Баланс напряжений и Вольтамперная характеристика

Сначала прочитайте Что такое электричество и зачем оно нужно  и  Ток, напряжение, сопротивление. Закон Ома

 

10. Баланс напряжений.

Если мы получили некоторое количество электрической энергии за счет ЭДС. источника, то при протекании тока израсходуем всю эту энергию во всей цепи.

В простейшей цепи имеется два сопротивления - сопротивление приемника (нагрузки) и сопротивление самого источника. R нагрузки и r источника

ЭДС. источника создает ток в цепи, при этом на нагрузке, и на самом источнике, возникает напряжение. (правильно сказать - падение напряжения)

То есть, напряжение возникает на всех сопротивлениях, где протекает ток, поэтому напряжение возникает как на внешней нагрузке, так и на внутреннем сопротивлении источника.

 

Е – это ЭДС

   
E = U + U вн ЭДС равна сумме падений напряжения во внешней цепи на внутреннем сопротивлении источника.

То же самое  E = IR + Ir вн

Сумма падений напряжений на нагрузке и внутри источника равна ЭДС. Эту фразу надо выучить.

Из уравнения очевидно, что

Напряжение всегда равно ЭДС минус падение напряжения внутри самого источника.

Или

Напряжение всегда меньше ЭДС. на величину падения напряжения внутри самого источника.

U = E - Ir вн

Таким образом, напряжение - это часть Электродвижущей силы, которая действует на внешнюю цепь.

Электрическая энергия, которую создает источник, расходуется в нагрузке и, к сожалению, в самом источнике.

Последнее обстоятельство очень важно понимать.

Ток, созданный источником, проходит по замкнутой цепи, то есть, через нагрузку и через сам источник.

Источник, обладает сопротивлением, оно - то и нагревается, значит, источник, часть созданной электрической энергии тратит на нагрев самого себя.

Следовательно, электрическая энергия, которую можно получить в источнике, не может быть вся израсходована полезно в нагрузке, часть энергии теряется бесполезно в самом источнике. Бесполезно потому, что нагрев самого источника абсолютно не нужен и, в большинстве случаев, вреден.

 

11. Виды простых электрических цепей.

Простые электрические цепи с несколькими сопротивлениями.

• Цепь с последовательными сопротивлениями.
• Цепь с параллельными сопротивлениями.
• Цепь со смешанным соединением сопротивлений.

Последовательное соединение сопротивлений

При последовательном соединении сопротивлений, между сопротивлениями нет узлов, и ток никуда не ответвляется, поэтому ток через последовательно соединенные сопротивления протекает один и тот же.

Полное (эквивалентное) сопротивление цепи равно сумме сопротивлений.

R = R1+R2+R3

U = U1+U2+U3

Сумма напряжений на сопротивлениях равна общему напряжению.Напряжение на каждом сопротивлении пропорционально сопротивлению.

Чем больше сопротивление, тем больше на нем напряжение

При последовательном сопротивлении нельзя отключать одно сопротивление, происходит разрыв цепи и все отключится.

 

Параллельное соединение сопротивлений

Узел - это точка, в которой сходится не менее трех проводов. 
При параллельном соединении, сопротивления подключаются под общее напряжение, так, что в каждое сопротивление ответвляется свой ток. Точки подключения сопротивления являются узлами.

1 закон Кирхгоффа.

Сумма токов втекающих в узел равна сумме токов вытекающих из узла.

или

Алгебраическая сумма токов узла равна 0.

Смысл этого закона очень легко понять, если представить себе провода как трубы, а ток как воду.

Значит, ток разветвляется по этим сопротивлениям и в каждом сопротивлении протекает свой ток.

Сумма токов во всех сопротивлениях равна общему току.

I общ = I1+ I2+ I3

Полное (эквивалентное) сопротивление всей цепи рассчитывается по формуле.

 

Обратная величина полного сопротивления всей цепи равна сумме обратных величин всех сопротивлений.

 

g - проводимость

Полная эквивалентная проводимость равна сумме

проводимостей всех ветвей.

Полное сопротивление всей цепи меньше наименьшего из всех параллельно соединенных сопротивлений.

Чем больше сопротивлений соединяется параллельно, тем меньше полное сопротивление цепи, и больше ток, который отдает источник. Это вполне логично, ведь чем больше подключается сопротивлений параллельно, тем больше путей для тока и ему легче идти.

Все сопротивления находятся под одним напряжением.

При параллельном соединении каждое сопротивление можно отключать и подключать, независимо от других.

В реальной практике, в силовых и осветительных сетях, к одному источнику подключается несколько нагрузок, при этом всегда нагрузки подключаются параллельно.

Это удобно, потому что они работают независимо друг от друга и рассчитаны на одно и то же напряжение, и значит, их легко стандартизировать.

Вспомните, сколько лампочек в вашей квартире, и все они подключены к одной паре проводов входящих в квартиру. Все лампочки рассчитаны на напряжение 220 В, и их можно включать и выключать независимо друг от друга.

