Противо ЭДС

Электрические машины без противо-эдс


Рис.1. Схема синхронного генератора.

Рис.2. Схема синхронного генератора с обмотками Грамма на статоре.
Смысл использования обмотки Грамма в генераторах без противо-эдс
Как вы знаете, в обычных синхронных генераторах Рис.1. переменный магнитный поток создаваемый ротором-индуктором при его вращении воздействует на обмотки статора, и наводит в них ЭДС и ток. Но образование тока в обмотке статора так же создает магнитное поле, которое воздействуя на ротор, тормозит его. Причем, торможение тем больше, чем сильнее ток в обмотках статора, и значит больше его магнитное поле. Именно поэтому, при возрастании тока нагрузки в генераторе, усиливается торможение ротора, а значит и уменьшается скорость его вращения, и создаваемое при вращении напряжение, которое пропорционально скорости изменения магнитного потока ротора. Поэтому, при возрастании тока напряжение снижается, и если не использовать специальных способов стабилизации вращения ротора, то будет падать и частота тока и напряжения в сети генератора.
Поле торможения действующее на ротор со стороны статора является не потенциальным. Его работа в цикле не равна нулю, а при возрастании циклов монотонна. Такова симметрия работы этого поля. О симметрии полей смотрите тему «Потенциальное и не потенциальное поле «
zaryad.com/forum/index.php?threads/Потен…нциальное-поле.9006/
Поле вращающегося ротора, которое действует в сечении его вала, и преодолевает силу сопротивления тормозящего поля статора, так же не потенциальное. Оно образовано смещением частиц в потенциальных ямах вещества вала. И это поле имеет в цикле работу равную работе торможения ротора, если генератор работает в стационарном режиме. Таким образом, ввиду компенсации рабочим полем ротора сил торможения статора генератор вращается по инерции, в соответствии с 1-м законом Ньютона (если его применить для инерционно вращающихся тел). И тем не менее, на статоре происходит выработка электроэнергии. Эта выработка производится другим не потенциальным полем ротора, полем сил Ампера-Лоренца, которое создается при изменении магнитного потока ротора. И действуя на обмотки статора, наводит в них не потенциальную ЭДС и создает ток.
При этом, работа силы сопротивления равна работе крутящего момента внешних сил генератора. Тогда как величина работы поля генерирующего ток, как показывает опыт, на несколько процентов меньше, чем работа внешних сил крутящих ротор и силы сопротивления. Поэтому КПД работы такого генератора, равный отношению получаемой на статоре энергии (меры движения) к ее затратам на роторе — меньше единицы. При этом, нужно сказать, что в генераторе нет никакого преобразования механической энергии на входе в электрическую энергию на статоре. Зато есть уничтожение механической энергии ротора полем сопротивления статора. И есть генерация энергии в обмотках статора переменным полем ротора. Пропорциональная связь этих процессов не является навсегда заданной, а происходит из конструкции самой машины. Если уменьшить магнитный поток попадающий со статора на ротор, то уменьшится и сила сопротивления и затраты механической работы на роторе генератора. При этом, совершаемая работа на статоре переменным полем ротора не уменьшится. Ввиду чего, КПД изменится, и может стать больше единицы. Если хотя бы поток статора на ротор будет уменьшен вдвое. Но как этого добиться?

