برای مدار الکتریکیمعمولی ترین حالت ها بار، بیکار و مدار کوتاه.
حالت بارگذاری. بیایید عملکرد یک مدار الکتریکی را هنگام اتصال به یک منبع هر گیرنده ای با مقاومت R (مقاومت، لامپ برقیو غیره.).
بر اساس e. d.s. منبع برابر است با مجموع ولتاژهای IR در بخش خارجی مدار و IR0 در:
با توجه به اینکه ولتاژ U و در پایانه های منبع برابر با افت ولتاژ IR در مدار خارجی است، به دست می آوریم:
این فرمول این را نشان می دهد ه. d.s. منبع بزرگتر از ولتاژ در پایانه های خود با مقدار افت ولتاژ داخل منبع است. افت ولتاژ IR0 در داخل منبع به جریان در مدار I (جریان بار) بستگی دارد که با مقاومت R گیرنده تعیین می شود. هرچه جریان بار بیشتر باشد، ولتاژ در پایانه های منبع کمتر است:
افت ولتاژ در منبع به مقاومت داخلی R0 نیز بستگی دارد. وابستگی Ui ولتاژ به جریان I با یک خط مستقیم نشان داده شده است (شکل 1). این وابستگی را ویژگی خارجی منبع می نامند.
مثال 1. ولتاژ را در پایانه های ژنراتور در جریان بار 1200 A تعیین کنید، اگر e. d.s. برابر با 640 ولت و مقاومت داخلی 0.1 اهم است.
راه حل. افت ولتاژ در مقاومت داخلی ژنراتور
ولتاژ ترمینال ژنراتور
از بین تمام شرایط بار ممکن، مهم ترین شرایط بار اسمی است. اسمی حالت عملیاتی است که توسط سازنده برای یک دستگاه الکتریکی معین مطابق با الزامات آن تعیین شده است. الزامات فنی. با ولتاژ نامی، جریان (نقطه H در شکل 1) و توان مشخص می شود. این مقادیر معمولا در گذرنامه این دستگاه نشان داده شده است.
از جانب ولتاژ محاسبه شدهکیفیت عایق الکتریکی تاسیسات الکتریکی به جریان نامی بستگی دارد که سطح مقطع هادی ها، مقاومت حرارتی عایق مورد استفاده و شدت خنک کننده نصب را تعیین می کند. تجاوز از جریان نامی برای مدت طولانی می تواند منجر به خرابی نصب شود.
برنج. 1. ویژگی های خارجیمنبع
حالت آماده به کار. در این حالت مدار الکتریکی متصل به منبع باز است یعنی جریانی در مدار وجود ندارد. در این حالت افت ولتاژ داخلی IR0 صفر خواهد بود
بدین ترتیب، در حالت بیکار، ولتاژ در پایانه های منبع انرژی الکتریکی برابر با e آن است. d.s.(نقطه X در شکل 1). از این شرایط می توان برای اندازه گیری e استفاده کرد. d.s. منابع برق
حالت اتصال کوتاه. آنها این حالت کار منبع را زمانی می نامند که پایانه های آن توسط هادی بسته شود که مقاومت آن را می توان برابر با صفر در نظر گرفت. تقریباً اتصال کوتاه زمانی اتفاق می افتد که سیم های متصل کننده منبع به گیرنده به یکدیگر متصل می شوند، زیرا این سیم ها معمولاً مقاومت ناچیزی دارند و می توان آن را برابر با صفر در نظر گرفت.
در نتیجه ممکن است یک اتصال کوتاه رخ دهد اقدامات اشتباهپرسنل در حال تعمیر تاسیسات برقی یا اگر عایق سیم آسیب دیده باشد. که در مورد دوماین سیم ها را می توان از طریق زمین که دارای مقاومت بسیار کم است و یا از طریق قطعات فلزی اطراف (جنگ ماشین ها و دستگاه های الکتریکی، عناصر بدنه لوکوموتیو و غیره) متصل کرد.
در جریان اتصال کوتاه
با توجه به اینکه مقاومت داخلی منبع R0 معمولاً بسیار کم است، جریان عبوری از آن تا حد زیادی افزایش می یابد. ارزش های بزرگ. ولتاژ در نقطه اتصال کوتاه برابر با صفر می شود (نقطه K در شکل 1)، یعنی هیچ انرژی الکتریکی به قسمتی از مدار الکتریکی واقع در پشت اتصال کوتاه جریان نمی یابد.
مثال 2. جریان اتصال کوتاه ژنراتور را در صورتی که e. d.s. برابر با 640 ولت و مقاومت داخلی 0.1 اهم.
راه حل.
طبق فرمول
اتصال کوتاه است حالت اضطراری، از آنجا که در نتیجه جریان بالامی تواند هم خود منبع و هم دستگاه ها، دستگاه ها و سیم های موجود در مدار را غیرقابل استفاده کند. فقط برای برخی از ژنراتورهای خاص، مانند ژنراتورهای جوشکاری، اتصال کوتاه خطرناک نیست و یک حالت عملیاتی است.
