Учебно-методический блок «Электрические цепи постоянного тока

Предмет «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»
НОРМАТИВНЫЙ БЛОК
Для специальностей и единичных квалификаций, связанных с производством, передачей и
потреблением электроэнергии; обслуживанием, монтажом и ремонтом соответствующих
устройств (сильноточная техника); связанных с производством электронной техники,
полупроводниковых приборов, вычислительной техники, радиотехнических устройств
(слаботочная техника) и единичных квалификаций по которым необходимо знать общие
основы электротехники.
Рабочая учебная программа по теме
«электрические цепи постоянного тока»
Количество часов по предмету: 80;
Количество часов по теме: 9 (условно).
Составлена на основе типовой учебной программы для профессионально-технических
учебных заведений, утвержденной МО РБ 11.04.2001 г.
Цели изучения
темы
Сформировать умения по расчету типовых и нетиповых электрических цепей постоянного тока с использованием закона
Ома и правил Кирхгофа.
Содержание темы
Электрическая цепь. Элементы электрической цепи
(источник, потребитель, соединительные провода), основные понятия, законы, правила, уравнения и режимы работы (законы Ома для участка
и полной цепи; первое и второе правила Кирхгофа; уравнение баланса мощностей;
номинальный режим, режимы
холостого хода и короткого
замыкания).
Расчет электрических цепей
постоянного тока при последовательном, параллельном и
смешанном соединении потребителей. Расчет сложных
электрических цепей постоянного тока с применением первого и второго правил Кирхгофа.
Понятие
о
нелинейных
электрических цепях постоянного тока.
Тематический план
«электрические цепи постоянного тока»
Результат
Выполняет расчеты
типовых и нетиповых
электрических цепей
постоянного тока с
использованием закона Ома и правил
Кирхгофа в соответствии с предложенным алгоритмом.
Высказывает
общее суждение об
особенностях
нелинейных электрических
цепей
постоянного
тока.
№
п/п
Тема урока
1
2
Основные понятия электрических цепей.
Закон Ома. Последовательное, параллельное и смешанное соединение потребителей.
Лабораторно-практическая работа «Исследование цепей с последовательным, параллельным и смешенным соединениями
резисторов».
Электродвижущая сила и напряжение источника электрической
энергии. Режимы работы электрической цепи. Работа и мощность постоянного тока.
Законы Кирхгофа. Расчет сложных электрических цепей.
Нелинейные электрические цепи постоянного тока.
Обязательная контрольная работа №1.
3
4
5
6
7
Кол-во
часов
1
1
2
2
1
1
1
блок-конспект
Занятие 1
Основные понятия электрических цепей
Электрическая цепь и ее элементы
Электрическая цепь состоит из источника электрической энергии, ее приемников
(электрическая лампа, гальваническая ванна, электромагнит), вспомогательных устройств
для включения и выключения (например, рубильник), для защиты (предохранители) и
приборов для измерения электрических величин (амперметр, вольтметр, ваттметр).
В качестве источников электрической энергии применяют главным образом
электрические генераторы, в которых механическая энергия преобразуется в
электрическую, и гальванические элементы, или аккумуляторы, в которых химическая
энергия преобразуется в электрическую.
Приемники электрической энергии весьма разнообразны: электродвигатели
(электрическая энергия преобразуется в механическую), различные
электронагревательные приборы (электрическая энергия преобразуется в тепловую),
лампы накаливания (электрическая энергия преобразуется в тепловую и лучистую),
электролитические ванны (электрическая энергия преобразуется в химическую) и пр.
Электрическая цепь может быть разделена на два участка: внешний и внутренний.
Внешний участок или, как говорят, внешняя цепь состоит из одного или нескольких
приемников электрической энергии, соединительных проводов и различных
вспомогательных устройств, включенных в эту цепь. Внутренний участок (внутренняя
цепь) представляет собой сам источник электрической энергии. Простейший источник
электрической энергии имеет два зажима. Зажим, от которого ток направляется к
приемнику электрической энергии, называют положительным полюсом - его обозначают
знаком «плюс» (+); второй зажим называют отрицательным полюсом - его обозначают
знаком «минус» (-). Следовательно, условно принято считать, что электрический ток во
внешней цепи течет от плюса источника электрической энергии к его минусу. Во
внутренней цепи ток имеет обратное направление, т. е. от минуса к плюсу.