Очевидно, нам нужно компенсировать поток статора, создав специальную обмотку, компенсирующую магнитное поле проводников. Такая компенсация поля происходит вокруг обычной катушки, так как ток в каждом ее витке течет с одной стороны в одну сторону, а с другой в другую. И поэтому, совокупное магнитное поле на внешней стороне катушки почти обнуляется, и становится все сконцентрированным внутри катушки. Но, чтобы это поле выходящее с торцов катушки не попало на ротор, его еще дополнительно нужно замкнуть в магнитопроводах статора. Вот тогда мы получим нужную нам асимметрию магнитных потоков ротора и статора. Магнитный поток ротора будет пересекать статора и витки обмотки на нем, наводя в них ЭДС. А магнитный поток статора не будет пересекать ротор, и не будет создавать в нем силы Ампера-Лоренца, образующие поля сопротивления, действующие на ротор.
На рисунке Рис.2. показан такой генератор с обмотками на статоре в виде катушек. Такой вид обмотки называется обмоткой Грамма. И она не позволяет полям витков действовать на ротор. Так как поле витков перед катушкой в направлении ротора компенсировано. Но в генераторе, изображенном на рисунке Рис.2 соблюдены не все условия. В частности, здесь нет замыкания магнитных потоков катушек внутри статора, и поэтому, они могут попасть на ротор, пройти через него, и осуществить торможение ротора силами Ампера-Лоренца. Поэтому, нужно несколько изменить конструкцию статора, и замкнуть магнитные потоки обмоток Грамма внутри статора. Первым, кто понял это очевидно был сам создатель генератора Грамма. После него Тесла, который создал многие электрические машины по этому принципу. К сожалению они не дошли до нас, так как нарушали закон сохранения энергии. Из наших современников, кто первым изобразил этот принцип в схемах и пояснил его, был Н.Н. Громов. Эти схемы имеются в сборнике его работ.
Ссылка на файл «Статьи Гомова.pdf»
cloud.mail.ru/public/8tKH/92XGs8ScE
Мы приведем ниже некоторые из его схем, показывающие, как замыкаются магнитные потоки обмоток Грамма внутри синхронного генератора, выполненного с обмотками Грамма. Что гарантирует неравенство магнитных потоков ротора через статор, и статора через ротор. Магнитный поток статора через ротор существенно снижается, и мы получаем электрическую машину без противо-эдс на роторе. Или во всяком случае с существенным снижением сил торможения ротора. Чего мы и хотели достичь. Теперь затраты энергии на роторе оказываются меньше, чем получение энергии на статоре, и генератор превращается в источник дополнительной энергии, создаваемой полем ротора в обмотках генератора. Часть этой энергии можно вернуть через инвертор и электродвигатель и осуществить вращение ротора за счет собственной энергии генератора.

Рис.3. Синхронный генератор с обмоткой Грамма и замыканием потоков статора внутри статора.

Рис.4. Трехфазный синхронный генератор с обмоткой Грамма и замыканием потоков статора внутри статора.
Замыкание магнитных потоков обмоток Грамма внутри статора показано фиолетовыми линиями. Замыкание потоков ротора — синими линиями. Как вы видите, магнитные потоки статора в обоих типах генераторов, показанных на Рис.3., Рис.4. не проходят через ротор. А значит и не создают на нем силы Ампера-Лоренца вызывающие торможение ротора.

Если в обмотках указанных выше генераторов без противо-эдс увеличивается ток, то хотя это и создает увеличение магнитного потока статора, и некоторое изменение магнитного потока ротора, ввиду насыщения магнитопроводов, но не настолько значительное, чтобы существенным образом увеличить торможение ротора. Поэтому, этот генератор является токонезависимым генератором. Его вал не испытывает торможения при увеличении тока нагрузки. Мощность такого генератора на выходе оценивается как произведение его напряжения на максимально допустимый ток в обмотках, исходя из их сечения. Тогда как мощность торможения ротора зависит от остаточных величин влияния магнитного потока статора на ротор, и не может быть рассчитана иначе, как на натурных испытаниях, или на специальной программе расчета магнитных потоков. Например, программе ELCUT и многих других. Таким образом, электрическая машина без противо-эдс может быть полностью рассчитана в существующих программах расчета магнитных потоков электрических машин.

Что такое ЭДС (электродвижущая сила)

Электродвижущая сила, в народе ЭДС, также как и напряжение измеряется в вольтах, но носит совсем иной характер.

ЭДС с точки зрения гидравлики

Думаю, вам уже знакома водонапорная башня из прошлой статьи про напряжение

Допустим, что башня полностью заполнена водой. Снизу башни мы просверлили отверстие и врезали туда трубу, по которой вода бежит к вам домой.

Сосед захотел полить огурцы, вы решили помыть автомобиль, мать затеяла стирку и вуаля! Поток воды стал меньше и меньше, и вскоре совсем иссяк… Что случилось? Закончилась вода в башне…

Время, которое потребуется, чтобы опустошить башню, зависит от емкости самой башни, а также от того, сколько потребителей будут пользоваться водой.

Все то же самое можно сказать и про радиоэлемент конденсатор:

Допустим мы его зарядили от батарейки 1,5 вольта и он принял заряд. Нарисуем заряженный конденсатор вот так:

Но как только мы цепляем к нему нагрузку (пусть нагрузкой будет светодиод) с помощью замыкания ключа S, в первые доли секунд светодиод будет светиться ярко, а потом тихонько угасать… и пока полностью не потухнет. Время угасания светодиода будет зависеть от емкости конденсатора, а также от того, какую нагрузку мы цепляем к заряженному конденсатору.

