ЕРС, СТРУМ, НАПРУГА, ОПІР
Почнемо з розбору найпростішого електричного контуру. Джерело електрики, з'єднувальні дроти і Навантаження! Запитаєте, що ж тут дивного? Згоден з вами на всі сто відсотків, але для початку спробуйте розв'язати задачу: Завдання: Необхідно розрахувати ЕРС [E =?] однофазного генератора, з під'єднаним навантаженням потужністю: Pz = 1 кВт (ТЕН, активне навантаження); частота в ланцюзі: f = 50Гц; напруга на клемах генератора; U= 220В, активний опір фази генератора: r = 5 Ом. Опір сполучних проводів враховувати не потрібно. Усі дані для рішення у вас є, я просто впевнений, що багато хто припуститься грубої помилки.
Почнемо з такого явища у електричному ланцюзі постійного струму як, Падіння напруги [U] - це поступове зменшення напруги вздовж провідника, яким тече електричний струм, зумовлене тим, що провідник має активний опір. Під падінням напруги також розуміють величину, на яку змінюється потенціал під час переходу з однієї точки ланцюга в іншу. За законом Ома на ділянці провідника, що має активний опір R, який не залежить від величини прикладеної напруги, струм I створює падіння напруги U=IR (це тлумачення з підручника з Физіки)
Відповидно Закону Ома Струм I, якій вимірюється у Амперах, є відношення Напруги U (разніці електричних потенциілів), якій вимірюєтся у Вольтах, до Електричному Опору R, якій вимірюється у Омах: I = U/R. Ми бачимо, що СТРУМ є похідна від напруги і опору, тобто результуюча складова. СТРУМ є наслідком якоїсь дії.
Далі, в електротехніці прийнято записувати закон Ома в інтегральному вигляді:
U = IR,
де U — прикладена напруга, I — сила струму, R — електричний опір провідника.
При аналізі електричних схем три еквівалентні вирази закону Ома використовуються як взаємозамінні: I = U/R, aбo U = IR, aбo R = U/I. Як що розглянути це на схемі :
 На діаграмі маємо простий ланцюг із гальванічним джерелом електричної різниці потенціалів U, дроти з'єднання і навантаження з опором R. Для вимірювання Напруги і Сили Струму, маємо вольтметр, під'єднаний до точок А,В, і два амперметри шунти, які включені в ланцюг згідно зі схемою. При умовах повного заряду гальваничного джерела у ланцюзі будемо мати виміри вольтметра у Вольтах, та амперметра у Амперах. Припустимо що вольтметр вказуе напругу 4,5В, а амперметр силу струму 0,3А. Можемо розрахувати опір лампочки: R = U/I = 4,5 / 0,3 = 15 Ом. На сторінці "поради інженера" вам вказують: як обчіслити падіння напруги в електричному ланцюзі: "Падіння напруги підраховується згідно із законом Ома: U=I∙R=0,3∙15=4,5V. Напруга між точками 1(A) і 2(B) лампочки (див. схему) становить 4,5 В. Лампочка світить нормально, якщо через неї проходить номінальний струм або якщо між точками 1 і 2 номінальне напруга (номінальні струм і напруга вказуються на лампочці)." Це так яскраво, звернемось ще до одного джерела: Спад напруги — різниця потенціалів між кінцями ділянки електричного кола в якому протікає електричний струм. Позначається здебільшого літерою ∆U, вимірюється у вольтах. Спад напруги визначається силою струму й властивостями елементів ділянки електричного кола. Спад напруги на резисторі із опором R дорівнює U = IR, де I — сила струму.