در یک مدار الکتریکی، جریان همیشه از نقاطی در مدار که پتانسیل بالاتری دارند به نقاطی که پتانسیل کمتری دارند، می گذرد. اگر هر نقطه از مدار به زمین متصل شود، پتانسیل آن صفر در نظر گرفته می شود. در این حالت پتانسیل تمام نقاط دیگر مدار برابر با ولتاژهای بین این نقاط و زمین خواهد بود.
با نزدیک شدن به یک نقطه زمین، پتانسیل نقاط مختلف مدار، یعنی ولتاژهای بین این نقاط و زمین کاهش می یابد. به همین دلیل، سعی می شود سیم پیچ های تحریک موتورهای کششی و ماشین های کمکی، که در آن ها اضافه ولتاژهای زیادی در طول تغییرات ناگهانی جریان رخ دهد، در مدار قدرت نزدیک به "زمین" (پشت سیم پیچ آرمیچر) قرار گیرند.
در این صورت، عایق این سیم‌پیچ‌ها نسبت به زمانی که نزدیک‌تر روشن می‌شوند، در معرض ولتاژ کمتری قرار می‌گیرند. شبکه تماسروی لوکوموتیوهای برقی جریان مستقیمیا به قطب غیر زمینی نصب یکسو کننده روی لوکوموتیوهای الکتریکی جریان متناوب(یعنی در پتانسیل بالاتری خواهد بود). به همین ترتیب، نقاطی در مدار الکتریکی که دارای پتانسیل بالاتری هستند، برای تماس افراد با قسمت های برق دار تاسیسات الکتریکی خطرناک تر است. در عین حال، تحت ولتاژ بالاتری نسبت به زمین قرار می گیرد.
لازم به ذکر است که هنگامی که یک نقطه از یک مدار الکتریکی به زمین متصل می شود، توزیع جریان در آن تغییر نمی کند، زیرا در این حالت هیچ انشعاب جدیدی تشکیل نمی شود که جریان از طریق آن جریان یابد. اگر دو (یا چند) نقطه از یک مدار را که دارای پتانسیل های متفاوتی هستند زمین کنید، یک شاخه (یا شاخه) حامل جریان اضافی از طریق زمین تشکیل می شود و توزیع جریان در مدار تغییر می کند.
در نتیجه، نقض یا خرابی عایق تاسیسات الکتریکی که یکی از نقاط آن به زمین متصل است، مداری را ایجاد می کند که از آن جریان عبور می کند که در واقع یک جریان اتصال کوتاه است. همین اتفاق در یک بی پایه هم می افتد نصب برقهنگامی که دو نقطه آن به زمین کوتاه می شود. هنگامی که یک مدار الکتریکی قطع می شود، تمام نقاط آن تا نقطه شکست تحت یک پتانسیل قرار می گیرند.
ولتاژ در پایانه های منبع انرژی الکتریکی برابر با اختلاف پتانسیلی است که EMF ایجاد می کند و بارهای داخل منبع را از هم جدا می کند.
از قانون اهم برای زنجیره کاملبه شرح زیر است:
که در = E/(R 1 +رو ) یا E= I n R 1 +I n Ro )
جایی که I n R 1 =U ولتاژ منبع اعمال شده به قسمت خارجی مدار، بنابراین،
E= U + I n Ro (2. 24)
از عبارت (2.24) چنین می شود:
U = E - I n Ro (2. 25)
از آنجایی که emf منبع انرژی الکتریکی ثابت است ( E = const ) و مقاومت داخلی آن نیز ثابت است. ( Ro = const )، سپس، همانطور که از عبارت مشاهده می شود، بین ولتاژ U و شوک الکتریکی که در وجود دارد وابستگی خطی. این به این معنی است که نمودار وابستگی ولتاژ U از جاری که در با یک خط مستقیم نشان داده شده است.
برای ساختن این نمودار، باید هر دو نقطه از آن را تعیین کرد، زیرا از دو نقطه همیشه می توان یک خط مستقیم ساخت.
خط که در در این موردبرای تعیین این دو نقطه در نمودار استفاده خواهیم کرد
حالت های بیکار و اتصال کوتاه
آ. در حالت بیکار:
که در kz = 0، بنابراین، از عبارت (2.25) به دست می آوریم:
Uxx = E - Ixx Ro E -0 Ro = E یعنی Uxx = E
Ø نتیجه گیری: ولتاژ در پایانه های منبع انرژی الکتریکی در حالت بیکار برابر با نیروی الکتروموتور این منبع است.
ب- در صورت اتصال کوتاه:
I n kz = E/(R 1 kz + Ro)،زیرا R 1 short=0،
Ø نتیجه گیری: مقاومت بخش خارجی مدار در هنگام اتصال کوتاه صفر استR 1 مدار کوتاه =0
I n c = E/(0+ Ro)، I n c = E/ Ro) = حداکثر
Ø نتیجه گیری: جریان مدار در هنگام اتصال کوتاه در مدار صفر استI n kz = حداکثر.
از عبارت (2.25) ولتاژ منبع را محاسبه می کنیم:
Ucz = E - I ncz Ro=E- (E/Ro) Ro = E- E= 0
Ø نتیجه گیری: ولتاژ در پایانه های منبع انرژی الکتریکی در هنگام اتصال کوتاه در مدار صفر است. Ukz=0
U.B.
