Последовательное и параллельное соединение емкостей.

Последовательное соединение

При последовательном соединении конденсаторов обратная величина общей емкости равна сумме обратных величин емкостей отдельных конденсаторов. Каждый из конденсаторов включен на меньшее напряжение, чем напряжение сети:

Параллельное соединение

При параллельном соединении конденсаторов общая емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. При параллельном соединении каждый конденсатор окажется включенным на полное напряжение сети:

.

Аккумулятор

Электрический аккумулятор — источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование.

Аккумуляторы применяются для автономной работы различного электротехнического оборудования, а также используются для обеспечения работы резервных источникам питания при отключении основного питания.

Аккумулятор характеризуется наибольшим количеством электричества, которое можно получить, не причиняя ему вреда. Это количество электричества называется емкостью аккумулятора и обычно измеряется в ампер·часах.

Заряженные аккумулятор с заявленной емкостью в 1 А·ч теоретически способен обеспечить силу тока 1 ампер в течение одного часа.

В зависимости от используемых материалов различают следующие виды аккумуляторов:

· свинцово-кислотные Pb,

· никель-кадмиевые Ni-Cd,

· никель-металл-гидридные Ni-MH,

· литий-ионные Li‑ion,

· литий-полимерные Li‑pol, и т.д.

Схемы соединения аккумуляторов

Последовательное соединение – применяется при необходимости увеличить выходное напряжение.

Параллельное соединение – применяется при необходимости увеличить выходную емкость аккумуляторной батареи.

Тепловое действие тока. Закон Джоуля–Ленца.

При прохождении электрического тока по проводнику, электроны сталкиваются с двигающимися молекулами проводника и усиливают их движение, что приводит к нагреву проводника. Повышение температуры проводника происходит в результате преобразования электрической энергии в тепловую. При этом источником тока совершается работа

Это уравнение выражает закон Джоуля—Ленца.

В целях экономии проводникового материала желательно, чтобы проводник был нагружен наибольшим током. Но для каждого проводника существует температура, выше которой проводник нельзя нагревать по целому ряду причин, в первую очередь по условиям теплостойкости изоляции (существуют таблицы выбора сечения проводов по длительно допустимой нагрузке).

Работа. Мощность.

В источнике ЭДС под действием химических сил или электромагнитных сил в электрических генераторах происходит разделение зарядов. Работа, которая совершается сторонними силами в источнике при перемещении заряда, если источник замкнут на внешнюю цепь находится по формуле:

По закону сохранения энергии электрическая энергия, выработанная в источнике ЭДС преобразуется в другие виды энергии на участках электрической цепи.

Величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование энергии, или скорость, с которой совершается работа, называется мощностью (Р):

Измеряется мощность в ваттах – Вт.

 

Электромагнетизм

Магнитное поле постоянного тока.

Если к прямолинейному проводнику с электрическим током поднести магнитную стрелку, то она будет стремиться стать перпендикулярно плоскости, проходящей через ось проводника и центр вращения стрелки. Это указывает на то, что на стрелку действуют особые силы, которые называются магнитными силами. Кроме действия на магнитную стрелку, магнитное поле оказывает влияние на движущиеся заряженные частицы и на проводники с током, находящиеся в магнитном поле. В проводниках, движущихся в магнитном поле, или в неподвижных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле, возникает индуктивная Э.Д.С

В соответствии с вышесказанным мы можем дать следующее определение магнитного поля.

Магнитным полем называется одна из двух сторон электромагнитного поля, возбуждаемая электрическими зарядами движущихся частиц и изменением электрического поля и характеризующаяся силовым воздействием на движущиеся заряженные частицы, а стало быть, и на электрические токи.

Если продеть через картон толстый проводник и пропустить по нему электрический ток, то стальные опилки, насыпанные на картон, расположатся вокруг проводника по концентрическим окружностям, представляющим собой в данном случае так называемые магнитные индукционные линии. Мы можем передвигать картон вверх или вниз по проводнику, но расположение стальных опилок не изменится. Следовательно, магнитное поле возникает вокруг проводника по всей его длине.