Например, в автомобиле все потребители: лампочки, моторы и т.п. включены параллельно под напряжение 12 В.

Смешанное соединение это параллельное соединение, только некоторые ветви содержат по несколько последовательно соединенных сопротивлений.

 

12. Электрическая мощность.

До сих пор с энергией было связано понятие напряжение и ЭДС.

Но все время оговаривалось, что напряжение - это удельная энергия, то есть энергия, которую затрачивает электрическое поле на перенос единичного электрического заряда.

Ток - это количество электрических зарядов протекающих через сечение проводника в единицу времени. Раз в единицу времени, значит, ток это скорость потока всех электрических зарядов участвующих в данном токе.

Теперь если мы возьмем и умножим скорость потока всех электрических зарядов на энергию единичного заряда (напряжение), то получим скорость совершения работы по перемещению всех электрических зарядов.

Скорость совершения работы - это мощность.

Электрическая мощность - это скорость, с которой электрическая энергия превращается в тепло на данном сопротивлении.

Электрическая мощность сопротивления равна произведению тока на напряжение.

P = U I

P = IRI = I²R

Очень важно, что мощность пропорциональна квадрату тока.

Это значит, что если сопротивление меньше, то мощность все равно будет больше, это станет очевидно при решении задач.

P = E I Мощность, которую создает источник, равна произведению ЭДС источника на ток в цепи.

Мощность, которую создает источник и полезная мощность, которая получается на нагрузке, сильно отличаются. Вся мощность выделенная источником не может выделиться на нагрузке. КПД не может быть 100%. Часть мощности источника греет сам источник и, значит, что это мощность потерянная.

P = (U – Irвн) I = U I – I²rвн

 

I²rвн – потери мощности в источнике

Мощность обозначается P

Мощность измеряется в Ваттах Вт

Мощность - наиболее важная результирующая характеристика приемника электрической энергии.

Например, лампочка мощность 100 Вт. дает больше света, чем лампочка мощность 75 Вт.

Электрическая энергия определяется как мощность, умноженная на время.

Электрическая энергия стоит денег, и мы за нее платим.

Лампочка мощность 100 Вт за 1 час превращает в тепло и свет электроэнергию 100 Вт*час. на сумму 12,8 коп.

Лампочка мощностью 75 Вт. за час превращает в тепло и свет электроэнергию 75 вт*час на сумму 9,6 коп.

 

13. Закон Ома для всей цепи.

Зависимости всех параметров цепи устанавливает закон Ома для всей цепи.

Формула этого закона выводится из баланса напряжений.

E = IR + Ir вн или E = I(Rнагрузки + rвнутренее)

(Rнагрузки + rвнутренее) –это полное сопротивление цепи

 

Формула закона Ома для всей цепи

 

Ток в цепи прямо пропорционален ЭДС источника и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи.

Смысл закона Ома для всей цепи понятен, если понятен баланс напряжений в цепи.

ЭДС - постоянное свойство источника. Она есть или ее нет. Например, если батарейка заряжена, то ее ЭДС равна 1,5 Вольта (это природа веществ, из которых состоит батарейка). ЭДС. автомобильного аккумулятора 12, 6 Вольта. Напряжение, которое получится на нагрузке, при подключении к этим источникам, может оказаться самым разным, но не больше ЭДС

14. Вольтамперная характеристика электрической цепи.

Сколько лампочек можно подключить к одной батарейке?

График зависимости напряжения от величины тока, который отдает источник. называется вольтамперная характеристика источника.

1. Почему может изменяться ток, который отдает источник?

2. Почему нагрузка может потреблять разный ток?

В сущности, это один и тот же вопрос.

Нагрузка - это приемники электрической энергии.

Если нагрузка - это обычная лампочка, то она, конечно, может потреблять ток только одной величины, потому что у нее (в нагретом состоянии) постоянное сопротивление, и тогда сама проблема теряет интерес. Но если мы подключим к источнику несколько лампочек, то каждая лампочка начнет потреблять свой ток. Две лампочку начнут потреблять больше ток, чем одна, три еще больше и т. д.

Итак, чем больше параллельно подключается лампочек к источнику, тем меньше суммарное сопротивление нагрузки, тем больший ток вынужден отдавать источник.

Как будут вести себя приемники электрической энергии и источник электрической энергии, если мы будем увеличивать количество параллельно подключаемых приемников?

То есть, как будет меняться напряжение, если увеличивается ток, который отдает источник?

При увеличении тока, напряжение снижается, почему?

График зависимости напряжения от величины тока, который отдает источник. называется вольтамперная характеристика источника.

Увеличиваем нагрузку, поочередно добавляем лампочки. Общий ток растет

 

По мере увеличения тока нагрузки напряжение на нагрузке падает.

 Вольтамперная характеристика

Ток

Если не включать ни одной лампочки, то напряжение остается равным ЭДС

Такое состояние называется «Холостой ход»

Включаем одну лампочку, появляется ток 1. Напряжение снижается (вертикальный зеленый отрезок) и появляется падение напряжения внутри источника (Вертикальный оранжевый отрезок)

Лампочка горит нормально.