Как я уже сказал, это равносильно простой наполненной башне и потребителям, которые пользуются водой.

Но почему тогда в наших башнях вода никогда не заканчивается? Да потому что работает насос подачи воды! А откуда этот насос берет воду? Из скважины, которая пробурена для добычи подземных вод. Иногда ее еще называют артезианской.

Как только башня полностью наполнится водой, насос выключается. В наших водобашнях насос всегда поддерживает максимальный уровень воды.

Итак, давайте вспомним, что такое напряжение? По аналогии с гидравликой – это уровень воды в водобашне. Полная башня – это максимальный уровень воды, значит максимальное напряжение. Нет в башне воды – напряжение ноль.

ЭДС электрического тока

Как вы помните из прошлых статей, молекулы воды – это “электроны”. Для возникновения электрического тока, электроны должны двигаться в одном направлении. Но чтобы они двигались в одном направлении, должно быть напряжение и какая-нибудь нагрузка. То есть вода в башне – это напряжение, а люди, которые тратят воду для своих нужд – это нагрузка, так как они создают поток воды из трубы, которая находится у подножия водобашни. А поток – это не что иное, как сила тока.

Также должно соблюдаться условие, что вода должна всегда быть на максимальной отметке, независимо от того, сколько людей тратит ее для своих нужд одновременно, иначе башня опустошится. Для водобашни этим спасительным средством является водонасос. А для электрического тока?

Для электрического тока должна быть какая-то сила, которая бы толкала электроны в одном направлении в течение продолжительного времени. То есть эта сила должна двигать электроны! Электродвижущая сила! Да, именно так! ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА! Можно назвать ее сокращенно ЭДС – Электро Движущая Сила. Измеряется она в вольтах, как и напряжение, и обозначается в основном буквой E.

Значит, в наших батарейках тоже есть такой “насос”? Есть, и правильней было бы его назвать “насос подачи электронов”). Но, конечно, так никто не говорит. Говорят просто – ЭДС. Интересно, а где спрятан этот насос в батарейке? Это просто-напросто электрохимическая реакция, из-за которой держится “уровень воды” в батарейке, но потом все-таки этот насос изнашивается и напряжение в батарейке начинает проседать, потому как “насос” не успевает качать воду. В конце концов он полностью ломается и напряжение на батарейке стает практически ноль.

Реальный источник ЭДС

Источник электрической энергии – это источник ЭДС с внутренним сопротивлением Rвн. Это могут быть какие-либо химические элементы питания, наподобие батареек и аккумуляторов

Их внутреннее строение с точки зрения ЭДС выглядит примерно вот так:

Где E – это ЭДС, а Rвн – это внутреннее сопротивление батарейки

Итак, какие выводы можно сделать из этого?

Если к батарейке не цепляется никакая нагрузка, типа лампы накаливания и тд, то в результате сила тока в такой цепи будет равняться нулю. Упрощенная схема будет такой:

Но если мы все-таки присоединим к нашей батарейке лампочку накаливания, то у нас цепь станет замкнутой и в цепи будет течь ток:

В результате у нас в цепи побежит электрический ток, а на внутреннем сопротивлении упадет какое-то напряжение, так как в результате у нас получился делитель напряжения, так как нить лампы накаливания также имеет какое-то свое сопротивление. По закону Ома, чем больше сила тока в цепи, тем больше будет падение напряжения на внутреннем сопротивлении Rвн. Более подробно об этом эффекте можно прочитать в статье закон Ома для полной цепи, а также про входное и выходное сопротивление.

Если начертить график зависимости силы в цепи тока от напряжения на батарейке, то он будет выглядеть вот так:

Какой напрашивается вывод? Для того, чтобы замерить ЭДС батарейки, нам достаточно просто взять хороший мультиметр с высоким входным сопротивлением и замерять напряжение на клеммах батарейки.

То есть мы увидим, чем больше сила тока в цепи, то тем меньше напряжение на клеммах батарейки. Об этом более подробно я говорил в статье закон Ома для полной цепи.

Идеальный источник ЭДС

Допустим, пусть наша батарейка обладает нулевым внутренним сопротивлением, тогда получается, что Rвн=0.