Если на картон поставить маленькие магнитные стрелки, то, меняя направление тока в проводнике, можно увидеть, что магнитные стрелки будут поворачиваться. Это показывает, что направление магнитных индукционных линий меняется с изменением направления тока в проводнике.

Магнитные индукционные линии вокруг проводника с током обладают следующими свойствами:

· магнитные индукционные линии прямолинейного проводника имеют форму концентрических окружностей;

· чем ближе к проводнику, тем чаще располагаются магнитные индукционные линии;

· магнитная индукция (интенсивность поля) зависит от величины тока в проводнике;

· направление магнитных индукционных линий зависит от направления тока в проводнике.

Чтобы показать направление тока в проводнике, изображенном в разрезе, принято условное обозначение: если ток направлен от нас, то ставиться крестик, если же к нам - точка.

Направление магнитных индукционных линий вокруг проводника с током можно определить по «правилу буравчика».

Если буравчик (штопор) с правой резьбой будет двигаться поступательно по направлению тока, то направление вращения ручки будет совпадать с направлением магнитных индукционных линий вокруг проводника.

За положительное направление магнитного поля условно принимают направление северного полюса магнитной стрелки.

Магнитные величины.

Рассмотрим количественные характеристики магнитного поля.

Магнитная индукция В - векторная величина характеризующая магнитное поле и определяющая силу действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Единицей магнитной индукции является вебер(Вб) деленный на квадратный метр, или Тесла (Тл).

Абсолютная магнитная проницаемость среды – величина, являющаяся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды.

,

где – магнитная постоянная, характеризующая свойства вакуума.

относительная магнитная проницаемость среды. Она показывает во сколько раз индукция поля, созданного в данной среде, больше или меньше, чем в вакууме, является безразмерной величиной.

Напряженность магнитного поля Н – векторная величина, которая не зависит от свойств среды и определяется только токами в проводниках создающих магнитное поле.

Единица напряженности – ампер на метр.

Магнитный поток Ф – произведение магнитной индукции на величину площадки, перпендикулярной направлению поля (вектору магнитной индукции).

Соленоидом называется проводник, свитый спиралью, по которому пропущен электрический ток.

Если мысленно разрезать витки соленоида поперек обозначить направление тока в них, как было указано выше, и определить направление магнитных индукционных линий по «правилу буравчика», то магнитное поле всего соленоида будет иметь такой вид, как показано на рисунке.

В том месте, где магнитные линии входят в соленоид, образуется южный полюс, где они выходят — северный полюс.

Соленоид, внутри которого находится стальной сердечник, называется электромагнитом. Магнитное поле у электромагнита сильнее, чем у соленоида, так как сердечник, вложенный в соленоид, намагничивается и результирующее магнитное поле усиливается. Полюсы у электромагнита можно определить, так же как и у соленоида, по «правилу буравчика».

Электромагниты широко применяются в технике. Они служат для создания магнитного поля в электрических генераторах и двигателях, в электроизмерительных приборах, электрических аппаратах и т. п.

В установках большой мощности для отключения поврежденного участка цепи вместо плавких предохранителей применяются автоматические, масляные и воздушные выключатели. Для приведения в действие отключающих катушек автоматических выключателей применяются различные реле. Реле называются приборы или автоматы, реагирующие на изменение тока, напряжения, мощности, частоты и пр.

Магнитный поток соленоида (электромагнита) увеличивается с увеличением числа витков и тока в нем. Намагничивающая сила зависит от произведения тока и числа витков (числа ампер-витков).

Если, например, взять соленоид, по обмотке которого проходит ток 5А и число витков которого равно 150, то число ампер-витков будет 5∙150=750. Тот же магнитный поток получится, если взять 1500 витков и пропустить по ним ток 0,5 а, так как 0,5∙1500 = 750 ампер-витков.

Увеличить магнитный поток соленоида можно следующими путями:

· вложить в соленоид стальной сердечник, превратив его в электромагнит;

· увеличить сечение стального сердечника электромагнита (так как при данных токе, напряженности магнитного поля, и, стало быть, магнитной индукции увеличение сечения ведет к росту магнитного потока);

· уменьшить воздушный зазор электромагнита (так как при уменьшении пути магнитных линий по воздуху уменьшается магнитное сопротивление).

Магнитные материалы.

