, використовуючи показники кола—е. р. с. джерела і струм, проте за нею не можна оцінити працездатність джерела.

Справді, певну кількість електричної енергії можна дістати від різних джерел, але за різний час. Працездатність джерел можна оці­нити, порівнюючи кількість енергії, що виробляється за той самий час, наприклад за 1 с.

Значення енергії, що виробляється за одиницю часу,  тобто швидкість перетворення енергії в джерелі, називається  потужністю джерела:

Одиниця енергії — джоуль (Дж).Одиниця потужності [P] = [Wt] = = джоуль/секунда = ват (Вт).

З формули (3.8) випливає, що ват = вольт • ампер; джоуль = = вольт • ампер • секунда = ват • секунда.

Зазначені одиниці потужності і енергії є основними. Вимірювати великі потужності та кількості енергії зручно більшими одиницями, ніж ват і джоуль. Тому використовують похідні одиниці: 1 кіловат (кВт)=103 Вт; 1 мегават (МВт) = 10е Вт; 1 кіловат • год (кВт • год) = = 1000 • 3600= 36 • 105 Вт • с (або Дж).

 

§ 3.3. ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ НА ІНШІ ВИДИ ЕНЕРГІЇ

В електричному колі електрична енергія одночасно утворю­ється в джерелі і перетворюється на інший вид енергії в приймачі. Тип приймача вибирають відповідно до необхідного для практичних цілей виду неелектричної енергії.

Перетворення електричної енергії на теплову

Фізичний процес перетворення електричної енергії на теплову розглянуто в § 2.2.

Подамо кількість виділеного тепла через напругу і струм.

Припустімо, що в провіднику, який має на кінцях різницю потен­ціалів U, заряд переміщених частинок.

Енергія електричного поля, витрачена на переміщення заряджених частинок, згідно з (1.5),

Робота сил електричного поля витрачається на нагрівання провід­ника, оскільки ніяких інших виявлень цієї роботи не спостерігається. Точу енергію We можна вважати такою, що дорівнює тепловій енергії приймача:

У цій формулі енергію подано в джоулях. Згідно із законом Ома [див. формулу (2.6)], U = //?; тоді

Формула (3.10)  є математичним вираженням закону Ленца — Джоуля.

Кількість електричної енергії, що перетворюється в провіднику за одиницю часу на теплову енергію, пропорційна квадрату струму і електричному опору провідника.

Швидкість перетворення електричної енергії на інший вид енергії в приймачі називається потужністю приймача:

Ця формула справедлива для будь-якого приймача незалежно від виду енергії, що утворюється внаслідок перетворення.

Якщо електрична енергія повністю перетворюється на теплову, то потужність приймача можна подати через струм у провіднику і його опір:

Явище перетворення в провідниках електричної енергії на теплову широко використовується на практиці. На цьому принципі ґрунтується дія більшості електричних промислових та побутових нагрівальних пристроїв.

Перетворення електричної енергії на світлову

Принцип перетворення електричної енергії на теплову покла­дено в основу роботи електричних ламп розжарювання. Нитка лампи, виготовленої з тугоплавкого металу (вольфраму), нагрівається при електричному струмі в ній до температури порядку 3000° C.

При високій температурі нитки лампи частина енергії випроміню­ється у вигляді світлової енергії, яка в загальному потоці енергії, випромінюваної лампою, становить менш як 10%.

Перетворення електричної енергії на хімічну

Акумулятор при заряджанні або електролітична ванна е приймачами електричної енергії.

E. р. с. акумулятора Ел при заряджанні зберігає той самий на­прям, що й при розряджанні; струм же в акумуляторі змінює свій на­прям на зворотний, оскільки він визначається не напрямом е. р. с. . акумулятора, а е. p. c. E зовнішнього джерела живлення (рис. 3.9). E. р. с. акумулятора Ел при заряджанні напрямлена проти струму і тому називається п р о т и-е. р. с.

Переміщення заряджених части­нок при заряджанні акумулятора здійснюється внаслідок дії електрич­ного поля, яке створюється джерелом живлення. Сили електричного поля в будь-який момент часу зрівнова­жуються хімічними (сторонніми) си­лами, тому роботу сил електричного поля, яка припадає на одиницю заря­ду, можна прирівняти проти-е. p. c. E3.