В электрических схемах отдельные элементы электрических цепей имеют свои условные
обозначения в соответствии с ГОСТ 2721-68чГОСТ 2750-68 (рис. 1а,б,в).
I
+ I
- E
а
E
+ I
E
а
I
д
г
в
б
- +
E
E
E
в
б
Рис. 1б. Условные обозначения приемников электрической
энергии на схемах:
а - аккумулятор при зарядке; б - двигатель постоянного тока; в
- электрическая печь; г - резистор; д - лампа накаливания.
г
Рис. 1а. Условные обозначения источников постоянного тока на схемах:
а - гальванический элемент и аккумулятор; б - генератор постоянного тока; в - термопара;
г - фотоэлемент
а
б
в
г
Рис. 1в. Вспомогательные элементы электрической цепи:
а - выключатель; б - переключатель; в - штепсельный разъем; г - плавкий предохранитель.
Понятие об электрическом токе
Электрический ток - это упорядоченное движение электрически заряженных
частиц. Электрически заряженные частицы обладают определенным количеством
электричества. Единицей количества электричества в физике принято считать заряд
электрона. Однако этот заряд очень мал, поэтому им неудобно измерять количество
электричества, поступающее в различные электрические устройства.
Для количественной оценки тока служит понятие силы тока. Сила тока - заряд
прошедший через поперечное сечение проводника за единицу времени:
За единицу силы тока принят ампер (А). Ампер - это такая сила тока, при которой
через поперечное сечение проводника за каждую секунду проходит количество
электричества, равное 1 Кл.
Для измерения величины силы электрического тока используют амперметр,
который включают последовательно тому участку, на котором производят измерения
силы тока (рис. 2).
Электрический ток может быть постоянным, т. е. не изменяющимся в зависимости
от времени, или переменным. В формулах силу постоянного тока обозначают через I. При
расчетах проводов, обмоток электрических машин и пр. часто пользуются понятием
плотности тока j. Она представляет собой силу тока, приходящуюся на единицу
поперечного сечения проводника:
Электрический ток в металлических проводниках
Электроны, расположенные на внешней оболочке атомов металлов, сравнительно
слабо связаны с их ядрами. Поэтому они перемещаются между атомами, переходя из
сферы действия ядра одного атома в сферу действия ядра другого и заполняя
пространство между ними наподобие газа; их называют свободными электронами.
Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения (рис. 3а). Однако
если внести металлический проводник в электрическое поле, то свободные электроны под
действием сил поля начнут перемещаться (рис. 3б), создавая электрический ток. Таким
образом, электрический ток в металлических проводниках создается в результате
упорядоченного (направленного) движения свободных электронов.
Направление тока
В электрической цепи (рис. 3б) электроны движутся от отрицательного полюса
источника электрической энергии к положительному, т. е. от минуса (-) к плюсу (+).
Однако до объяснения электрических явлений с точки зрения электронной теории (когда
природа электрического тока не была достаточно изучена) полагали, что ток создается
перемещением положительно заряженных частиц, т. е. что он протекает от
положительного полюса источника к отрицательному. Чтобы не менять этого
установившегося в практике положения, решили считать, что ток проходит от плюса к
минусу.
Электрический потенциал и напряжение
Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля,
введено специальное понятие - электрический потенциал. Электрический потенциал ц в
данной точке поля равен работе, которую могут совершить силы электрического поля при
перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.
При расчете электрических цепей весьма важно знать разность потенциалов между
двумя точками поля, так как от этой от величины зависит работа, которая затрачивается на
перемещение некоторого заряда q из одной точки в другую. В электрической цепи
постоянного тока разность электрических потенциалов между двумя точками цепи носит
название электрического напряжения U. Оно численно равно отношению работы А,
которую нужно затратить на перемещение заряда q из одной точки электрической цепи в
другую, к величине этого заряда:
За единицу электрического напряжения принято напряжение в один вольт (В).
Напряжение при постоянном токе обозначают буквой U.
Для измерения напряжения используют вольтметр, который включают параллельно
тому участку, на котором необходимо измерить напряжение (рис. 4).