E=Uхх
E
I H R 0(افت ولتاژ در داخل
بخش زنجیره)
I H R 1(یک سقوط
ولتاژ خارجی
بخش زنجیره)
0 آیا من N، A
شکل 2.9.
در شکل 2.9. نمودار وابستگی را نشان می دهد U=f(I n).
گوشه β درجه تمایل خط مستقیم (گرافیک) به محور آبسیسا را مشخص می کند (که در)، یعنی سرعت افت ولتاژ را با افزایش جریان بار مشخص می کند.
اندازه زاویه β را می توان از مثلث تعیین کرد
0 Uхх I n.c.در امتداد مماس آن
tg β = Uхх/ I n кз = E/(E/ Ro)Ro= Ro
tg β- مقاومت داخلی منبع انرژی الکتریکی را مشخص می کند.
Ø نتیجه:بیشتر tg β،هرچه مقاومت داخلی منبع بیشتر باشد زاویه آن بیشتر می شود β و بنابراین ولتاژ سریعتر کاهش می یابد Uدر پایانه های منبع انرژی الکتریکی هنگامی که جریان بار افزایش می یابد که در
Ø نتیجه:هر چه مقاومت داخلی کمتر باشد رومنبع انرژی الکتریکی، ولتاژ کمتری در پایانه های منبع به مقدار جریانی که از مدار می گذرد، بستگی دارد، یعنی. جریان بار که در.
2. 9، 2. توان کل منبع انرژی الکتریکی.
Ø توان کل یک منبع انرژی الکتریکی، توانی است که در کل مدار، یعنی در مدارهای داخلی و خارجی ایجاد می کند.
اجازه دهید وابستگی کل توان تولید شده توسط یک منبع انرژی الکتریکی را به جریان بار در نظر بگیریم R p = f (I n)
کل توان تولید شده توسط منبع انرژی الکتریکی در مدار با فرمول زیر تعیین می شود:
R p = E I n (2. 26)
R p- توان کل، W
E- نیروی الکتروموتور، V
که در- جریان بار، A
فرض می کنیم که emf منبع انرژی الکتریکی ثابت است ( E = const) در قدر، یعنی بین قدرت کامل R p و جریان بار که در یک رابطه متناسب مستقیم (خطی) وجود دارد. بنابراین، برای ترسیم وابستگی
قدرت کامل R p از جریان بار که در تعیین دو نقطه در نمودار ضروری است.
برای این منظور مجددا از حالت بیکار و اتصال کوتاه منبع انرژی الکتریکی استفاده خواهیم کرد.
الف. در حالت بیکار:
من n xx = 0، یعنی P p xx = EI n xx = E 0 = 0 R p xx = 0 (2. 27)
· نتیجه گیری: توان کل منبع انرژی الکتریکی در حالت بیکار صفر است.R p xx = 0
ب . در صورت اتصال کوتاه:
I n kz = E/ Ro = حداکثر، یعنی. R p kz= E I n kz= E* E/ Ro= E 2 /Ro
R p kz = E 2 / Ro = حداکثر(2.28)
· نتیجه گیری: در طول یک اتصال کوتاه، کل توان تولید شده توسط منبع انرژی الکتریکی حداکثر استR p kz = حداکثر.
2.9.3. توان خالص منبع انرژی الکتریکی
Ø توان مفید یک منبع انرژی الکتریکی، توان تولید شده توسط آن در بخش خارجی مدار (در مقاومت خارجی) است R 1).
قدرت مفید منبع انرژی الکتریکی با فرمول تعیین می شود:
P = U I n (2. 29)
آر- قدرت مفید، W;
U- ولتاژ در پایانه های منبع انرژی الکتریکی، V
که در- جریان بار، A.
همانطور که مشخص است، U = E - IR o .
بیایید هر دو طرف معادله را در مقدار جریانی که از مدار می گذرد ضرب کنیم، به دست می آید
UI n = I n (E - I n Ro) = EI n - I n R o (2.30)
EI n -توان کل، W;
UI n -توان مفید، W;
من n R o- از دست دادن قدرت، صرف بیهوده در منبع.
Ø نتیجه گیری: قدرت مفید آربرابر با اختلاف بین توان کل است R p = EI و تلفات توان داخل منبع انرژی الکتریکی R o = من n 2 R o.
از فرمول (2.30) مشخص می شود که وابستگی توان مفید به جریان بار پیچیده است و به صورت گرافیکی با منحنی به نام سهمی بیان می شود.
برای ترسیم وابستگی Р= f (I n) بیایید سه نقطه مشخصه از این منحنی را تعریف کنیم که مربوط به حالت بیکار، اتصال کوتاه و حداکثر توان خالص است.
الف) در حالت بیکار:
1xx = 0; Pxx = E Ixx - I 2 xx Ro = E 0 - 0 Ro، یعنی Pxx = O
Ø نتیجه گیری: توان خالص در حالت بیکار صفر است Rxx = O
ب) در صورت اتصال کوتاه: I n kz = حداکثر
I n kz = E/ Ro = حداکثر،
آن ها Rkz= E I n kz- I n kz Ro= E* E/ Ro- E 2/Ro = 0
Rkz = 0
Ø نتیجه گیری: توان مفید در طول اتصال کوتاه صفر استRkz = 0
اندازه گیری ها نشان می دهد که ولتاژ در پایانه های یک منبع جریان بسته به یک مدار خارجی به قدرت جریان انتخاب شده (از "بار") بستگی دارد و با تغییرات در دومی تغییر می کند. با استفاده از قانون اهم اکنون می توانیم این موضوع را با دقت بیشتری بررسی کنیم.