Нетрудно догадаться, что в этом случае падение напряжение на нулевом сопротивлении также будет равняться нулю. В результате, наш график примет вот такой вид:

В результате мы получили просто источник ЭДС. Следовательно, источник ЭДС – это идеальный источник питания, у которого напряжение на клеммах не зависит от силы тока в цепи. То есть, какую нагрузку мы бы не цепляли на такой источник ЭДС, у нас он все равно будет выдавать положенное напряжение без просадки. Сам источник ЭДС обозначается вот так:

На практике идеального источника ЭДС не существует.

Типы ЭДС

– электрохимическая (ЭДС батареек и аккумуляторов)

– фотоэффекта (получение электрического тока от солнечной энергии)

– индукции (генераторы, использующие принцип электромагнитной индукции)

– Эффект Зеебека или термоЭДС (возникновение электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах)

– пьезоЭДС (получение ЭДС от пьезоэлектриков)

Резюме

ЭДС – это сила НЕэлектрического происхождения, которая заставляет течь электрический ток в цепи.

Реальный источник ЭДС имеет внутри себя внутреннее сопротивление, у идеального источника ЭДС внутреннее сопротивление равняется нулю.

Идеальный источник ЭДС всегда имеет на своих клеммах постоянное значение напряжения не зависимо от нагрузки в цепи.

chuyanov

В двух словах:

читайте внимательно, суть не в том какая нагрузка, а в том что падает ток потребления при подключении ее!

В физике и инженерии нас всегда учили бороться с обратной эдс – спрашивается зачем!? Ни один физик ортодокс не может ответить на этот вопрос! А ведь эту энергию можно полезно использовать – только вот ведь незадача там не действуют стандартные законы физики! С обратной эдс возникает отрицательное напряжение, часто называемое отрицательным электричеством. В эксперименте с импульсным трансформатором на частоте 100 кгц, отделил отрицательную полуволну во вторичной обмотке (результат размагничивания сердечника) стандартным выпрямительным диодом и подключил 10 светодиодов (ток потребления 200 мА) параллельно. В холостом режиме импульсный источник потреблял ток в 280 мА, при подключении 10 светодиодов (к отрицательной полуволне) в вторичной обмотке трансформатора. Общий ток потребления падал до 190 мА! Замерялось двумя приборами одновременно. Потом Подключил еще 10 светодиодов, всего 20шт – номинальный ток потребления 400 мА. Общий ток потребления упал до 120 мА. При этом все светодиоды горели в полную яркость. Тут пришла идея измерить потребляемый ток светодиодов, и я подключил конденсатор для правильности измерения как фильтр, чтобы измерять постоянную составляющую. К моему удивлению яркость светодиодов слегка уменьшилась, но незначительно, а прибор показал ток потребления 20 светодиодов 40 мА. – Казалось бы – полный бред! Я по образованию инженер и работал инженером, сейчас занимаюсь ремонтом цифровой техники – вот и думаю, может я что упустил, может, есть объяснение стандартное и пригласил своих коллег по работе, толковые ребята тоже инженеры по образованию. Посмотрев на это с удивлением просто развели руками, никто не смог объяснить, почему и как такое может быть, чтобы общий ток потребления дважды падал при подключении нагрузки 1й и 2й..!? Данную схему и фото опытов я показал своему знакомому профессору, он преподавал ТОЭ в университете, на что он сказал – я конечно предполагаю в чем дело но до конца понять не могу (почесав затылок).

Хочу добавить, при подключении еще большей нагрузки – попытка выйти за рамки кпд 1, ферритовый сердечник видимо перемагничивается, в результате на входе начинает потреблять очень большой ток до 4 ампер. И совершенно очевидно в данном опыте при подключении нагрузки к отрицательной полуволне во вторичной обмотке (то есть при размагничивании сердечника), на его намагничивание тратится меньше энергии, о чем свидетельствует падение потребляемого тока при подключении нагрузки 1 и нагрузки 2. Потребление энергии нагрузкой идет во время отсутствия импульса в первичной обмотке, таким образом, работа совершается только над намагничиванием сердечника.

Есть аналогичные опыты у господина Мельниченко (трансформатор Мельниченко), там он говорит о резонансе. Резонанс в импульсных системах хорошее и полезное дело, но в данном случае к эффекту не имеет никакого отношения!
вот схема:

Самое верное – это считать, что на сегодняшний день мы ни черта не знаем, не понимаем, а ортодоксальная физика уже не состоятельна, недостаточно объясняет (подчеркну, объясняет именно) как устроен и работает «мир»!