Тоді енергія, що витрачається на заряджання а потужність споживання електричної енергії.

 

Формули, які виражають енергію і потужність при розряджанні та заряджанні акумулятора, однакові. Проте не треба забувати про фізичну відмінність процесів: у першому випадку акумулятор є дже­релом, а у другому — приймачем електричної енергії.

При перетворенні електричної енергії на теплову опір зумовле­ний зіткненнями частинок. При перетворенні електричної енергії на хімічну протидію струму чинять сторонні сили.

Цим пояснюється відмінність виразів (3.11) і (3.14), якими кількіс­но визначається швидкість перетворення електричної енергії на ін­ший вид енергії.

 

Схеми електричних кіл

При розробці, конструюванні, монтажі електричних виробів 1 установок не можна обійтись без електричних схем. Залежно від основного призначення розрізняють кілька типів схем: структурну, функціональну, монтажну та ін.

На принципіальній схемі наводиться повний склад елементів і зазначаються всі зв'язки між ними. Ця схема дає докладне уявлення про принцип роботи виробу (установки).

Електричне коло можна скласти з елементів, які входять у цей виріб або установку. В інших випадках вироби (установки) - самі є_ елементами електричного кола.

 Схема електричного кола — це графічне зображення електричного  кола,

що містить умовні позначення його елементів і показує з'єднання цих еле­ментів.

Умовні позначення в електричних колах встановлено стандартами системи ЄСКД.

В електричних колах та їхніх схемах розрізняють послідовне та паралельне з'єднання елементів.

Вважатимемо, що кожний елемент для ввімкнення в коло має два затискачі, з яких один умовно назвемо початком, другий — кін­цем цього елемента.

При послідовному з'єднанні групи елементів кінець попереднього елемента з'єднаний з початком наступного; початок першого елемента і кінець останнього є затискачами (П, K) групи елементів, якими її можна під єднати до інших ділянок кола (рис. 3.2, а).

При паралельному з'єднанні групи елементів початки всіх елемен­тів з'єднано в одному затискачі, а кінці — у другому; цими затиска­чами група приєднується до інших ділянок кола (рис. 3.2, б).

Групи елементів між собою можуть бути ввімкнені послідовно або паралельно — так утворюються складні електричні кола.

 

§ 3.2. ДОБУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ З ІНШИХ ВИДІВ ЕНЕРГІЇ

Фізичні процеси добування електричної енергії розрізняють залежно від виду перетворюваної енергії. Основна відмінність полягає в природі сил, які розділяють позитивний і негативний заряди в речовині.

На електрично заряджені частинки крім сил електричного поля при певних умовах діють сторонні сили, зумовлені не електромагнітним процесами (хімічні реакції, теплові процеси, контактні явища і т.ін.)

Внаслідок дії сторонніх сил в джерелі електричної енергії відбувається поділ електричних зарядів і утворюється електрорушійна сила (е.р.с.).

Величина, яка характеризує здатність стороннього поля й індукованого гкшрнчного поля викликати появу електричного струму, називається е. р. с.

Розглянемо приклади перетворення хімічної, теплової, променис­тої енергії На електричну, фізичний зміст і кількісне вираження «. р. с. (про перетворення механічної енергії на електричну див. $ 10.3).

Перетворення хімічної енергії на електричну

Електромеханічними джерелами електричної енергії е акумулятори, паливні елементи.

На рис. 3.3 зображено цинкову пластинку, опущену у водний розчин сірчаної кислоти (електроліт). Цинк розчиняється в електро­літі, причому в розчин переходять позитивні іони Zn+. Розчин заряджається позитивно, а цинк — негативно Розчинення цинку хімічними силами.

В області контакту цинк — розчин виникає електричне поле, напрямлене від розчину до цинку.

З розчиненням цинку зростає заряд, а разом з ним і напруженість електричного поля. Електричне поле протидіє переходові іонів Zn+ в розчин, тому на певній стадії розчинення цинку припиняється.