از فرمول (80.1) داریم
که در آن مقاومت مدار خارجی و مقاومت داخلی منبع است. اما برای مدار خارجی ما حق داریم قانون اهم را برای بخشی از مدار اعمال کنیم:
در اینجا ولتاژ در مدار خارجی است، یعنی اختلاف پتانسیل در پایانه های منبع. می توان آن را بر اساس (81.1)، (81.2) با فرمول زیر بیان کرد:
ما می بینیم که وقتی مدار بستهولتاژ در پایانه های منبع جریان همیشه کمتر از e است. d.s. . ولتاژ به قدرت جریان بستگی دارد و فقط در حالت محدود کننده یک مدار باز، زمانی که قدرت جریان برابر است، ولتاژ در پایانه ها برابر با e است. d.s.
کاهش ولتاژ در پایانه های منبع در حضور جریان به راحتی قابل مشاهده است. برای انجام این کار، باید مقداری عنصر گالوانیکی را به یک رئوستات متصل کنید و یک ولت متر را به پایانه های المنت وصل کنید (شکل 127). با حرکت دادن نوار لغزنده رئوستات، می بینید که هر چه مقاومت مدار خارجی کمتر باشد، یعنی هر چه جریان بیشتر باشد، ولتاژ در پایانه های منبع کمتر است. اگر مقاومت مدار خارجی در مقایسه با مقاومت داخلیمنبع («رئوستات» را حذف کنید)، یعنی یک «اتصال کوتاه» ایجاد کنید، سپس ولتاژ در پایانه ها صفر می شود.
برنج. 127. با کاهش مقاومت مدار خارجی، ولتاژ در پایانه های منبع جریان کاهش می یابد: الف) مدار تجربی. ب) فرم کلیراه اندازی آزمایشی، 1 - منبع جریان، 2 - رئوستات، 3 - آمپرمتر، 4 - ولت متر
در مورد جریان، در طول یک اتصال کوتاه به حداکثر مقدار خود می رسد. قدرت این "جریان اتصال کوتاه" از قانون اهم (80.1) بدست می آید، اگر در آن قرار دهیم (به عنوان مثال، مقاومت را در مقایسه با):
از اینجا می توان دریافت که جریان اتصال کوتاه نه تنها به e بستگی دارد. d.s.، بلکه از مقاومت داخلی منبع. بنابراین، اتصال کوتاه خطرات مختلفی را برای شما به همراه دارد منابع مختلفجاری
اتصال کوتاه یک سلول گالوانیکی نسبتاً بی ضرر است، زیرا با یک به عنوان مثال کوچک. d.s. عناصر، مقاومت داخلی آنها زیاد است و بنابراین جریان های اتصال کوتاه کم هستند. چنین جریان هایی نمی توانند آسیب جدی وارد کنند، و بنابراین برای عایق بندی سیم ها برای اهدافی که توسط عناصر (زنگ ها، تلفن ها و غیره) تغذیه می شوند، الزامات بالایی وجود ندارد. مدارهای برق یا روشنایی که توسط ژنراتورهای قدرتمند تغذیه می شوند، موضوع متفاوتی هستند. با e قابل توجه. d.s. (100 ولت یا بیشتر)، مقاومت داخلی این منابع ناچیز است و بنابراین جریان اتصال کوتاه می تواند به قدرت بسیار زیادی برسد. در این صورت، اتصال کوتاه می تواند منجر به ذوب شدن سیم ها، ایجاد آتش سوزی و غیره شود. بنابراین، الزامات فنی سختگیرانه ای برای طراحی و عایق بندی این گونه مدارها اعمال می شود که به هیچ وجه نباید بدون خطر ایجاد خطر، آنها را نقض کرد. عواقب. چنین مدارهایی همیشه مجهز به فیوزها (§ 63) و علاوه بر این، اغلب در مکان های مختلف هستند: فیوز عمومی (در ورودی اصلی)، فیوزهای گروه و فیوز.
81.1. مقاومت داخلی عنصر دانیل با e. d.s. 1.1 ولت برابر با 0.5 اهم است. جریان اتصال کوتاه این عنصر را محاسبه کنید.
81.2. عنصر مشکل قبلی به مقاومت 0.6 اهم کوتاه شده است. ولتاژ در پایانه های المنت چقدر است؟
81.3. E.m.f. ژنراتور DC 220 ولت و مقاومت داخلی 0.02 اهم است. در طول اتصال کوتاه چه جریانی ایجاد می شود؟
81.4. هنگام اندازه گیری e. d.s. منابعی که از یک ولت متر استفاده می کنند، ما همیشه خطا را مجاز می کنیم، زیرا مقداری، هرچند بسیار کم، جریان از طریق ولت متر می گذرد، و بنابراین منبع، به طور دقیق، باز نیست، اما برای ولت متر بسته است. بگذارید مقاومت داخلی عنصر 1 اهم باشد، آن e. d.s. 1.8 ولت است و مقاومت ولت متر 179 اهم است. خطا در اندازه گیری e چیست. d.s. اجازه می دهیم؟
81.5. آیا امکان اندازه گیری دقیق e. d.s. با استفاده از الکترومتر؟ نحوه اتصال الکترومتر به المنت برای اندازه گیری e آن. d.s.