Важно заметить! Изучая поставленные опыты людей, которые добились, каких либо эффектов заметил: что истинный смысл затрагивается лишь в скользь ввиду осторожности ну или же полный увод в сторону от истинного смысла (как правило, это когда уже кто следует, намекнет человеку чтобы молчал в тряпочку по данной теме!) Так и вышло с господином Мельниченко, у него несколько хороших опытов, в которых присутствуют эффекты, не поддающиеся пока объяснению ортодоксальной физикой. Так вот Мельниченко уже как года пол или даже год не выходит на связь, а из его сайта сделали коммерческий проект. И то, что показывают там и рассказывают за деньги явный увод в сторону! Еще хорошим примером будет Джон Бедини с своим изобретением, а в нем он ведь только намекает на то, что происходит и колесо с магнитами это так для отвода глаз! Джон Хатчисон который добился левитации любых предметов и изменения молекулярного состояния – тоже молчит в тряпочку! И все потому, что людям жить хочется! Бедини в своей лекции открыто говорит: — Ребята построите большой генератор и будете орать об этом и Вы вскоре исчезните как многие ученые и изобретатели!

фото записей эксперимента
Чуянов Владимир

Есть такие схемы с названием «обратноходовики» и на осциллограммах без нагрузки на коллекторе транзистора хорошо виднеется иголка. Эта иголка высоковольтна иногда очень высоковольтна, что появляются стекающие разряды — фитонка. Конечно статья не про эти самые разряды, но они косвенным образом связаны с этой иголкой.
На всех форумах говорят про эту иглу, что это обратная ЭДС. Так ли это? Сколько пытался показать-доказать, различие между настоящей обратной ЭДС и этой иголкой все безрезультатно, наверно народ не хочет уходить от классики. Хотя тут не надо уходить от классической физики, даже отчасти наоборот — она помогает, она разруливает в данном вопросе этот вопрос.
Прежде чем разруливать этот вопрос сейчас, рассмотрим две схемы — первая «классический обратноходовик», вторая «необратноходовик»(так сказать схема Джона Бедини, где триггерная обмотка включена на минус, а не на плюс как в обычной обратноходовой схеме). Необратноходовик выдает иголку значительно лучше, нежели простой обратноходовик при тех же параметрах потребления, то есть коэффициент эффективности выше. Что на таком, что на другом формы сигналов примерно одинаковые. Так как мне больше нравится необратноходовик, то буду ориентироваться по нему и показывать опыты, осциллограммы на нем.
Оформлю для начала в качестве задачки.
Задачка №1
Цель: Поиск тока на шунте до и после h-импульса.
Схема подключений:

Рис.1. Схема подключений элементов и приборов
Примечание: земли осциллографа соединены вместе на плюсовой клемме питания до ключа (транзистора), поэтому сигналы включения напряжения и тока будут в одну сторону. Шунт — 75 мВ, 30 ампер.
Питание — постоянный источник питания 24 вольта, 400 ватт. Заряжаемые аккумуляторные батареи по 12 вольт 60 ач, в количестве 2 штук, соединение последовательное.

Рис. 2. Графики осциллограмм напряжения и тока. Желтый график — напряжение на катушке, синий график — ток на шунте.
Из осциллограмм хорошо видны, последовательности, направления, величины, напряжения и тока. Начнем смотреть слева, тогда когда транзисторы открываются, то есть желтая линия уходит вниз. Кстати говоря, про осциллограмму напряжения — если земли переткнуть с плюсовой клеммы на минусовую клемму, то вид осциллограммы останется прежним, а должен по-идее перевернуться. Но это так, к замечанию.
Так вот когда желтая линия уходит в низ, то и синяя линия также уходит вниз — открытие транзисторов. Дальше следует пик высокого напряжения, направления одинаковые. Далее начинается уже более-менее интересное, ток еще не спал, а напряжение после пика (она же седушка h-сигнала) противоположно напряжению питания, то есть будет считаться со знаком «минус». Но в этот момент ток еще положителен. Что есть интересное наблюдение, как мне кажется. Когда ток снижается до нуля, тогда и снижается обратное напряжение (отрицательное).
Мы сути знаем, что эта иголка исходит из самой катушки, обмотки, поэтому и должны смотреть напряжения и токи на катушке, а не после транзистора как это делают почти все. «То что хочешь изучить там и смотри» как говорится.
Для начала рисунки дал, думаю уже хорошо. Теперь вспомним классическую формулу обратной ЭДС:
E = (L*I)/t
Разъясню, E — та самая обратная эдс (самоиндукция), L — индуктивность, I — ток через катушку, t — длительность тока после выключения ключа (транзистора, тиристора, реле). Формула до безобразия простая, но косячат 99,9% от всего народа. А косячат именно в определении откуда отталкиваться. По осциллограмме видно, точнее по току как изменяется ток — как появился так и исчез. Это свойство такое индуктивности.
Еще один опыт.
Проявление явления самоиндукции