По характеру магнитных свойств все вещества можно разделить на три группы:

Ферромагнитные — вещества, сильно притягивающиеся к магниту. К ним принадлежат железо, сталь, чугун, никель, кобальт, редкоземельный элемент гадолиний и некоторые сплавы.

У этих веществ относительная магнитная проницаемость имеет величину от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч. Например, для кобальта — 150, никеля — 300, железа — до 500, пермаллоя (сплав стали с никелем) — до 100000.

Парамагнитные — вещества, слабо притягивающиеся к магниту. К ним принадлежат алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород и др. У этих веществ относительная магнитная проницаемость немного больше единицы. Например, у воздуха

Диамагнитные — вещества, слабо отталкивающиеся от магнита. К ним принадлежат цинк, ртуть, свинец, сера, медь, хлор, серебро, вода и др. У этих веществ относительная магнитная проницаемость немного меньше единицы. Например, у меди

Свойства магнитного материала характеризуются величинами напряженности магнитного поля, магнитного потока, магнитной индукции и магнитной проницаемости.

Зависимость между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля, выраженная графически, образует кривую, называемую петлей гистерезиса. Пользуясь этой кривой, можно получить ряд данных, характеризующих магнитные свойства материала.

Рассмотрим процесс переменного намагничивания ферромагнитного материала. Для этой цели намотаем на стальной сердечник обмотку и будем по ней пропускать постоянный ток. Предположим, что сердечник электромагнита ранее не был намагничен. Увеличивая проходящий по виткам обмотки ток I от нуля, мы тем самым будем увеличивать намагничивающую силу и напряженность поля Н. Величина магнитной индукции В в сердечнике будет также увеличиваться. Кривая намагничивания Оа на рисунке имеет прямолинейную часть, а затем вследствие насыщения кривая поднимается медленно, приближаясь к горизонтали. Если теперь, достигнув точки а, уменьшать Н, то будет уменьшаться и В. Однако уменьшение В при уменьшении Н, т. е. при размагничивании, будет происходить с запаздыванием по отношению к уменьшению H. Величина остаточной индукции при H =0 характеризуется отрезком Об.

Для того чтобы магнитная индукция в сердечнике стала равной нулю, необходимо намагничивать материал в обратном направлении, т. е. перемагничивать его. Для этой цели направление тока в обмотке меняется на обратное. Направление магнитных линий и напряженности поля также изменяется. При напряженности поля Н =Ов индукция в сердечнике равна нулю и материал сердечника полностью размагничен. Значение напряженности поля Н =Ов при В =0 является определенной характеристикой материала и называется задерживающей (коэрцитивной) силой.

Повторяя процесс перемагничивания, мы получаем замкнутую кривую а6вгдеа, называемую петлей гистерезиса. На этом опыте легко убедиться, что намагничивание и размагничивание сердечника (появление и исчезновение полюсов, магнитной индукции или магнитного потока) отстают от момента появления и исчезновения намагничивающей и размагничивающей силы (тока в обмотке электромагнита). Явление гистерезиса можно иными словами охарактеризовать как отставание изменений магнитной индукции от изменений напряженности поля. Перемагничивание материала связано с затратой некоторого количества энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего материал.

Переменное магнитное поле вызывает появление в магнитных материалах вихревых токов. Эти токи нагревают сердечники (магнитопроводы), что приводит к затрате некоторой мощности.

Для характеристики материала, работающего в переменном магнитном поле, суммарное значение мощности, затрачиваемой на гистерезис и вихревые токи при частоте 50 Гц, относят к 1 кг веса материала. Эта величина называется удельными потерями и выражается в Вт/кг.

Магнитная индукция того или иного магнитного материала не должна превышать некоторой максимальной величины в зависимости от вида и качества данного материала. Попытки увеличить индукцию приводят к увеличению потерь энергии в данном материале и нагреву его.

Магнитные материалы делятся на две группы:

· магнитно-мягкие

· магнитно-твердые.

Магнитно-мягкие материалы.

Магнитно-мягкие материалы должны отвечать следующим требованиям:

· обладать большой относительной магнитной проницаемостью, позволяющей получать большую магнитную индукцию при возможно малом числе ампер-витков;

· иметь возможно меньшие потери на гистерезис и вихревые токи;

· обладать стабильностью магнитных свойств.