81.6. اگر یک خازن موازی با آن متصل شود، همانطور که در شکل نشان داده شده است، قرائت الکترومتر متصل به سلول گالوانیکی تغییر می کند. 128؟ آیا ظرفیت خازن مهم است؟
برنج. 128. برای تمرین 81.6
81.7. E.m.f. یک عنصر خاص با استفاده از یک الکترومتر با یک خازن اندازه گیری می شود (شکل 129، a). الکترومتر، جدا شده از عنصر، 500 ولت را پس از برداشتن دیسک نشان می دهد (شکل 129، ب). مشخص است که با برداشتن دیسک، ظرفیت خازن 250 برابر کاهش می یابد. ولتاژ المنت چقدر است؟
برنج. 129. برای تمرین 81.7
بیایید یک مدار الکتریکی جمع آوری کنیم (شکل 22، a)، متشکل از باتری 1 با ولتاژ 2 که در، رئوستات اهرمی 2، دو ابزار اندازه گیری- ولت متر 3 و آمپرمتر 4 و سیم های اتصال 5. با استفاده از رئوستات مقاومت 2 اهم را در مدار تنظیم کنید. سپس یک ولت متر متصل به پایانه های باتری ولتاژ 2 ولت و آمپرمتر متصل به مدار به مدار جریان 1 آمپر را نشان می دهد. بیایید با اتصال یک باتری دیگر، ولتاژ را به 4 ولت افزایش دهیم (شکل 22، 6). با همان مقاومت در مدار - 2 اهم - آمپرمتر جریان 2 A را نشان می دهد.
باتری با ولتاژ 6 ولت آمپرمتر را به 3 A تغییر می دهد (شکل 22، ج). بیایید مشاهدات خود را در جدول خلاصه کنیم. 4.
از این می توان نتیجه گرفت که جریان در مدار در مقاومت ثابتهر چه ولتاژ این مدار بیشتر باشد و با افزایش ولتاژ، جریان به چند برابر افزایش می یابد.
حال در همان مدار یک باتری با ولتاژ قرار می دهیم و با استفاده از رئوستات، مقاومت مدار را روی 1 اهم قرار می دهیم (شکل 23، a). سپس آمپرمتر 6 A را نشان می دهد. آن را با رئوستات افزایش دهید
مقاومت تا 2 اهم (شکل 23، ب). قرائت آمپرمتر (در همان ولتاژ مدار) قبلاً 3 A خواهد بود.
اگر مقاومت در مدار 3 اهم باشد (شکل 23، ج)، قرائت آمپرمتر 2 A خواهد بود.
ما نتایج آزمایش را در جدول خلاصه می کنیم. 5.
از این نتیجه می شود که در یک ولتاژ ثابت جریان در مدار بیشتر خواهد بود ، هر چه مقاومت این مدار کمتر باشد و جریان در مدار به همان اندازه که مقاومت مدار کاهش می یابد افزایش می یابد.
همانطور که آزمایشات نشان می دهد، جریان در یک بخش از مدار با ولتاژ آن بخش نسبت مستقیم و با مقاومت همان بخش نسبت معکوس دارد.. این رابطه به قانون اهم معروف است.
اگر نشان دهیم: I - جریان بر حسب آمپر، U - ولتاژ بر حسب ولت، r - مقاومت بر حسب اهم، قانون اهم را می توان با فرمول نشان داد.
یعنی جریان در یک بخش معین از مدار برابر است با ولتاژ این بخش تقسیم بر مقاومت همان بخش.
مثال 10.در صورتی که فیلامنت دارای مقاومت ثابت 240 اهم باشد و لامپ به شبکه ای با ولتاژ 120 ولت متصل باشد، جریانی را که از فیلامنت یک لامپ رشته ای عبور می کند، تعیین کنید:
با استفاده از فرمول قانون اهم می توانید ولتاژ و مقاومت مدار را نیز تعیین کنید:
یعنی ولتاژ مدار برابر با حاصل ضرب جریان و مقاومت این مدار است و
یعنی مقاومت مدار برابر ولتاژ تقسیم بر جریان است. حاصل ضرب جریان I که از هر مقاومتی عبور می کند و مقدار این مقاومت r افت ولتاژ در این مقاومت نامیده می شود و با حرف U نشان داده می شود:
مثال 11.برای عبور جریان 20 آمپر در مداری با مقاومت 6 اهم چه ولتاژی لازم است؟
مثال 12.جریان 5 آمپر از مارپیچ اجاق برقی عبور می کند.اجاق گاز به شبکه ای با ولتاژ 220 ولت متصل است.مقاومت مارپیچ اجاق گاز را تعیین کنید:
اگر در فرمول U = I r جریان 1 A و مقاومت 1 اهم باشد، ولتاژ 1 ولت خواهد بود:
از این نتیجه می گیریم: ولتاژ 1 ولت در مداری با مقاومت 1 اهم در جریان 1 آمپر عمل می کند.