Замыкание цепи
При замыкании в электрической цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое электрическое поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи ( вихревое поле тормозит электроны).
В результате Л1 загорается позже, чем Л2.

Размыкание цепи
При размыкании электрической цепи ток убывает, возникает уменьшение магнитного потока в катушке, возникает вихревое электрическое поле, направленное как ток ( стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.
В результате Л при выключении ярко вспыхивает.
Вывод
В электротехнике явление самоиндукции проявляется при замыкании цепи (электрический ток нарастает постепенно) и при размыкании цепи (электрический ток пропадает постепенно).
Вот так вот. Это дано в старых учебниках по физике. Еще в 2000-х годах, такой опыт проводили в школе… У нас по крайней мере…
Таким образом. Иголка, которую видно именно при нагрузке, подчеркну, именно при нагрузке смотрится иголка, является не обратной ЭДС, а нечто новым в физике. Это новое смешали с паразитом и этот паразит стараются убрать зашунтировав диодом, конденсатором или еще чем. «Нечто» есть радиант, есть то от чего все горит если не правильно использовать, а может и лечить. Радиантный импульс возникает гораздо раньше чем появляется обратная ЭДС. Как только начал течь ток, этот импульс исчезает. Радиантный импульс есть диполь.

Теги: Обратная ЭДС, радиантный импульс

Электродвижущая сила. Внутреннее сопротивление источника тока.

Сторонние силы. Для поддержания постоянной разности потенциалов на концах проводника, а значит, и тока необходимо наличие сторонних сил неэлектрической природы, с помощью которых происходит разделение электрических зарядов.

Сторонними силами называются любые силы, действующие на электрически заряженные частицы в цепи, за исключением электростатических (т. е. кулоновских).

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внут­ри всех источников тока: в генераторах, на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.

При замыкании цепи создается электрическое поле во всех про­водниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны движут­ся от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит а движение электрическое поле (см. рис. выше).

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение разных видов энергии в электричес­кую. По типу преобразованной энергии различают следующие виды электродвижущей силы:

— электростатическая — в электрофорной машине, в которой происходит превращение механической энергии при трении в электрическую;

— термоэлектрическая — в термоэлементе — внутренняя энергия нагретого спая двух проволок, изготовленных из разных металлов, превращается в электрическую;

— фотоэлектрическая — в фотоэлементе. Здесь происходит превращение энергии света в элек­трическую: при освещении некоторых веществ, например, селена, оксида меди (I), кремния наблюдается потеря отрицательного электрического заряда;

— химическая — в гальванических элементах, аккумуляторах и др. источниках, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую.

Электродвижущая сила (ЭДС) — характеристика источников тока. Понятие ЭДС было введено Г. Омом в 1827 г. для цепей постоянного тока. В 1857 г. Кирхгофф определил ЭДС как работу сторонних сил при переносе единичного электрического заряда вдоль замкнутого контура:

ɛ = Aст/q,

где ɛ — ЭДС источника тока, Аст — работа сторонних сил, q — количество перемещенного заряда.

Электродвижущую силу выражают в вольтах.

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке.

Внутреннее сопротивление источника тока .

Пусть имеется простая замкнутая цепь, состоящая из источника тока (например, гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора с сопротивлением R. Ток в замкну­той цепи не прерывается нигде, следовательно, oн существует и внутри источника тока. Любой источник представляет собой некоторое сопротивление дли тока. Оно называется внутренним сопротивлением источника тока и обозначается буквой r.

В генераторе r — это сопротивление обмотки, в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.