Включаем вторую лампочку, Токи лампочек складываются и общий ток увеличивается. От этого внутри источника увеличивается падение напряжения Ir.

Оранжевая линия длиннее, зеленая короче. Видно, что напряжение на двух лампочках стало ниже, чем было на одной горящей лампочке. Обе лампочки горят, но не так ярко, как горела одна.

Если включать следующие лапочки, то ток будет нарастать, падение напряжения внутри источника становится больше и напряжение на лампочках становится ниже, они горят тусклее. Сам источник начинает греться, так как большой ток на его внутреннем сопротивлении выделяет много тепла.

Последняя лампочка, которую ради интереса можно включить, приводит к тому, что напряжение на лампочках становится равным нулю. То есть вся ЭДС источника тратится на поддержание напряжение внутри источника. То есть падение напряжения внутри источника становится равным ЭДС Если еще включать лампочки, ничего не изменится, ток достиг максимальной величины, а напряжение остается равным нулю. Источник бесполезно греется. Такое состояние называют –«Короткое замыкание».

Как сделать так, чтобы все 5 лампочек, хоть как-то горели? Для этого надо взять другой – более мощный источник. У него должно быть меньше внутреннее сопротивление rвн. Тогда при включении лампочек, падение напряжения внутри источника Irвн. станет меньше, а значит, напряжение на нагрузке станет больше.

График вольтамперной характеристики более мощного источника показан синей линией. Чтобы сделать такой источник, надо увеличить его размеры или, например, взять вместо тонкой батарейки, более толстую.

Когда ток достигает максимального значения, и напряжение падает до нуля, то это режим короткого замыкания

Такой характер зависимости справедлив для любых источников электрической энергии.

 

15. Режимы работы источника электрической энергии.

Рассматривают три режима работы электрической цепи

Холостой ход, короткое замыкание и номинальный режим.

Любая цепь может оказаться в любом из указанных режимов.

Это зависит от того какую нагрузку подключают к данному источнику, иначе говоря, это зависит от того какое соотношение получится между сопротивлением (нагрузки) внешней цепи и внутренним сопротивлением источника.

Холостой ход. - Все нагрузки отключены. Сопротивление нагрузки бесконечно больше внутреннего сопротивления источника.

В этом случае напряжение на выводах источника рано ЭДС источника.

О напряжении на нагрузке нет речи - нагрузка отключена.

Ток в цепи равен 0. Цепь разомкнута.

Источник работает, но для него это холостой ход

На холостом ходу ток равен 0.

Напряжение равно ЭДС

Мощность, которую отдает источник, равна 0.

На поддержание рабочего режима холостого хода, к сожалению, надо тратить некоторую небольшую внешнюю энергию, то есть на электростанции, например, надо сжигать небольшое количество угля, чтобы генератор крутился.

 

Номинальный режим.

Рассмотрим режим работы цепи, когда подключили малую нагрузку (одна лампочка).

- сопротивление нагрузки сравнимо с внутренним сопротивлением источника

- напряжение на нагрузке меньше величины ЭДС на величину падения напряжения внутри источника

- напряжение еще довольно близко по величине к величине ЭДС

- мощность, которую создает источник, практически вся используется в нагрузке

- К.П.Д. довольно высок

Этот режим можно назвать номинальным рабочим режимом с высоким К П Д

Это режим, которому обычно соответствуют паспортные (данные) параметры источника: рабочее напряжение на нагрузке, ток, мощность.

Короткое замыкание

В силовых и осветительных сетях короткое замыкание - это аварийный режим, и его допускать нельзя.

• включена очень большая нагрузка (например много лампочек одновременно), сопротивление нагрузки упало до нуля. То есть, сопротивление нагрузки бесконечно меньше сопротивления источника.

- напряжение на нагрузке упало до 0

- все напряжение создается только внутри источника

- мощность, которая выделяется на нагрузке, равна 0

- источник создает огромную электрическую мощность, но она вся тратится внутри самого источника на его нагрев, и источник может сгореть.

- К.П.Д. равен 0

Выводы

Холостой ход бесполезен, так как, при холостом ходе не работают никакие полезные нагрузки. В силовых и осветительных цепях холостой ход следует рассматривать как режим ожидания. В электронных схемах холостой ход применяют часто для поддержания максимального уровня напряжения сигнала.

Короткое замыкание бесполезно, так как нагрузки, хотя и подключены, они тоже не работают, потому что напряжение на них равно 0 и никакой полезной мощности выделить нельзя. Лампочки просто не горят. В электронных схемах режим короткого замыкания применяется для маломощных источников для поддержания стабильного тока сигнала.

Короткое замыкание - это такой режим, когда источник просто не может обеспечить работу нагрузки, говорят, что источник не тянет, не хватает мощности источника.

То есть, цепь должна работать в режиме когда нагрузка подключена но не слишком большая для данного источника. Такой режим называется – номинальный или рабочий. Все нагрузки работают под расчетным напряжением и источник не перегревается.