در شکل شکل 24 یک مدار الکتریکی متشکل از یک منبع انرژی الکتریکی، یک مصرف کننده دارای مقاومت r و سیم های اتصال طولانی که دارای مقاومت r l (مقاومت خط) هستند را نشان می دهد. هنگامی که مدار کار می کند، یعنی زمانی که جریان الکتریکی از مدار عبور می کند، قرائت ولت متر متصل در ابتدای خط U 1 بیشتر از قرائت ولت متر متصل در انتهای خط U 2 خواهد بود.
این کاهش ولتاژ در طول مدار با دور شدن از منبع به دلیل از دست دادن ولتاژ در سیم‌ها ΔU ایجاد می‌شود:
از دست دادن ولتاژ خط به این دلیل رخ می دهد که بخشی از ولتاژ در سیم های خط از بین می رود. در این صورت تلفات ولتاژ بیشتر خواهد بود، جریان خط بیشتر و مقاومت سیم ها بیشتر می شود.
افت ولتاژ برابر است با جریان عبوری از سیم های خط ضرب در مقاومت سیم ها:
I 1 - جریان خط، a;
ρ - مقاومتسیم های خط؛
ل- طول خط (یک طرفه)، متر؛
S - مقطع سیم، mm2.
مثال 13.از ژنراتور که ولتاژ پایانه های آن 115 ولت است، برق از طریق سیم هایی که مقاومت آنها 0.1 اهم است به موتور الکتریکی منتقل می شود. در صورت مصرف جریان 50 آمپر، ولتاژ پایانه های موتور را تعیین کنید.
بدیهی است که ولتاژ در پایانه های موتور کمتر از ترمینال های ژنراتور خواهد بود، زیرا افت ولتاژ در خط وجود خواهد داشت. طبق فرمول
اگر افت ولتاژ در خط 5 ولت باشد، ولتاژ موتور الکتریکی 115-5 = 110 ولت خواهد بود.
مثال 14.ولتاژ در ترمینال های ژنراتور 240 ولت است. الکتریسیته از طریق یک خط دو سیم مسی به طول 350 متر با سطح مقطع 10 میلی متر مربع به یک موتور الکتریکی که جریان 15 آمپر مصرف می کند منتقل می شود. ولتاژ در پایانه های موتور
ولتاژ در پایانه های موتور کمتر از ولتاژ ژنراتور به میزان افت ولتاژ در خط خواهد بود.
از آنجایی که مقاومت r سیم ها ناشناخته است، آن را با استفاده از فرمول تعیین می کنیم
با جایگزینی r به فرمول، دریافت می کنیم
بنابراین، ولتاژ در پایانه های موتور 240-18.3 = 221.7 ولت خواهد بود.
مثال 15.سطح مقطع سیم های آلومینیومی که باید برای انتقال استفاده شود را تعیین کنید انرژی الکتریکیموتور با ولتاژ 120 ولت و جریان 20 آمپر کار می کند. انرژی موتور از یک ژنراتور 127 ولت در امتداد خطی به طول 150 متر تامین می شود.
ما تلفات ولتاژ مجاز را پیدا می کنیم:
مقاومت سیم های خط باید برابر باشد:
از فرمول
تعیین سطح مقطع سیم:
با استفاده از کتاب مرجع، مقطع موجود 25 میلی متر مربع را انتخاب کنید.
اگر همین خط رعایت شود سیم مسی، سپس سطح مقطع آن برابر با:
ما یک بخش 16 میلی متر 2 را انتخاب می کنیم.
مثال 16. برای سوزاندن پایدار قوس الکتریکی، جریان 10 آمپر در ولتاژ 40 ولت مورد نیاز است. مقدار مقاومت اضافی را که باید به صورت سری به نصب قوس متصل شود، تعیین کنید تا از شبکه ای با ولتاژ تغذیه شود. 120 ولت.
افت ولتاژ در مقاومت اضافی خواهد بود
با دانستن افت ولتاژ در مقاومت اضافی و جریان عبوری از آن، می توانید از قانون اهم برای بخشی از مدار برای تعیین مقدار این مقاومت استفاده کنید:
هنگام در نظر گرفتن یک مدار الکتریکی، ما هنوز در نظر نگرفته ایم که مسیر جریان نه تنها در امتداد قسمت خارجی مدار، بلکه در امتداد قسمت داخلی مدار نیز می گذرد، یعنی داخل خود عنصر، باتری یا سایر انرژی ها. منبع
جریان الکتریکی که از داخل مدار عبور می کند بر مقاومت داخلی آن غلبه می کند و بنابراین افت ولتاژ نیز در داخل منبع رخ می دهد.
در نتیجه، نیروی الکتروموتور (emf) منبع انرژی الکتریکی برای پوشش تلفات ولتاژ داخلی و خارجی در مدار می رود.