Магнитно-мягкие материалы используются в качестве магнитопроводов электрических машин, сердечников трансформаторов, дросселей, электромагнитов реле, электроизмерительных приборов и т. п. Рассмотрим некоторые магнитно-мягкие материалы.

Листовая электротехническая сталь является наиболее распространенным материалом в электромашиностроении и трансформаторостроении. Электротехническая сталь легируется кремнием для улучшения ее магнитных свойств и уменьшения потерь на гистерезис. Кроме того, в результате введения кремния в состав стали увеличивается ее удельное сопротивление, что приводит к уменьшению потерь на вихревые токи. Толщина листа в зависимости от марки стали 0,3 и 0,5 мм. Электротехническая сталь, прокатанная в холодном состоянии с последующим отжигом в атмосфере водорода, имеет особо высокие магнитные свойства. Это объясняется тем, что кристаллы металла располагаются параллельно направлению прокатки.

Пермаллой — сплав железа и никеля. Примерный состав пермаллоя: 30—80% никеля, 10—18% железа, остальное—медь, молибден, марганец, хром. Пермаллой хорошо обрабатывается и выпускается в виде листов. Обладает очень высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях (до 200000 гн/см). Пермаллой применяется для изготовления деталей телефонной и радиотехнической связи, сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, реле, деталей электроизмерительных приборов.

Альсифер — сплав алюминия, кремния и железа. Примерный состав альсифера: 9,5% кремния, 5,6% алюминия, остальное — железо. Альсифер — твердый и хрупкий сплав, поэтому он обрабатывается с трудом. Преимущества альсифера — высокая магнитная проницаемость в слабых магнитных полях, большое удельное сопротивление (ρ =0,81 ом∙мм²/м), отсутствие в его составе дефицитных металлов. Применяется для изготовления сердечников, работающих в высокочастотных установках.

Пермендюр —сплав железа с кобальтом и ванадием (50% кобальта, 1,8% ванадия, остальное — железо). Пермендюр выпускается в виде листов, полос и лент. Применяется для изготовления сердечников электромагнитов, динамических репродукторов, мембран, телефонов, осциллографов и т. п.

Магнитодиэлектрики — магнитно-мягкие материалы, раздробленные в мелкие зерна (порошок), которые изолируются одно от другого смолами или другими связками. В качестве порошка магнитного материала применяется электролитическое железо, карбонильное железо, пермаллой, альсифер, магнетит. Изолирующими связками являются; шеллак, фенолоформальдегидные смолы, полистирол, жидкое стекло и др. Порошок магнитного материала смешивают с изолирующей связкой, тщательно перемешивают и из полученной массы прессуют под давлением сердечники трансформаторов, дросселей, детали радиоаппаратуры. Зернистое строение магнитодиэлектрических материалов обусловливает малые потери на вихревые токи при работе этих материалов в магнитных полях токов высокой частоты.

Магнитно-твердые материалы.

Магнитно-твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов. Эти материалы должны отвечать следующим требованиям:

· обладать большой остаточной индукцией;

· иметь большую максимальную магнитную энергию;

· обладать стабильностью магнитных свойств.

Самым дешевым материалом для постоянных магнитов является углеродистая сталь (0,4—1,7% углерода, остальное — железо). Магниты, изготовленные из углеродистой стали, обладают невысокими магнитными свойствами и быстро теряют их под влиянием нагрева, ударов и сотрясений.

Легированные стали обладают лучшими магнитными свойствами и применяются для изготовления постоянных магнитов чаще, чем углеродистая сталь. К таким сталям относятся хромистая, вольфрамовая, кобальтовая и кобальто-молибденовая.

Для изготовления постоянных магнитов в технике разработаны сплавы на основе железа — никеля — алюминия. Эти сплавы отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому они могут обрабатываться только шлифованием. Сплавы обладают исключительно высокими магнитными свойствами и большой магнитной энергией в единице объема,

Электромагнитная индукция.

Возьмем «постоянный магнит 1 (рисунок, а) и будем опускать его в катушку 2 (соленоид). Мы увидим, что стрелка гальванометра 3, включенного в цепь, отклонится (например, вправо). Это указывает на появление Э.Д.С и тока в соленоиде.