Такий рівноважний стан відповідає рівності двох сил, що діють на іони Zn+: хімічних, під дією яких цинк розчиняється, та електрич­них, що протидіють розчиненню. Розчинення цинку припиняється при деякій різниці потенціалів V1 між цинком і розчином.

Якщо в той самий розчин помістити пластинку з іншої речовини, то описаний процес матиме місце і в цьому випадку. Проте різниця потенціалів ІІг може бути іншою величиною — більшою або меншою від U1.

За таким принципом утворюється е. р. с. гальванічного елемента й акумулятора (рис. 3.4).

При з'єднанні пластинок 1 і 2 провідником у замкненому колі дія­тиме е. р. с. хімічного елемента

E3 = U1-U2 і виникне електричний струм.

У цьому випадку е. р. с. створюється і підтримується при роботі елемента хімічними силами (сторонні сили) і, отже, можна говорити про перетворення хімічної енергії на електричну.

Електричний струм у гальванічному елементі супроводиться не­оборотними електрохімічними процесами, які можна описати певними хімічними реакціями.

Застосування гальванічних елементів обмежено — за одиницю часу вони можуть дати лише незначну кількість електричної енергії, а струм роботи їх невеликий і закінчується, коли активна речовина електродів певною мірою буде витрачена.

Значно ширше застосовуються акумулятори, електрохімічні про­цеси яких оборотні. Оборотність електрохімічних процесів дає змогу багато разів заряджати та розряджати акумулятори. При заряджанні у них накопичується певна кількість хімічної енергії (за рахунок витраченої електричної ргії), а при розряджанні ця енергія може бути використана в електричному колі у вигляді електричної енер­гії. Рис 3.4 відповідає режимові розряджання свинцевого акуму­лятора.

Дальшим розвитком техніки прямого перетворення хімічної енергії на електричну е створення паливних елементів.

Електрична енергія у них (як і в гальванічних елементах) утворю­ється при хімічних реакціях, під час яких витрачаються активні матеріали: паливо (водень, природний газ, нафтопродукти тощо) та окислювач (кисень, повітря).

Запас активних матеріалів безперервно поповнюється, тому па­ливний елемент (на відміну від гальванічного) в принципі може пра­цювати скільки завгодно довго.

Добрі енергетичні характеристики, великий діапазон потужностей (від кількох ват до сотень кіловат в одиниці) дають змогу широко застосовувати паливні елементи і насамперед для привода різних автономних транспортних засобів.

Електрохімічні генератори прості в експлуатації, безшумні, не створюють радіоперешкод і відходів, які забруднюють повітря.

Перетворення теплової енергії на електричну

Безпосереднє перетворення теплової енергії на електричну можна здійснити, використовуючи явище в контакті двох металів або напівпровідників, де діють сторонні сили, якими зумовлена ди­фузія заряджених частинок.

Значення контактної різниці потенціалів залежить не тільки від властивостей контактуючих матеріалів, а й від температури контакту, з температурою пов'язані енергія вільних електронів.

   

Якщо один з контактів, наприклад 1, нагріти (І1 > І2), то рівновага порушиться — в контакті / з'явиться додатковий стрибок потенцій

 

Режими холостого ходу і короткого замикання

Цей випадок відповідає розмиканню кола. Режим електричного кола або окремих джерел, при якому струм у них дорівнює нулю, називається режимом хо­лостого ходу. При холостому ході напруга на зовнішніх за­тискачах джерела дорівнює його е. p. c.: U = E.

При K = O, згідно з виразом (3.15), / = EIr = /к, а напруга на затискачах приймача і джерела U=O.

Режим електричного кола, при якому ділянку з одним або кількома елементами замкнено коротко, в зв'язку з чим напруга на цій ділянці дорівнює нулю, називається режимом короткого замикання. Відповідно струм /к в колі називається струмом короткого замикання.

Короткі замикання в електричних установках небажані, оскільки струми короткого замикання, як правило, кілька разів перевищують номінальні значення, що призводить до різкого збільшення виділен­ня тепла в струмопровідних частинах і, отже, до пошкодження елект­ричних установок.