اگر E نیروی محرکه الکتریکی بر حسب ولت باشد، I جریان بر حسب آمپر، r مقاومت مدار خارجی بر حسب اهم، r 0 مقاومت قسمت داخلی مدار بر حسب اهم، ∆U 0 افت ولتاژ داخلی است. و U ولتاژ مدار خارجی است، پس
این فرمول قانون اهم برای کل مدار است. در لغت، اینگونه خوانده می شود: جریان در یک مدار الکتریکی برابر است با نیروی محرکه الکتریکی تقسیم بر مقاومت کل مدار (مجموع مقاومت های داخلی و خارجی).
مثال 17.نیروی الکتروموتور E عنصر 1.5 ولت است، مقاومت داخلی آن r 0 = 0.3 اهم است. عنصر با مقاومت r=2.7 اهم بسته است. تعیین جریان در مدار:
مثال 18. e را تعیین کنید. d.s. عنصر E، بسته به مقاومت r = 2 اهم، اگر جریان در مدار I = 0.6 a باشد. مقاومت داخلی عنصر r 0 = 0.5 اهم.
یک ولت متر متصل به پایانه های المنت، ولتاژ روی آنها را برابر با ولتاژ اصلی یا افت ولتاژ در مدار خارجی نشان می دهد:
بنابراین، بخشی از e. d.s. این عنصر برای پوشش افت ولتاژ داخلی می رود و بقیه - 1.2 ولت - به شبکه ارسال می شود.
افت ولتاژ داخلی
اگر از فرمول قانون اهم برای کل مدار استفاده کنیم، می توان همین پاسخ را به دست آورد
هنگامی که یک مدار الکتریکی باز می شود، جریانی از آن عبور نمی کند. جریان از داخل منبع الکترونیکی نیز عبور نخواهد کرد. d.s، و بنابراین هیچ افت ولتاژ داخلی وجود نخواهد داشت. بنابراین وقتی مدار باز است ولت متر e را نشان می دهد. d.s. منبع انرژی الکتریکی
مثال 19.نیروی محرکه المان 1.8 ولت است. به مقاومت r = 2.7 اهم بسته است. جریان در مدار 0.5 آمپر است. مقاومت داخلی r 0 عنصر و افت ولتاژ داخلی ∆U 0 را تعیین کنید:
از مثال های حل شده مشخص است که قرائت ولت متر متصل به پایانه های منبع تغذیه است. d.s، ثابت نمی ماند شرایط مختلفعملکرد مدار الکتریکی با افزایش جریان در مدار، تلفات ولتاژ داخلی نیز افزایش می یابد. بنابراین، با ثابت e. d.s. به یک سهم شبکه خارجیاسترس کمتر و کمتری وجود خواهد داشت.
روی میز شکل 6 نشان می دهد که چگونه جریان در مدار و ولتاژ در پایانه های U بسته به تغییر مقاومت خارجی (r) در ثابت e تغییر می کند. d.s. (E) و مقاومت داخلی (r 0) منبع انرژی
در شکل شکل 25 وابستگی ولتاژ U را در پایانه های مدار به جریان بار I نشان می دهد.
عنصری از مدار الکتریکی که برای تولید الکتریسیته طراحی شده است معمولاً منبع انرژی الکتریکی نامیده می شود. در منبع، انواع دیگر انرژی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.
در عمل از منابع اصلی زیر استفاده می شود: ژنراتورهای الکترومکانیکی (ماشین های الکتریکی برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی)، منابع الکتروشیمیایی (سلول های گالوانیکی، باتری ها)، ژنراتورهای ترموالکتریک (دستگاه هایی برای تبدیل مستقیم انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی)، ژنراتورهای فوتوالکتریک. (مبدل انرژی تابشی به انرژی الکتریکی).
اصول تبدیل انرژی حرارتی، تشعشعی و شیمیایی به انرژی الکتریکی در درس فیزیک مطالعه می شود.
اموال عمومیاز همه منابع است
که در آنها تفکیک مثبت وجود دارد
و بارهای منفی و نیروی الکتروموتور (EMF) تشکیل می شود. EMF چیست؟
در ساده ترین مدار الکتریکی برای جابجایی شارژ qدر امتداد کانتور یک مدار بسته (شکل 2.8) کار منبع صرف می شود A و.
منبع همان کار را برای جابجایی هر واحد شارژ صرف می کند. بنابراین با افزایش q A و به نسبت مستقیم افزایش می یابد و نسبت آنها A و /q،تماس گرفت نیروی محرکه برقی، بدون تغییر باقی می ماند:
E = A و /q.(2.12)
EMF از نظر عددی برابر با کار انجام شده توسط منبع است که بار 1 درجه سانتیگراد را در مدار مدار بسته هدایت می کند.(1).
واحد emf مانند ولتاژ ولت (V) است.
به لطف EMF، مقدار جریان مشخصی در مدار الکتریکی حفظ می شود.
از آنجایی که EMF به آن بستگی ندارد q،و جریان I = q/t،که emf منبع به جریان بستگی ندارد(2).