Якщо вас у цьому питанні все влаштовує і не насторожило, я вам підкажу. Усе, що ми розглянули, можна застосувати для ділянки ланцюга, а точніше для навантаження. У законі Ома нічого не вказано про падіння напруги, тільки про діючу напругу або напругу, що прикладається. Якщо ми беремо і з'єднуємо до джерела не одну лампочку, а дві, з'єднані послідовно, і проведемо виміри на кожній з них (див. малюнок)
 За умови, що лампочки мають опір по 15 Ом і перший вольтметр покаже 4,5В, що відповідає напрузі батареї, два інші вольтметри покажуть 2,25V. Сила струму матиме значення 0,15А. А якщо наш гальванічний елемент складатиметься з двох послідовних елементів 2,25В + 2,25В. А якщо наше джерело напруги буде гальванічне 220В, і змінну напругу видаватиме відповідний конвектор, тоді ми можемо розв'язати нашу задачу, на основі Закону Ома. Опору генератора у нас немає, за те опір зарядженого АКБ приймемо r = 0,02 Ом (стандартний прийом електричного розрахунку ланцюга).
 Для початку нам необхідно дізнатися силу струму для навантаження 1 кВт при 220В: P = UI звідси I = P/U = 1000 Вт/ 220В = 4,545А. Далі уточнюємо опір навантаження R = U/I = 220В / 4,545А = 48,4 Ом. Щоб дізнатися ЕРС, нам потрібно скористатися формулою сили струму для повного кола : I = E / (R+r) де E = I(R+r) = 4,545A*(48,4 Ом + 0,02 Ом) = 220,0689 В. Звідси можна зробити висновок, що Е = U. Здається, що завдання вирішене, але у нас опір джерела у завданні [r] не 0,02 Ом, а цілих 5 Ом. Не будемо поспішати, моделюємо схему зі змінним генератором, струм якого випрямляємо через діодний міст, так само в ланцюг плануємо конденсатор С1, який виконує роль накопичувача для згладжування імпульсів. У підсумку, ми отримуємо на навантаженні постійну напругу 220В. Опори конденсатору та діодів не рахуємо.
 Проводимо обчислення з елементом опору джерела: E = I(R+r) = 4,545A*(48,4 Ом + 5 Ом) = 242,703 В. Звернемося до академичних твержень відповидний слайд:
 Напруга на затискачах генератора менша за ЕРС, яку він розвиває, на величину падіння напруги в його опорі U = E-(Ir). Таким чином вираз U = IR має і значення саме рівня падіння напруги на ділянці. Приймемо для позначення падіння напруги Ui = Ir = 4,545A * 5 Ом = 22,725В. Тоді ЕРС можна виразити через формулу: E =U+Ui = 220B + 22,725В = 242,703В. Як бачимо формула U = IR має двояке значення, з яким нам потрібно розібратися. Ви ж у курсі, що існують електричні мережи з постійним струмом. Розрахуємо силу струму короткого замикання нашого генератора I = E/r = 242,7 В / 5 Ом = 48,5 А. Перевіряємо зворотне обчислення Е = Ir = 48,5 А * 5 Ом = 242,7 В. Що примітно, то при короткому замиканні, вольтметр покаже значення близьке до нуля. Можна фактично побачити, що вся різниця електричних потенціалів перетворилася на Силу Струму. Для прикладу візьмемо генератор змінного струму, зі збудженням від постійних магнітів, напруга якого випрямляється і спрямовується на буферний АКБ, навантаження ж під'єднується через інверторний перетворювач до перетворювача, в нашому шуканому випадку 1 кВт. Припустимо, що ЕРС фази генератора 242В, Напруга АКБ 220В, опори фази і навантаження нам відомі. Будівельники вітрогенераторів силу струму силу струму в ланцюзі подібних конструкцій розраховують за формулою: Ug-Ua=U / (R+r) = I = (E-U) / (R+r). Для прикладу беремо збудження від постійних магнітів? Все просто, це буде наочно, оскільки в Динамо задавальний електромагніт ротора схильний до регулювання. Ми ж маємо з'ясувати фактичний початковий стан без регулювання. Просто вставимо вихідні значення у формулу, якою користуються будівельники вітрогенераторів:
I = (E - U) / (R+r) = (242,7 В - 220 В) / (48,4 Ом + 5 Ом) = 0,425 А.