Напруга на затискачах джерела зменшується від U = E до U = O, якщо струм навантаження збільшується від нуля до струму короткого замикання /к (див. рис. 3.12).

 

§ 3.5. СХЕМИ ЗАМІЩЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ

Для того, щоб полегшити розрахунок, складають схему заміщення електричного кола, тобто схему, яка відбиває властивості кола при певних умовах.

На схемі заміщення зображують усі елементи, впливом яких на результат розрахунку не можна знехтувати, і зазначають також елек­тричні з'єднання між ними, що є в колі.

Схема заміщення елементів електричних кіл

Елементи електричного кола, в яких перетворення енергії здійснюється при наявності е. р. с., характеризуються здебільшого сталки значеннями е. р. с. £ і внутрішнього опору г (рис. 3.13, а). Такі елементи кола називаються активними.

На розрахункових схемах джерело енергії можна подати е. р. с. без внутрішнього опору, якщо цей опір малий порівняно з опором Тримача (рис. 3.13, б).

При г = O внутрішній спад напруги U0 = O, тому напруга на за­тискачах джерела при будь-якому струмі дорівнює е. р. с.: U = E = = ccnst. Таке джерело енергії з незмінною напругою на його затиска­чах, що не залежить від внутрішнього опору, називається д же р е -л о м е. р. с.

У деяких випадках джерело електричної енергії на розрахунковій схемі замінюють іншою (еквівалентною) схемою (рис. 3.13, г), де замість е. p. c. E джерело характеризується його струмом короткого замикання /к, а замість внутрішнього опору в розрахунок вводять внутрішню провідність g = \Іг.

Можливість такої заміни можна довести, поділивши рівність (3.16) на г.

де U/'r = I0—деякий струм, який дорівнює відношенню напруги на затискачах джерела до внутрішнього опору; EIr = /к— струм корот­кого замикання джерела; / = UIR — струм приймача.

Ввівши нові позначення, дістанемо рівність /к= /0 + /, якій задовольняє еквівалентна схема рис. 3.13, в.

Якщо внутрішню провідність віднести до приймача, то можна покласти g = O та I0 = O.

У цьому випадку при будь-якому значенні напруги на затискачах джерела його струм дорівнює струмові короткого замикання (рис. 3.13, д): І = /к == const.

 

Джерело з незмінним струмом, що не залежить від внутрішнього опору, називають джерелом струму.

Те саме джерело електричної енергії можна замінити в розрахун­ковій схемі джерелом е. р. с. або джерелом струму.

Схема заміщена електричного кола

На рис. 3.14 зображено електричне коло і його схему замі­щення; подано додатні напрями струму і напруги.

В цій схемі генератор G електричної енергії подано е. р. с. Я і внутрішнім опором г; два приймачі Пр 1 і Пр 2 — відповідно опорами R1 і Rz, опір проводів замінено зосередженим опором Rj,, до­поміжних апаратів і приладів в схемі заміщення немає, оскільки при цьому вважають, що на результати розрахунку вони не впли­вають.

На рис. 3.15 подано схему більш складного електричного кола.

Розглядаючи схеми різних електричних кіл, можна виділити в них характерні ділянки.

Ділянка, уздовж якої струм той самий, називається віткою електричного

кола.

Місце з'єднання віток називається вузлом електричного кола.

Вузол утворюється при з'єднанні в одній точці не менш як три віток, наприклад на схемі рис. 3.15 до вузла 6 приєднано чотири вітки.

Вітки, які не містять джерел електричної енергії, називаються пасивним н, а вітки, до яких входять джерела,— активними.

На рис. 3.14, б таки х контурів три: 1-2-5-6-1; 1-2-3-4-5-6-1; 2-3-4-5-2.

На схемах стрілками позначають додатні напрями е. р. с., напруг і струмів. Напрям е. р. с. можна вказати, позначивши полярність затискачів джерела: усередині джерела е. р. с. напрямлена від від'єм­ного затискача до додатного (так само, як і струм). Додатний напрям напруги на ділянці кола збігається з напрямом струму — від точки з більшим потенціалом до точки з меншим. У приймача напрями на­пруги і струму збігаються, у джерела вони протилежні.