Электродвижущая сила
В замкнутой электрической цепи положительные заряды движутся от точек с более
высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом, т.е. от положительного
зажима источника электрической энергии к отрицательному. Но внутри источника эти
заряды должны перемещаться от отрицательного зажима к положительному, т.е. от
полюса с низшим потенциалом к полюсу с высшим потенциалом. Такое перемещение
зарядов внутри источника совершается за счет сил неэлектрического происхождения,
которые называют сторонними силами. Наличие сторонних сил совершенно необходимо
для работы электрических устройств. Они возникают в источниках электрической энергии
в результате преобразования какой-либо формы энергии в электрическую.
Работа сторонних сил Аст, отнесенная к единице положительного заряда q,
называется электродвижущей силой (ЭДС) источника электрической энергии:
Сопротивление и проводимость
При движении свободные электроны в проводнике сталкиваются на своем пути с
атомами и ионами вещества, из которого выполнен проводник, и передают им часть своей
энергии. При этом энергия движущихся электронов в результате столкновения их с
атомами и ионами частично рассеивается в виде тепла, нагревающего проводник.
Ввиду того, что электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают
некоторое сопротивление движению, принято говорить, что проводники обладают
электрическим (омическим) сопротивлением. Если сопротивление проводника мало, он
сравнительно слабо нагревается током; если же сопротивление велико, проводник может
раскалиться.
За единицу сопротивления принято сопротивление в один Ом. Сопротивлением в 1
Ом обладает проводник, по которому проходит ток в 1 А при разности потенциалов на его
концах (напряжении), равной 1 В. На практике часто сопротивления измеряют тысячами
омов - килоомами (кОм) или миллионами омов - мегомами (МОм). Сопротивление
обозначается буквой r или R.
Проводник можно характеризовать не только его сопротивлением, но и так
называемой проводимостью - способностью проводить электрический ток. Проводимость
есть величина, обратная сопротивлению, т. е. она равна:
Единица проводимости называется сименсом (См):
Проводимость обозначают буквой g или G.
Электропроводность различных материалов
Атомы разных веществ оказывают неодинаковое сопротивление прохождению
электрического тока; поэтому различные материалы обладают неодинаковой
электропроводностью.
О способности отдельных веществ проводить электрический ток можно судить по
их удельному электрическому сопротивлению с. Удельное электрическое сопротивление
определяется сопротивлением куба со стороной ребра в 1 м. Удельное электрическое
сопротивление измеряют в Ом•м. Часто удельное электрическое сопротивление выражают
в Ом•см.
Проводниковые материалы применяют главным образом в виде проволок, шин или
лент, поперечное сечение которых принято выражать в квадратных миллиметрах, длину в метрах. Поэтому удельное электрическое сопротивление подобных материалов
измеряют также в Ом•мм2/м. Удельные сопротивления различных веществ определяется
экспериментально и их значения заносятся в справочники.
Для суждения об электропроводности различных материалов пользуются понятием
удельной электрической проводимости:
Ее измеряют и См/м, См/см, а для проводниковых материалов - в См•м/мм2.
Электрическое сопротивление проводника зависит не только от материала, но и от
его длины l и поперечного сечения S. Для прямолинейного проводника постоянного
сечения:
Если удельное сопротивление с выражено в Ом•мм2/м, то, для того чтобы получить
сопротивление проводника по формуле (5) в омах, длину его надо выражать в метрах, а
площадь поперечного сечения - в квадратных миллиметрах.
Электропроводность металлических проводников зависит от их температуры. О
степени сопротивления проводников при изменении температуры судят по так
называемому температурному коэффициенту сопротивления б. Этот коэффициент
показывает, какую долю составляет изменение сопротивления проводника от начальной
его величины при изменении температуры на 10С. Сопротивление металлического
проводника Rt при заданном интервале температур можно определить по формуле
где R0 - сопротивление проводника при некоторой начальной температуре t0
(обычно при температуре + 20°С); t - t0 - изменение температуры.
Контрольные вопросы:
1.
Из каких элементов состоит электрическая цепь?
2.
Что представляет собой электрический ток в проводниках? Каково его
направление?
3.
Дайте определения ЭДС и напряжения. В чем отличия этих величин?
4.
Какими буквами обозначаются и в каких единицах измеряются сила тока,
напряжение, ЭДС, сопротивление и проводимость?
5.
От чего зависит сопротивление металлического проводника?