Як бачимо, Сила Струму згідно з розрахунком склала 0,425 А, що в (4,545А / 0,425=) 10,6 разів менше від необхідного значення для роботи нашого навантаження (ТЕН 1 кВт). Спробуємо розрахувати необхідну ЕРС в обмотці фази генератора, щоб було виконано умову заданої сили струму в ланцюзі для навантаження. Розрахуємо вже повне падіння рівня різниці електричних потенціалів, для відповідного струму: (∆U) Uі = I(R+r) = 4.545 А * (48,4 Ом + 5 Ом) = 242,703 В, це загальне падіння напруги для опорів у ланцюзі. Залишається тільки виконати розрахунок ЕРС: E = U + Ui = 220В + 242,703 В = 462,703В. Далі запишемо загальне рівняння струму в повному ланцюзі та на ділянці ланцюга з навантаженням: (E - U) / (R+r) = I = U/R де: E - ЕРС або напруга холостого ходу генератора (В); U - напруга на клемах генератора з підключеним навантаженням (В); R - опір навантаження (Ом); r - активний опір обмотки фази генератора (Ом) .. (462,703 В - 220 В) / (48,4 Ом + 5 Ом) = 4,525 А = 220 В / 48,4 Ом
Ми розв'язали задачу ЕРС фази генератора дорівнює 462,7 Вольта, і попутно з'ясували, що сила струму в контурі дорівнює співвідношенню рівня падіння ЕРС на загальний опір у ланцюзі.
Формулу I = E / (R + r) необхідно розуміти саме таким чином і записати її можна в такому вигляді I = Ui / (R + r), що не призведе до двоякого тлумачення.
Вже бачу що виникло питання, а де же падіння ЕРС у гальваничних джерелах току?
Електрорушійна сила (ЕРС) – скалярна фізична величина, що характеризує роботу сторонніх сил, які діють у колах постійного або змінного струму. У замкненому провідному контурі ЕРС дорівнює роботі цих сил із переміщення одиничного позитивного заряду вздовж усього контуру. Джерело струму також характеризується внутрішнім опором, що залежить від провідних якостей самого джерела. ЕРС і внутрішній опір джерела струму входять до закону Ома для замкненого кола. Застосування цього закону до електричного кола зі змінним зовнішнім опором дає можливість розрахувати обидва значення.
Для протікання електричним колом струму необхідно, щоб у колі були елементи, які переміщують електричні заряди, збільшуючи їхню енергію. Сили, які виконують цю функцію, називаються сторонніми силами. За своєю природою сторонні сили можуть бути різноманітні: хімічні, як у електричних батареях і акумуляторах, термоелектричні, як у термопарах, чи зумовлені явищем електромагнітної індукції, як у генераторах електричного струму. Кожне джерело живлення характеризується своєю електрорушійною силою й внутрішнім опором.  "Під час проходження струму безперервно відбувається спад зарядів, точніше, нейтралізація позитивної і негативної електрики. Для того, щоб напруженість поля Е, а з нею і густина електричного струму j залишалися незмінними, необхідні якісь процеси, що безперервно поповнюють електричні заряди."
Для підтримання напруги фізика передбачає сторонній ЕРС (Eext), тобто результуюча для струму в ланцюзі буде все той самий випадок, який ми розглянули для обмотки генератора, тільки записати його можна у вигляді для під'єднаного навантаження до гальванічного джерела: ЕBаt = Еext+ UBat, де: UBat - напруга на клемах АКБ; Еext - дія хімічної реакції з відновлення напруги на клемах батареї; ЕBat - повна ЕРС батареї за під'єднаного навантаження. Електромагнітний генератор і Гальванічний елемент в електротехніці є джерелами напруги і струму. Різниця в принципі дії. Гальванічний елемент виробляє частину ЕРС, якої бракує для підтримки електричної напруженості на клемах батареї, саме з цієї причини його називають Генератор Напруги. Електромагнітний генератор виробляє спочатку повну ЕРС, яка надалі перетворюється на Силу Струму шляхом падіння напруги. Саме з цієї причини його називають Генератор Струму. В обох приладах ЕРС перетворюэться на СТРУМ.
Джерело: http://ua-hho.do.am/index/emf_current/0-41 | |
|
| |
| Переглядів: 149 | |
| Всього коментарів: 0 | |