Таким образом, источник тока характеризуется величинами ЭДС и внутреннего сопротивлении, которые определяют его качество. Например, электростатические машины имеют очень большую ЭДС (до десятков тысяч вольт), но при этом их внутреннее сопротивление огромно (до со­тни Мом). Поэтому они непригодны для получения сильных токов. У гальванических элементов ЭДС всего лишь приблизительно 1 В, но зато и внутреннее сопротивление мало (приблизительно 1 Ом и меньше). Это позволяет с их помощью получать токи, измеряемые амперами.

В электротехнике, как и в любой другой науке, существуют базовые понятия, без понимания которых не удастся овладеть этой областью знаний. Здесь такими понятиями являются электрическое напряжение, электрический ток и электрическое сопротивление.

Закон Ома

Закон Ома был открыт в результате экспериментов Георга Ома с гальванометром и простой электрической цепью из источника ЭДС и сопротивления. Со временем формула полученная Омом претерпела несколько изменений.

Закон Ома для участка цепи без ЭДС

Может быть сформулирован через сопротивление :

\begin{equation} I = {U_{ab}\over R}; \end{equation}

Где:

  • I — ток через участок ab электрической цепи;
  • Uab — напряжение на участке ab электрической цепи;
  • R — сопротивление участка ab электрической цепи.

Или через проводимость:

\begin{equation} I = U_{ab} × G; \end{equation}

Где:

  • G — проводимость участка ab электрической цепи.

Формула (1, 2) справедлива для электрической цепи представленной ниже на рисунке 1.

Рисунок 1 — Участок цепи без ЭДС

Закон Ома для участка цепи содержащего ЭДС

Или обобщённый закон Ома. Формулируется следующим образом :

\begin{equation} I = {U_{ab} + E\over R}; \end{equation}

Где:

  • I — ток через участок ac электрической цепи;
  • Uab — напряжение на участке ab электрической цепи;
  • E — ЭДС на участке bс электрической цепи;
  • R — сопротивление участка ab электрической цепи.

Или через проводимость:

\begin{equation} I = {(U_{ab} + E) × G}; \end{equation}

Где:

  • G — проводимость участка ab электрической цепи.

Формула (3, 4) справедлива для электрической цепи представленной ниже на рисунке 2.

Рисунок 2 — Участок цепи содержащий ЭДС

Закон Ома для полной цепи

Закон формулируется следующим образом :

\begin{equation} I = {E\over {R + r}}; \end{equation}

Где:

  • I — ток в электрической цепи;
  • E — ЭДС электрической цепи;
  • R — сопротивление электрической цепи;
  • r — внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Формулировка выражения (5) через проводимость неудобна и здесь приведена не будет. Ниже на рисунке 3 изображена схема электрической цепи для которой справедливо выражение (5).

Рисунок 3 — Полная цепь

На схеме видно, что R и r соединены последовательно, а в формуле это отражено как сумма R (сопротивления цепи) и r (внутреннего сопротивления источника ЭДС). Заменим выражение R + r на Rп

\begin{equation} I = {E\over R_п}; \end{equation}

Где:

  • Rп — полное сопротивление электрической цепи (включая сопротивление источника ЭДС).

Закон Ома в дифференциальной форме

Закон Ома в дифференциальной форме, представленный в выражении (7), справедлив для неоднородного, но изотропного вещества .

\begin{equation} \vec E = {ρ × \vec\jmath}; \end{equation}

Где:

  • \(\vec\jmath\) — плотность тока;
  • ρ — удельное сопротивление;
  • \(\vec E\) — напряжённость электрического поля.

Примеры применения

Ниже приведены несколько примеров для демонстрации применения разных формулировок закона Ома.

Пример 1

Схема задания приведена на рисунке 4. На схеме R = 5,2 Ом, U = 26 В. Определить I.

Рисунок 4 — Схема к 1 и 2-му примеру

Для решения задания воспользуемся выражением (1):

\begin{equation} I = {U\over R} = {26\over 5,2} = {5 \ А;} \end{equation}

Пример 2

Схема задания приведена на рисунке 4. К данному участку цепи приложено напряжение 24 В и по нему протекает ток 1,5 А. Определить проводимость участка цепи.

Для решения задания преобразуем выражение (2) относительно G:

\begin{equation} I = {U × G} \ \Rightarrow \ G = {I\over U} = {1,5\over 24} = {0,0625 \ См;} \end{equation}

Пример 3

Схема задания приведена на рисунке 5. На схеме U = 220 В, I = 0,5 А, R = 140 Ом. Определить E.