Если прекратить движение магнита, то стрелка гальванометра вернется в нулевое положение (рисунок, б). Это показывает, что для появления индуктированной Э.Д.С. мало иметь магнитное поле и проводник, нужно еще, чтобы они двигались одно относительно другого.

Вынимая магнит из катушки (рисунок, в), можно заметить, что стрелка гальванометра отклонится, но уже в другую сторону (влево). Это показывает, что направление индуктированной Э.Д.С зависит от направления движения магнитного поля, пересекающего неподвижный проводник, или от направления движения проводника, пересекающего магнитное поле.

Явление возникновения Э.Д.С в контуре при пересечении его магнитным полем называется электромагнитной индукцией и было открыто английским физиком М. Фарадеем в 1831 г.

Индуктированная Э.Д.С возникает в следующих трех случаях:

1. Когда движущийся проводник пересекает неподвижное магнитное поле или, наоборот, перемещающееся магнитное поле пересекает неподвижный проводник; или когда проводник и магнитное поле двигаясь в пространстве, перемещаются один относительно другого.

2. Когда переменное магнитное поле одного проводника, действуя на другой проводник, индуктирует в нем Э.Д.С (взаимоиндукция).

3. Когда изменяющееся магнитное поле проводника индуктирует в нем самом Э.Д.С. (самоиндукция).

Таким образом, всякое изменение во времени величины магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур (виток, рамку), сопровождается появлением в проводнике индуктированной Э.Д.С.

Как было отмечено выше, направление индуктированной Э.Д.С зависит от направления движения проводника и от направления магнитного поля.

Для определения направления индуктированной Э.Д.С. в проводнике служит «правило правой руки». Оно заключается в следующем: если мысленно расположить правую руку в магнитном поле вдоль проводника так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, входили в ладонь, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения проводника, то четыре вытянутых пальца будут показывать направление индуктированной Э.Д.С в проводнике.

В случаях, когда проводник остается неподвижным, а магнитное поле движется, для определения направления индуктированной Э.Д.С. нужно предположить, что поле остается неподвижным, а проводник движется в сторону, обратную движению поля, и применить также «правило правой руки».

Величина индуктированной Э.Д.С. в проводнике зависит:

1) от величины индукции В магнитного поля, так как чем гуще расположены магнитные индукционные линии, тем большее число их пересечет проводник за единицу времени (секунду);

2) от скорости движения проводника υ в магнитном поле, так как при большой скорости движения проводник может больше пересечь индукционных линий в секунду;

3) от рабочей (находящейся в магнитном поле) длины проводника l, так как длинный проводник может больше пересечь индукционных линий в секунду;

4) от величины угла между направлением движения проводника и направлением магнитного поля.

Раскладываем вектор скорости движения проводника в магнитном поле на две составляющие: — составляющую, нормальную к направлению поля и -тангенциальную составляющую, которая не принимает участия в создании Э.Д.С.-, так как при движении под воздействием тангенциальной составляющей проводник двигался бы параллельно вектору В и не пересекал бы линий магнитной индукции.

Величина индуктированной Э.Д.С. может быть найдена по формуле:

Взаимная индукция.

Взаимоиндукцией называется влияние изменяющегося магнитного поля одного проводника на другой проводник, в результате чего во втором проводнике возникает индуктированная Э.Д.С.

Трансформатор.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, содержащее от двух до нескольких обмоток, расположенных на общем магнитопроводе, и индуктивно связанных, таким образом, между собой. Служит трансформатор для преобразования электрической энергии переменного тока посредством электромагнитной индукции без изменения частоты тока. Используют трансформаторы, как для преобразования переменного напряжения, так и для гальванической развязки в различных сферах электротехники и электроники.

Справедливости ради отметим, что в некоторых случаях трансформатор может содержать и всего одну обмотку (автотрансформатор), а сердечник может и вовсе отсутствовать (ВЧ — трансформатор), однако в большинстве своем трансформаторы имеют сердечник (магнитопровод) из магнитомягкого ферромагнитного материала, и две или более изолированные ленточные или проволочные обмотки, охватываемые общим магнитным потоком.