وقتی جریان تغییر می کند، قدرت منبع تغییر می کند R i.استفاده از عبارات P و =A و /t، A و = qEو q = آن،
ما یک فرمول برای محاسبه توان منبع بدست می آوریم:
P u = EI. (2.13)
بنابراین، هنگامی که مقاومت گیرنده تغییر می کند، جریان مدار، برق منبع و توان گیرنده تغییر می کند. در این حالت موقعیت (5) مشاهده می شود و یک EMF ثابت به طور مداوم عمل می کند و جریان ایجاد می کند.
با توجه به تعادل قدرت
P و =P+P در،
جایی که آر- قدرت گیرنده؛ R در - تلفات در مقاومت داخلی R Bمنبع (از تلفات در سیم های اتصال غفلت می کنیم).
با جایگزینی مقدار توان از فرمول های (2.10)، (2.13) به این معادله، با استفاده از موقعیت (3)، به دست می آوریم:
EI=UI+UJ;
E=U+U در(2.14)
(عمل برابر است با مجموع واکنش ها).
در مدار بسته، EMF با مجموع افت ولتاژ در بخش هایی از مدار خنثی می شود.
با استفاده از عبارت (2.14) و قانون اهم، به دست می آوریم
E = IR + IR B.(2.15)
در این معادله Eو R Bچون پارامترهای منبع ثابت هستند. هنگامی که مقاومت گیرنده تغییر می کند آرجریان مقدار خود را تغییر می دهد. جریان در مدار دارای یک مقدار کاملاً تعریف شده است که برای ایجاد افت ولتاژ در بخش هایی از مدار لازم است که emf را متعادل می کند.(3). به همین ترتیب در مکانیک سرعت حرکت اجسام به گونه ای است که مقابله نیروهای اصطکاک ناشی از این سرعت با عمل نیروهای حرکت دهنده جسم متعادل می شود.
از معادله (2.15) جریان
I = E/(R + R B).(2.16)
این فرمول منعکس کننده است قانون اهم برای کل مدار:قدرت جریان در مدار با منبع emf نسبت مستقیم دارد.
لازم به ذکر است که معادله (2.14) یک مورد خاص از قانون دوم کیرشهوف است که به صورت زیر فرموله شده است: مجموع جبری EMF هر مدار بسته یک مدار الکتریکی برابر است با مجموع جبری افت ولتاژ در مقاومت های مدار:
SE=SIR (2.17)
در گذرنامه دستگاه ها (منابع، گیرنده ها، دستگاه ها، دستگاه ها)، در کاتالوگ ها، مقادیر جریان، ولتاژ، توانی که دستگاه برای آنها توسط سازنده برای حالت عادی طراحی شده است، به نام اسمی، حالت کار آورده شده است. منابع مشخص شده است قدرت نامی P H 0 M ,جریان من و ولتاژ U H 0 M .
برای انجیر 2.8 ولتاژ در پایانه های منبع و گیرنده یکسان است (از آنجایی که آنها به پایانه های مشترک متصل هستند). این ولتاژ را از فرمول (2.14) تعیین می کنیم:
U = E - IR B،(2.18)
جایی که R در- مقاومت داخلی منبع
ولتاژ در پایانه های منبعی که به عنوان ژنراتور کار می کند کمتر از EMF با مقدار افت ولتاژ در مقاومت داخلی منبع است.(4).
در جریان نامی، ولتاژ منبع نامی است. هنگامی که حالت مدار تغییر می کند (تغییر جریان)، مطابق با فرمول (2.18)، ولتاژ تغییر می کند. اگر انحراف در ولتاژ، جریان و توان در محدوده قابل قبول باشد، این حالت عملیاتی نامیده می شود.
اگر مدار باز باشد، جریان برابر با صفر. این حالت مدار یا عناصر آن حالت بیکار (XX) نامیده می شود.
از فرمول (2.18) نتیجه می شود که در حالت بیکار U = E.
emf منبع را می توان با یک ولت متر (شکل 2.9) به عنوان ولتاژ در پایانه های آن در حالت بیکار اندازه گیری کرد.(5).
حالت یک مدار الکتریکی که در آن قسمتی با یک یا چند عنصر اتصال کوتاه دارد، حالت اتصال کوتاه (SC) نامیده می شود.
بنابراین برای اتصال کوتاه R = 0 U = I K R=0و عمل EMF فقط با افت ولتاژ داخل منبع خنثی می شود E= من به R در(شکل 2.10).
مقاومت داخلی منابع معمولاً کم است. بنابراین، جریان اتصال کوتاه I K = E/R V بزرگ است، به دلیل اثرات حرارتی برای منبع و سیم ها خطرناک است. برای محافظت در برابر اتصال کوتاه منابع و سیم ها در اثر اثرات حرارتی. برای محافظت در برابر منابع اتصال کوتاه و سایر عناصر مدار، اغلب از آنها استفاده می شود فیوزها، که درج های آن از جریان اتصال کوتاه می سوزند و مدار را قطع می کنند.
در عمل گاهی اوقات مقاومت داخلی منبع با در نظر گرفتن آن برابر با صفر نادیده گرفته می شود. در این حالت، ولتاژ منبع مطابق فرمول (2.18) برابر با emf در هر جریان است و نمودارها emf منبع را نشان نمی‌دهند (مانند شکل 2.8)، بلکه ولتاژ را در پایانه‌های آن نشان می‌دهند. .