Рисунок 5 — Схема к 3-му примеру

Для решения задания преобразуем выражение (3) относительно E:

\begin{equation} I = {U — E\over R} \ \Rightarrow \ {I × R} = {U — E} \ \Rightarrow \ E = {U — I × R}; \end{equation}

Подставим в выражение (10) известные величины:

\begin{equation} E = {U — I × R} = {220 — 0,5 × 140} = {150 \ В;} \end{equation}

Пример 4

Сопротивление электрической цепи, приведенной на рисунке 3 составляет 12 Ом, напряжение источника ЭДС включенного в цепь — 9 В. Измерения показали, что по цепи протекает ток 0,72 А. Необходимо определить внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Преобразуем выражение (5) относительно r:

\begin{equation} I = {E\over {R + r}} \ \Rightarrow \ {I × (R + r)} = E \ \Rightarrow \ {I × r} = {E — I × R} \ \Rightarrow \ r = {E — I × R\over I}; \end{equation}

Определим внутренней сопротивление источника ЭДС, подставив в выражение (10) известные величины:

\begin{equation} r = {E — I × R\over I} = {9 — 0,72 × 12\over 0,72} = {0,36\over 0,72} = {0,5 \ Ом;} \end{equation}

Использованные термины

Электрический потенциал точки:

Физическая величина, равная потенциальной энергии, которой обладает элементарный положительный заряд, помещенный в электрическое поле.

Потенциал обозначается буквой φ греческого алфавита и измеряется в вольтах (В). Он не имеет направления и записывается как скаляр.

Электрическое напряжение:

Физическая величина, равная количеству энергии, затраченной на перенос единичного заряда из точки А в точку Б электромагнитного поля, определяемая как разность потенциалов этих точек: Uab = φa — φb.

Напряжение обозначается буквой U (u) латинского алфавита и измеряется в вольтах (В). Напряжение — скалярная величина, но на электрических схемах указывают его положительное направление.

Электродвижущая сила (ЭДС):

Также как и напряжение это физическая величина, равная количеству энергии, затраченной на перенос единичного заряда из одной точки электромагнитного поля в другую.

ЭДС обозначается буквой E (e) латинского алфавита и измеряется в вольтах (В). ЭДС — скалярная величина, но на электрических схемах указывают её положительное направление. Она численно равна напряжению на зажимах не подключенного источника.

Электрическое ток:

Физическая величина, равная количеству заряженных частиц прошедших через поперечное сечение проводника за единицу времени. Как явление — направленное движение заряженных частиц.

Напряжение обозначается буквой I (i) латинского алфавита и измеряется в амперах (А). Ток, так же как и напряжение, величина скалярная, и на электрических схемах тоже указывают его положительное направление .

Плотность тока:

Физическая величина, имеющая смысл силы электрического тока, протекающего через элемент поверхности единичной площади.

Плотность тока обозначается буквой \(\vec\jmath\) латинского алфавита и измеряется в амперах на метр квадратный (А/м2). Плотность тока — векторная величина .

Электрическое сопротивление:

Физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению по нему тока.

Сопротивление обозначается буквами R (r), X (x) или Z (z) латинского алфавита (последние два обозначения применяются для реактивного и комплексного сопротивления соответственно) и измеряется в омах (Ом). Как и предыдущие, сопротивление — скалярная величина.

Электрическая проводимость:

Физическая величина, характеризующая насколько хорошо проводник проводит электрический ток, является обратной сопротивлению: G = 1/R.

Проводимость обозначается буквами G (g) латинского алфавита и измеряется в сименсах (См). Так же как и сопротивление проводимость — скалярная величина.

Удельное сопротивление:

Физическая величина, численно равная сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2.

Удельная проводимость обозначается буквами ρ греческого алфавита и измеряется в омах на метр (Ом×м). Является скалярной величиной. .

В дальнейшем при использовании вышеперечисленных терминов слово «электрический» будет упускаться.

Список использованных источников

  1. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники: учебник / Л.А. Бессонов — Москва: Высшая школа, 1996. — 623 с.
  2. Иванова, С.Г. Теоретические основы электротехники: Версия 1.0 : учеб. пособие / С. Г. Иванова, В. В. Новиков – Красноярск: ИПК СФУ, 2008. — 318 с.
  3. Википедия — Удельное электрическое сопротивление — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Удельное_электрическое_сопротивление
  4. Википедия — Плотность тока — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Плотность_тока

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *