Подключение ваттметра. Включение ваттметра в измеряемую цепь
Если ток нагрузки больше допустимого тока ваттметра, то токовую катушку ваттметра включают через измерительный трансформатор тока (рис. 1, а).
Рис. 1. Схемы включения ваттметра в цепь переменного тока с большим током (а) и в высоковольтную сеть (б).
При выборе трансформатора тока необходимо следить за тем, чтобы номинальный первичный ток трансформатора I 1и был равен измеряемому току в сети или больше него.
Например, если значение тока в нагрузке достигает 20 А, то можно брать трансформатор тока, рассчитанный на первичный номинальный ток 20 А с номинальным коэффициентом трансформации по току Kн1 = I 1и / I 2и = 20/5 = 4.
Если при этом в измерительной цепи напряжение меньше допустимого ваттметром, то катушку напряжения включают непосредственно на напряжение нагрузки. Начало катушки напряжения при помощи перемычки / подключают к началу токовой катушки. Так же обязательно устанавливают перемычку 2 (начало катушки подключают к сети). Конец катушки напряжения подключают к другому зажиму сети.
Для определения действительной мощности в измеряемой цепи необходимо показание ваттметра умножить на номинальный коэффициент трансформации трансформатора тока: P = Pw х Kн 1 = Pw х 4
Если ток в сети может превышать 20 А, то следует выбрать трансформатор тока с первичным номинальным током 50 А, при этом Kн 1 = 50/5 = 10.
В этом случае для определения значения мощности показания ваттметра надо умножать на 10.
Из выражения для мощности на постоянном токе Р = IU видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность.
Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.
Электродинамические ваттметры выпускают в виде переносных приборов высоких классов точности (0,1 - 0,5) и используют для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц). Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5 - 2,5).
Применяют такие ваттметры главным образом на переменном токе промышленной частоты. На постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.
Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. В преобразователе мощности осуществляется операция умножения ui = р и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения ui, т. е. от мощности.
На рис. 2, а показана возможность использования электродинамического измерительного механизма для построения ваттметра и измерения мощности.
Рис. 2. Схема включения ваттметра (а) и векторная диаграмма (б)
Неподвижная катушка 1, включаемая в цепь нагрузки последовательно, называется последовательной цепью ваттметра, подвижная катушка 2 (с добавочным резистором), включаемая параллельно нагрузке - параллельной цепью.
Для ваттметра, работающего на постоянном токе:
Рассмотрим работу электродинамического ваттметра на переменном токе. Векторная диаграмма рис. 2, б построена для индуктивного характера нагрузки. Вектор тока Iuпараллельной цепи отстает от вектора U на угол γ вследствие некоторой индуктивности подвижной катушки.
Из этого выражения следует, что ваттметр правильно измеряет мощность лишь в двух случаях: при γ = 0 и γ = φ.
Условие γ = 0 может быть достигнуто созданием резонанса напряжений в параллельной цепи, например включением конденсатора С соответствующей емкости, как это показано штриховой линией на рис. 1, а. Однако резонанс напряжений будет лишь при некоторой определенной частоте. С изменением частоты условие γ = 0 нарушается. При γ не равном 0 ваттметр измеряет мощность с погрешностью βy, которая носит название угловой погрешности.
При малом значении угла γ (γ обычно составляет не более 40 - 50"), относительная погрешность
При углах φ, близких к 90°, угловая погрешность может достигать больших значений.
Второй, специфической, погрешностью ваттметров является погрешность, обусловленная потреблением мощности его катушками.
При измерении мощности, потребляемой нагрузкой, возможны две схемы включения ваттметра, отличающиеся включением его параллельной цепи (рис. 3).
Рис. 3. Схемы включения параллельной обмотки ваттметра
Если не учитывать фазовых сдвигов между токами и напряжениями в катушках и считать нагрузку Н чисто активной, погрешности β(а) и β(б), обусловленные потреблением мощности катушками ваттметра, для схем рис. 3, а и б:
где Рi и Рu - соответственно мощность, потребляемая последовательной и параллельной цепью ваттметра.
Из формул для β(а) и β(б) видно, что погрешности могут иметь заметные значения лишь при измерениях мощности в маломощных цепях, т. е. когда Рi и Рu соизмеримы с Рн.
Если поменять знак только одного из токов, то изменится направление отклонения подвижной части ваттметра.
У ваттметра имеются две пары зажимов (последовательной и параллельной цепей), и в зависимости от их включения в цепь направление отклонения указателя может быть различным. Для правильного включения ваттметра один из каждой пары зажимов обозначается знаком «*» (звездочка) и называется «генераторным зажимом».
1. Какую энергию измеряет ваттметр электродинамической системы?
2. Влияет ли величина нагрузки на схему включения ваттметра?
3. Как расширяют пределы измерения ваттметра на переменном токе?
4. Как определить мощность в цепи постоянного тока по результатам измерения силы тока и напряжения?
5. Как правильно включить ваттметр однофазного тока при измерении мощности в контролируемой цепи?
6. Как измерить полную мощность однофазного тока, пользуясь амперметром и вольтметром?
7. Как определить реактивную мощность схемы?
Для включения ваттметра его генераторные зажимы (зажимы, обозначенные *I и *V), соединяются накоротко одним проводником. Для правильного показания ваттметра оба генераторных зажима должны быть присоединены к одному проводу со стороны генератора источника тока, а не нагрузки. Затем другим проводом включается последовательно в цепь неподвижная катушка; при этом в зависимости от предела тока этот провод подключается к зажиму 1А – при измеряемом токе не превышающем 1А, или 5А при токе, не превышающем 5А.
Затем включается параллельно цепи рамки; для этого предварительно к зажиму подключается одно из дополнительных сопротивлений (в зависимости от предела напряжения: 30V – до 30В, 150V – до 150В и 300V – 300В).
В передний паз крышки прибора устанавливается рабочая шкала так, чтобы лицевая сторона прибора была обращена к шкале с пределом измерения, равным произведению предела по току на предел по напряжению.
Опыты с ваттметром
Ниже описаны только отдельные опыты, характеризующие возможности демонстрационного ваттметра.
Опыт 1. Измерение мощности в цепи однофазного переменного тока с активной нагрузкой.
Для выполнения этого опыта собирают электрическую цепь по схеме, приведённой на рисунке 3.
При проведении опыта целесообразно иметь возможность плавного изменения напряжения, поэтому следует провода А, Б подключить к зажимам регулируемого напряжения школьного распределительного щита или воспользоваться школьным регулятором напряжения (или иным трансформатором), допускающим плавное или ступенчатое регулирование напряжения.
Рис. 6 Схема электрической цепи в опыте 1.
В качестве нагрузки следует включить ползунковый реостат сопротивлением до 20 Ом (с допустимым током 5А).
Ваттметр включают в цепь через добавочное сопротивление 150V и через зажим 5А (см. схему).
Остановив ползунок реостата так, что в цепь включается все сопротивления реостата, устанавливается напряжение на нагрузку 50В, и наблюдают показания ваттметра, вольтметра и амперметра. Затем повышают напряжение на нагрузку, устанавливая последовательно 60, 80, 100В наблюдая каждый раз показания всех приборов.
Результаты этого опыта подтверждают, что мощность равна произведению напряжения на силу тока.
Опыт 2. Измерение мощности в цепи трёхфазного тока с активной симметричной нагрузкой.
С помощью одного демонстрационного ваттметра можно произвести опыт по измерению активной мощности трёхфазного тока при равномерной нагрузке всех фаз (т.е. когда в каждую фазу включены одинаковые нагрузки).
Для проведения этого опыта собирают электрическую цепь, как показано на рисунке 7.
В каждую фазу в качестве нагрузки включают по одной электрической лампе одинакового сопротивления.
Измерительные приборы используются те же, что и в предыдущем опыте.
Пределы ваттметра (по току и напряжению) устанавливаются в зависимости от напряжения и мощности электрических ламп.
Р
ис.
7 Схема электрической цепи в опыте 2.
По показаниям приборов устанавливают, что мощность одной фазы равна произведению фазного напряжения на ток в фазе.
Учитывая полную симметрию цепи трёхфазного тока, приведённой на рисунке 4, высчитывают мощность всей цепи, умножив показания ваттметра на 3.
Представляет собой средства и объекты, образующие, в совокупности, путь для прохождения электрического тока. Электромагнитные процессы, происходящие в них, могут получить свое определение при помощи таких понятий, как , напряжение, сопротивление и электродвижущая сила.
Цепи постоянного тока
В состав входят отдельные устройства, которые выполняют свои определенные функции. Они называются элементами электрической цепи. Основными элементами считаются источники электроэнергии и устройства, принимающие эту энергию. Во всех источниках, с не электрическими материалами происходит преобразование в электрическую энергию. Наиболее распространенными источниками являются аккумуляторы, гальванические элементы, электромагнитные генераторы, и другие.
С помощью приемников электроэнергия может преобразовываться в иные виды энергии. К основным видам таких приемников можно отнести нагревательные элементы и приборы, электродвигатели, гальванические ванны, приборы освещения и прочие.
Кроме того, в электрической цепи содержатся элементы вспомогательного назначения. Например, с помощью реостатов, регулируется величина, напряжение регулируется при помощи потенциометров и делителей. От перегрузок цепь защищают предохранители, коммутацию обеспечивают выключатели. Контроль над режимом работы осуществляется контрольно измерительными приборами.
Цепи переменного тока
Переменным называют электрический ток, способный менять направление своего движения периодически, за определенные промежутки времени.
Поскольку у него происходит изменение во времени, здесь невозможно применять расчеты, подходящие для цепей постоянного тока. При наличии высокой частоты, заряды совершают колебательное движение. Они переходят в цепи из одних мест в другие и в обратном направлении. При переменном в отличие от постоянного, последовательно соединенные проводники могут иметь неодинаковые значения. Этот эффект усиливается наличием емкостей в цепи. Здесь же наблюдается эффект самоиндукции, возникающий при использовании катушек с большой индуктивностью даже при низкой частоте.
Рассмотрим свойства цепи, подключаемой к генератору с переменным синусоидальным током. Роль конденсатора при подключении его в цепи постоянного и переменного тока совершенно различная. При постоянном, конденсатор заряжается до тех пор, пока его не сравняется с ЭДС источника тока. В этом случае зарядка прекращается и он падает до нуля. Если такую же цепь подключить к генератору переменного тока, то электроны будут перемещаться из одной части конденсатора в другую. Эти электроны и есть переменный ток с одинаковой силой с обеих сторон конденсатора.
В случае необходимости, с помощью выпрямителя, происходит преобразование переменного тока в постоянный.
Приветствую всех на нашем сайте в рубрике “Электроника для начинающих”!
В предыдущей статье мы обсудили понятия , но все наши примеры были связаны только с постоянным током, поэтому сегодня мы будем разбираться с переменным 🙂 Итак, переходим от слов к делу!
Давайте для начала выясним какова же область применения цепей переменного тока . А область довольно-таки обширна 😉 Смотрите сами – все бытовые электронные приборы, компьютеры, телевизоры и т. д. являются потребителями переменного тока, соответственно, все розетки в нашем доме работают именно с переменным током.
Почему же для данных целей не используется постоянный ток? На этот вопрос можно дать сразу несколько ответов.
Во-первых, гораздо проще преобразовать напряжение переменного тока одной величины в напряжение другой величины, чем произвести аналогичные “махинации” с постоянным током. Данные преобразования осуществляются при помощи трансформаторов, о которых мы обязательно поговорим в рамках нашего курса.
Зачем вообще нужно изменять напряжение переменного тока ? С этим тоже все просто и логично. Давайте для примера рассмотрим ситуацию передачи сигнала с электростанции в отдельно взятый дом.
Как видите, с электростанции “выходит” высоковольтное переменное напряжение, затем оно преобразуется в низковольтное (к примеру, 220В), а затем уже по низковольтным линиям передачи достигает своей цели – а именно потребителей.
Возникает вопрос – к чему такие сложности? Что ж, давайте разберемся…
Задачей электростанции является генерировать и передавать сигнал большой(!) мощности (ведь потребителей много). Поскольку величина мощности прямо пропорциональна и значению тока и значению напряжения, то для достижения необходимой мощности нужно, соответственно, либо увеличивать ток, либо напряжение сигнала. Увеличивать значение тока, протекающего по проводам довольно проблематично, ведь чем больше ток, тем больше должна быть площадь поперечного сечения провода. Это связано с тем, что чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление (вспоминаем формулу из статьи про ). Чем больше сопротивление, тем больше будет нагреваться провод и, соответственно, рано или поздно он прогорит. Таким образом, использование токов огромной величины нецелесообразно, да и экономически невыгодно (нужны “толстые” провода). Поэтому мы логически приходим к выводу, что абсолютно необходимо передавать сигнал с большим значением напряжения. А поскольку в домах у нас требуются низковольтные цепи переменного тока, то сразу же становится понятно, что преобразование напряжения просто неизбежно =) А из этого и вытекает преимущество переменного тока над постоянным (именно для данных целей), поскольку как мы уже упомянули – преобразовывать напряжение переменного тока на порядок легче, чем постоянного.
Ну и еще одно важное преимущество переменного тока – его просто проще получать. И раз уж мы вышли на эту тему, то давайте как раз-таки и рассмотрим пример генератора переменного тока 😉
Генератор переменного тока.
Итак, генератор – это электротехническое устройство, задачей которого является преобразование механической энергии в энергию переменного тока. Давайте рассмотрим пример:
На рисунке мы видим классический пример генератора переменного тока . Давайте разбираться, как же он работает и откуда тут появляется ток 😉
Но для начала пару слов об основных узлах. В состав генератора входит постоянный магнит (индуктор), создающий магнитное поле. Также может использоваться электромагнит. Вращающаяся рамка носит название якоря. В данном случае якорь генератора имеет только одну обмотку/рамку. Именно эта обмотка и является цепью переменного тока, то есть с нее и снимается переменный ток.
Переходим к принципу работы генератора переменного тока …
Магнит создает поле, вектор индукции которого B изображен на рисунке. Проводящая рамка площадью S равномерно вращается вокруг своей оси с угловой скоростью w. Поскольку рамка вращается, угол между нормалью к плоскости рамки и магнитным полем постоянно меняется. Запишем формулу для его расчета:
Здесь – это угол в начальный момент времени (t = 0). Примем его равным 0, таким образом:
Вспоминаем курс физики и записываем выражение для магнитного потока, проходящего через рамку:
Величина магнитного потока, как и угол зависит от времени.
Согласно закону Фарадея при вращении проводника в магнитном поле в нем (в проводнике) возникает ЭДС индукции, которую можно вычислить по следующей формуле:
Эта ЭДС и используется для создания тока в цепи (возникает разность потенциалов и, соответственно, начинает течь ток). Как уже видно из формулы – зависимость тока от времени будет иметь синусоидальный характер:
Именно такой сигнал (синусоидальный) и используется во всех бытовых цепях переменного тока. Давайте поподробнее остановимся на основных параметрах, а заодно рассмотрим основные формулы и зависимости.
Основные параметры синусоидального сигнала.
На этом рисунке изображено два сигнала (красный и синий 🙂). Отличаются они только одним параметром – а именно начальной фазой . Начальная фаза – это фаза сигнала в начальный момент времени, то есть при t = 0. При обсуждении генератора мы приняли величину равной нулю, так вот это и есть начальная фаза. Для данных графиков уравнения выглядят следующим образом:
Синий график:
Красный график:
Для второй формулы это фаза переменного тока, а – это начальная фаза.
Часто для упрощения расчетов принимают начальную фазу равной нулю.
Значение в любой момент времени называют мгновенным значением переменного тока . Вообще все эти термины справедливы для любых гармонических сигналов, но раз уж мы обсуждаем переменный ток, то будем придерживаться этой терминологии 🙂 Максимальное значение функции равно 1, соответственно, максимальная величина тока в нашем случае будет равна – амплитудному значению.
Следующий параметр сигнала – циклическая частота переменного тока – – она, в свою очередь, определяется следующим образом:
Где – частота переменного тока. Для привычных нам сетей 220 В частота равна 50 Гц (это значит, что 50 периодов сигнала укладываются в 1 секунду). А период сигнала равен:
Среднее значение тока за период можно вычислить следующим образом:
Эта формула представляет собой ни что иное как суммирование всех мгновенных значений переменного тока. А поскольку среднее значение синуса за период равно 0, то .
На этом мы на сегодня и заканчиваем, надеюсь, что статья получилась понятная и окажется полезна для читателей 🙂 В скором времени мы продолжим изучать электронику в рамках нашего нового курса, так что следите за обновлениями и заходите на наш сайт!
Переменный ток
Как известно, сила тока в любой момент времени пропорциональна ЭДС источника тока (закон Ома для полной цепи). Если ЭДС источника не изменяется со временем и остаются неизменными параметры цепи, то через некоторое время после замыкания цепи изменения силы тока прекращаются, в цепи течет постоянный ток.
Однако в современной технике широко применяются не только источники постоянного тока, но и различные генераторы электрического тока, в которых ЭДС периодически изменяется. При подключении в электрическую цепь генератора переменной ЭДС в цепи возникают вынужденные электромагнитные колебания или переменный ток.
Переменный ток – это периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника
Переменный ток – это электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону.
Мы в дальнейшем будем изучать вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, гармонически меняющегося с частотой ω по синусоидальному или косинусоидальному закону:
u=Um⋅sinωt u=Um⋅sinωt или u=Um⋅cosωt u=Um⋅cosωt ,
где u – мгновенное значение напряжения, U m – амплитуда напряжения, ω – циклическая частота колебаний. Если напряжение меняется с частотой ω , то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой, но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае
i=Im⋅sin(ωt+φc) i=Im⋅sin(ωt+φc) ,
где φ c – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения.
Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.
Резистор в цепи переменного тока
Пусть цепь состоит из проводников с малой индуктивностью и большим сопротивлением R (из резисторов). Например, такой цепью может быть нить накаливания электрической лампы и подводящие провода. Величину R , которую мы до сих пор называли электрическим сопротивлением или просто сопротивлением, теперь будем называть активным сопротивлением . В цепи переменного тока могут быть и другие сопротивления, зависящие от индуктивности цепи и ее емкости. Сопротивление R называется активным потому, что, только на нем выделяется энергия, т.е.
Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным сопротивлением .
Итак, в цепи имеется резистор, активное сопротивление которого R , а катушка индуктивности и конденсатор отсутствуют (рис. 1).
Пусть напряжение на концах цепи меняется по гармоническому закону
u=Um⋅sinωt u=Um⋅sinωt .
Как и в случае постоянного тока, мгновенное значение силы тока прямо пропорционально мгновенному значению напряжения. Поэтому можно считать, что мгновенное значение силы тока определяется законом Ома:
i=UR=Um⋅sinωtR=Im⋅sinωt i=UR=Um⋅sinωtR=Im⋅sinωt .
Следовательно, в проводнике с активным сопротивлением колебания силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения (рис. 2), а амплитуда силы тока равна амплитуде напряжения, деленной на сопротивление:
При небольших значениях частоты переменного тока активное сопротивление проводника не зависит от частоты и практически совпадает с его электрическим сопротивлением в цепи постоянного тока.
Применение: Постоянный ток широко используется в технике: подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. Переменный ток используется преимущественно для более удобной передачи от генератора до потребителя. Иногда в некоторых устройствах постоянный ток преобразуют в переменный ток преобразователями (инверторами).
ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Всякое движение электрических зарядов называют электрическим током. В металлах могут свободно перемещаться электроны, в проводящих растворах - ионы, в газах могут существовать в подвижном состоянии и электроны, и ионы.
Условно за направление тока считают направление движения положительных частиц, поэтому металлахнаправление тивоположно направлению движения электронов.
Плотность тока - величина заряда, проходящего в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к линиям тока. Эта величина обозначается j и рассчитывается следующим образом:
Здесь n - концентация заряженных частиц, e - заряд каждой из частиц, v - их скорость.
Сила тока i - величина заряда, проходящего в единицу времени через полное сечение проводника. Если за время dt через полное сечение проводника прошел заряд dq, то
По другому, сила тока находится интегрированием плотности тока по всей поверхности любого сечения проводника. Единица измерения силы тока - Ампер. Если состояние проводника (его температура и др.) стабильно, то между приложенным к его концам напряжением и возникающим при этом током существует однозначная связь. Она называется Закон Ома и записывается так:
R - электрическое сопротивление проводника, зависящее от рода вещества и от его геометрических размеров. Единичным сопротивлением обладает проводник, в котором возникает ток 1 А при напряжении 1 В. Эта единица сопротивления называется Ом.
Закон Ома в дифференциальной форме:
где j - плотность тока, Е - напряженность поля, - проводимость. В этой записи закон Ома содержит величины, характеризующие состояние поля в одной и той же точке.
Различают последовательное и параллельное соединения проводников.
При последовательном соединении ток, протекающий по всем участкам цепи, одинаков, а напряжение на концах цепи складывается как алгебраическая сумма напряжений на всех участках
При параллельном соединении проводников постоянным остается напряжение, а ток складывается из суммы токов, протекающих по всем ветвям. В этом случае складываются величины, обратные сопротивлению:
Для получения постоянного тока на заряды в электрической цепи должны действовать силы, отличные от сил электростатического поля; их называют сторонними силами.
Если рассматривать полную электрическую цепь, необходимо включить в нее действие этих сторонних сил и внутренне сопротивление источника тока r. В этом случае закон Ома для полной цепи примет вид
Е - электродвижущая сила (ЭДС) источника. Она измеряется в тех же единицах, что и напряжение. Величину (R+r) называют иногда полным сопротивлением цепи.
Сформулируем правила Киркгофа :
Первое правило: алгебраическая сумма сил токов в участках цепи, сходящихся в одной точке разветвления, равна нулю.
Второе правило: для любого замкнутого контура сумма всех падений напряжения равна сумме всех ЭДС в этом контуре.
Мощность тока рассчитывается по формуле
Закон Джоуля-Ленца. Работа электрического тока (тепловое действие тока)
A=Q=UIt=I2Rt=U2t/R.
Электрический ток в металлах есть движение электронов, ионы металла участия в переносе электрического заряда не принимают. Другими словами, в металлах есть электроны, способные перемещаться по металлу. Они получили название электронов проводимости. Положительные заряды в металле представляют собой ионы, образующие кристаллическую решетку. В отсутствии внешнего поля электроны в металле движутся хаотично, претерпевая соударения с ионами решетки. Под воздействием внешнего электрического поля электроны начинают упорядоченное движение, накладывающееся на их прежние хаотические флуктуации. В процессе упорядоченного движения электроны по-прежнему сталкиваются с ионами кристаллической решетки. Именно этим и обусловлено электрическое сопротивление.
В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам классической механики. Взаимодействием электронов между собой пренебрегают, взаимодействие электронов с ионами сводят только к соударениям. Можно сказать, что электроны проводимости рассматривают как электронный газ, подобный идеальному атомарному газу в молекулярной физике. Поскольку средняя кинетическая энергия на одну степень свободы для такого газа равна kT/2, а свободный электрон обладает тремя степенями свободы, то
где v2t - среднее значение квадрата скорости теплового движения.
На каждый электрон действует сила, равная еЕ, в результате чего он приобретает ускорение еЕ/m. Скорость к концу свободного пробега равна
где t - среднее время между соударениями.
Поскольку электрон движется равноускоренно, его средняя скорость равна половине максимальной:
Среднее время между соударениями есть отношение длины свободного пробега к средней скорости:
Поскольку обычно скорость упорядоченного движения много меньше тепловой скорости, то скоростью упорядоченного движения пренебрегли.
Окончательно, имеем
Коэффициент пропорциональности между vc и Е называется подвижность электронов.
С помощью классической электронной теории газов могут быть объяснены многие закономерности - закон Ома, закон Джоуля-Ленца и другие явления, однако эта теория не может объяснить, например, явления сверхпроводимости:
При определенной температуре удельное сопротивление для некоторых веществ скачком уменьшается практически до нуля. Это сопротивление настолько мало, что однажды возбужденный в сверхпроводнике электрический ток существует длительное время без источника тока. Несмотря на скачкообразное изменение сопротивления, другие характеристики сверхпроводника (теплопроводность, теплоемкость и др.) не меняются либо меняются мало.
Более точным методом, объясняющим такие явления в металлах, является подход с использованием квантовой статистики.
Электрический ток в газах
В обычном состоянии газы не проводят электричества. Однако под влиянием различных внешних факторов (высокая температура, различные излучения) газы становятся электропроводящими. Это происходит вследствие того, что от нейтральных атомов отделяются электроны и образуются проводящие частицы - положительные ионы и свободные электроны. Часть свободных электронов может быть захвачена нейтральными атомами и образуются отрицательные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Ионизация атома (отрыв электрона) требует определенной энергии, величина которой зависит от строения атома и называется энергией ионизации.
Если ионизацию не поддерживать, например, бомбардируя атомы электронами, ускоренными во внешнем электрическом поле, то со временем происходит рекомбинация ионов - положительный и отрицательный ион в результате теплового движения сталкиваются и избыточный электрон переходит к положительному иону. В результате образуется два нейтральных атома. Рассмотрим принципиальную схему, изображенную на рисунке:
Пусть на отрицательный электрод падают ультрафиолетовые лучи, обеспечивающие ионизацию газа. Если увеличивать напряжение между электродами (например, плавно уменьшая сопротивление r) то сила тока будет увеличиваться, пока не достигнет максимума (тока насыщения), при котором все свободные электроны достигают противоположного электрода.
Сила тока насыщения зависит только от интенсивности процесса ионизации (в нашем случае, от интенсивности ультрафиолетовых лучей). Если снять внешнюю ионизацию, разряд между электродами исчезнет. Такие разряды называются несамостоятельными. Если же продолжать уменьшать сопротивление (увеличивая тем самым напряжение) произойдет резкое (в сотни раз) увеличение силы тока, в газе появятся световые и тепловые эффекты. Если прекратить действие ионизатора, то разряд будет продолжаться. Это значит, что новые ионы для поддержания разряда образуются благодаря процессам в самом разряде. Такие разряды называют самостоятельными.
Дело в том, что с увеличением напряжения возрастает скорость и кинетическая энергия электрона, и он при столкновении с атомом сам способен произвести его ионизацию - высвободить еще один электрон. На следующем этапе два электрона образуют уже четыре и т.д. Происходит лавинообразное увеличение количества носителей. Это явление получило название электронной (или ионной) лавины, а напряжение, при котором это происходит - напряжением пробоя газового промежутка (напряжением зажигания газового разряда).
В зависимости от свойств и внешнего вида разрядов различают коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды.
В различных формах газового разряда иногда образуется сильно ионизированный газ, в котором концентрация электронов приблизительно равна концентрации положительных ионов. Такая система получила название ионной плазмы.
Ток в вакууме
Как известно, в металлах имеются электроны проводимости, образующие "электронный газ" и участвующие в тепловом движении. Для того, чтобы свободный электрон мог выйти из металла, должна быть совершена определенная работа, различная для разных металлов и названная работой выхода.
Существование работы выхода показывает, что в поверхностном слое металла существует электрическое поле, значит, электрический потенциал при переходе через этот слой изменяется на некоторую величину, также специфичную для разных металлов. Эта поверхностная разность потенциалов связана с работой выхода соотношением:
Поскольку выйти из металла могут только "самые быстрые" электроны, то можно записать условие выхода так mv 2 /2>ef
В обычных условиях работа выхода в сотни раз больше энергии теплового движения электронов, поэтому подавляющее большинство их остается в металле. Но если сообщить электронам дополнительную энергию, можно наблюдать явление испускания электронов или электронной эмиссии. В зависимости от того, каким образом сообщена дополнительная энергия, различают термоэлектронную эмиссию, фотоэмиссию, вторичную электронную эмиссию и др.
Для наблюдения термоэлектронной эмиссии используется принципиальная схема, содержащая вакуумный диод (см. рис.).
В такой цепи возникнет ток, только если катод раскалить до высокой температуры. Вольт-амперная характеристика диода показывает, что при нулевой разности потенциалов ток очень мал. В дальнейшем, при увеличении потенциала на аноде, увеличивается и ток, пока не достигнет некоторого постоянного значения - тока насыщения Is. Его значение увеличивается с увеличением температуры катода. Также с увеличением температуры растет и напряжение Us, при котором достигается ток насыщения.
По графику наглядно видно, что зависимость между током и напряжением для диода носит нелинейный характер, то есть диод не подчиняется закону Ома. Богуславский и Лэнгмюр независимо друг от друга показали, что зависимость тока диода от потенциала анода имеет вид:
Где С зависит от формы и размеров электродов.
Зависимость плотности тока насыщения от температуры известна под названием формулы Ричардсона:Js=CT 1/2 exp(-ef/kT),
где С - константа, различная для разных металлов. Эта формула выведена на основании классической электронной теории. Квантовая теория металлов дает следующее соотношение:Js=АT 2 exp(-ef/kT)
Заметим, что это различие не существенно, так как зависимость плотности тока от температуры определяется главным образом экспоненциальным множителем exp(-e/kT).
Соединение в звезду
На рис. 6 приведена трехфазная система при соединении фаз генератора и нагрузки в звезду. Здесь провода АА’, ВВ’ и СС’ – линейные провода.
Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел, называется нейтральной (на рис. 6 N и N’ – соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).
Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтральным (на рис. 6 показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нейтрального провода называется трехпроводной, с нейтральным проводом – четырехпроводной.
Все величины, относящиеся к фазам, носят название фазных переменных, к линии - линейных. Как видно из схемы на рис. 6, при соединении в звезду линейные токи и равны соответствующим фазным токам. При наличии нейтрального провода ток в нейтральном проводе
.
Если система фазных токов симметрична, то . Следовательно, если бы симметрия токов была гарантирована, то нейтральный провод был бы не нужен. Как будет показано далее, нейтральный провод обеспечивает поддержание симметрии напряжений на нагрузке при несимметрии самой нагрузки.
Поскольку напряжение на источнике противоположно направлению его ЭДС, фазные напряжения генератора (см. рис. 6) действуют от точек А,В и С к нейтральной точке N; 
- фазные напряжения нагрузки.
Линейные напряжения действуют между линейными проводами. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для линейных напряжений можно записать
; (1)
; (2)
. (3)
Отметим, что всегда - как сумма напряжений по замкнутому контуру.
На рис. 7 представлена векторная диаграмма для симметричной системы напряжений. Как показывает ее анализ (лучи фазных напряжений образуют стороны равнобедренных треугольников с углами при основании, равными 300), в этом случае
Обычно при расчетах принимается 
. Тогда для случая прямого чередования фаз
, (при обратном чередовании фаз
фазовые сдвиги у и меняются местами). С учетом этого на основании соотношений (1) …(3) могут быть определены комплексы линейных напряжений. Однако при симметрии напряжений эти величины легко определяются непосредственно из векторной диаграммы на рис. 7. Направляя вещественную ось системы координат по вектору (его начальная фаза равна нулю), отсчитываем фазовые сдвиги линейных напряжений по отношению к этой оси, а их модули определяем в соответствии с (4). Так для линейных напряжений и получаем:
;
.
3. Соединение источника энергии и приемника по схеме треугольник .В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывает несимметричной, очень важно на практике, например, в схемах с осветительными приборами, обеспечивать независимость режимов работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной, подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника в треугольник. Но в треугольник также можно соединить и фазы генератора (см. рис. 8).
Для симметричной системы ЭДС имеем
.
Таким образом, при отсутствии нагрузки в фазах генератора в схеме на рис. 8 токи будут равны нулю. Однако, если поменять местами начало и конец любой из фаз, то и в треугольнике будет протекать ток короткого замыкания. Следовательно, для треугольника нужно строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.
Схема соединения фаз генератора и приемника в треугольник представлена на рис. 9.
Очевидно, что при соединении в треугольник линейные напряжения равны соответствующим фазным. По первому закону Кирхгофа связь между линейными и фазными токами приемника определяется соотношениями
Аналогично можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.
На рис. 10 представлена векторная диаграмма симметричной системы линейных и фазных токов. Ее анализ показывает, что при симметрии токов
Помимо рассмотренных соединений «звезда - звезда» и «треугольник - треугольник» на практике также применяются схемы «звезда - треугольник» и «треугольник - звезда».
Явление резонанса
Явление резонанса относится к наиболее важным с практической точки зрения свойствам электрических цепей. Оно заключается в том, что электрическая цепь, имеющая реактивные элементы обладает чисто резистивным сопротивлением.
Общее условие резонанса для любого двухполюсника можно сформулировать в виде Im[Z]=0 или Im[Y]=0, где Z и Y комплексное сопротивление и проводимость двухполюсника. Следовательно, режим резонанса полностью определяется параметрами электрической цепи и не зависит от внешнего воздействия на нее со стороны источников электрической энергии.
Для определения условий возникновения режима резонанса в электрической цепи нужно:
найти ее комплексное сопротивление или проводимость;
выделить мнимую часть и приравнять нулю.
Все параметры электрической цепи, входящие в полученное уравнение, будут в той или иной степени влиять на характеристики явления резонанса.
Уравнение Im[Z]=0 может иметь несколько корней решения относительно какого-либо параметра. Это означает возможность возникновения резонанса при всех значениях этого параметра, соответствующих корням решения и имеющих физический смысл.
В электрических цепях резонанс может рассматриваться в задачах:
анализа этого явления при вариации параметров цепи;
синтеза цепи с заданными резонансными параметрами.
Электрические цепи с большим количеством реактивных элементов и связей могут представлять значительную сложность при анализе и почти никогда не используются для синтеза цепей с заданными свойствами, т.к. для них не всегда возможно получить однозначное решение. Поэтому на практике исследуются простейшие двухполюсники и с их помощью создаются сложные цепи с требуемыми параметрами.
Сдвиг фаз между током и напряжением. Понятие двухполюсника
Простейшими электрическими цепями, в которых может возникать резонанс, являются последовательное и параллельное соединения резистора, индуктивности и емкости. Соответственно схеме соединения, эти цепи называются последовательным и параллельным резонансным контуром . Наличие резистивного сопротивления в резонансном контуре по определению не является обязательным и оно может отсутствовать как отдельный элемент (резистор). Однако при анализе резистивным сопротивлением следует учитывать по крайней мере сопротивления проводников.
Последовательный резонансный контур представлен на рис. 1 а). Комплексное сопротивление цепи равно
Условием резонанса из выражения (1) будет
Таким образом, резонанс в цепи наступает независимо от значения резистивного сопротивления R когда индуктивное сопротивление xL = wL равно емкостному xC = 1/(wC) . Как следует из выражения (2), это состояние может быть получено вариацией любого их трех параметров - L, C и w , а также любой их комбинацией. При вариации одного из параметров условие резонанса можно представить в виде
Все величины, входящие в выражение (3) положительны, поэтому эти условия выполнимы всегда, т.е. резонанс в последовательном контуре можно создать
изменением индуктивности L при постоянных значениях C и w ;
изменением емкости C при постоянных значениях L и w ;
изменением частоты w при постоянных значениях L и C.
Наибольший интерес для практики представляет вариация частоты. Поэтому рассмотрим процессы в контуре при этом условии.
При изменении частоты резистивная составляющая комплексного сопротивления цепи Z остается постоянной, а реактивная изменяется. Поэтому конец вектора Z на комплексной плоскости перемещается по прямой параллельной мнимой оси и проходящей через точку R вещественной оси (рис. 1 б)). В режиме резонанса мнимая составляющая Z равна нулю и Z = Z = Zmin = R , j = 0 , т.е. полное сопротивление при резонансе соответствует минимальному значению .
Индуктивное и емкостное сопротивления изменяются в зависимости от частоты так, как показано на рис. 2. При частоте стремящейся к нулю xC®µ , xL® 0 , и j® - 90° (рис. 1 б)). При бесконечном увеличении частоты - xL®µ , xC ® 0 , а j® 90° . Равенство сопротивлений xLи xC наступает в режиме резонанса при частоте w0 .
Рассмотрим теперь падения напряжения на элементах контура. Пусть резонансный контур питается от источника, обладающего свойствами источника ЭДС, т.е. напряжение на входе контура u = const, и пусть ток в контуре равен i=Imsinwt. Падение напряжения на входе уравновешивается суммой напряжений на элементах
Переходя от амплитудных значений к действующим, из выражения (4) получим напряжения на отдельных элементах контура
а при резонансной частоте
величина, имеющая размерность сопротивления и называемая волновым или характеристическим сопротивлением контура.
Следовательно, при резонансе
напряжение на резисторе равно напряжению на входе контура;
напряжения на реактивных элементах одинаковы и пропорциональны волновому сопротивлению контура;
соотношение напряжения на входе контура (на резисторе) и напряжений на реактивных элементах определяется соотношением резистивного и волнового сопротивлений.
Отношение волнового сопротивления к резистивному r /R = Q, называется добротностью контура , а величина обратная D=1/Q - затуханием . Таким образом, добротность числено равна отношению напряжения на реактивном элементе контура к напряжению на резисторе или на входе в режиме резонанса. Добротность может составлять несколько десятков единиц и во столько же раз напряжение на реактивных элементах контура будет превышать входное. Поэтому резонанс в последовательном контуре называется резонансом напряжений .
Рассмотрим зависимости напряжений и тока в контуре от частоты. Для возможности обобщенного анализа перейдем в выражениях (5) к относительным единицам, разделив их на входное напряжение при резонансе
где i =I/I0, uk=Uk/U, v = w /w0 - соответственно ток, напряжение и частота в относительных единицах, в которых в качестве базовых величин приняты ток I0, напряжение на входе U и частота w0 в режиме резонанса.
Абсолютный и относительный ток в контуре равен
Из выражений (7) и (8) следует, что характер изменения всех величин при изменении частоты зависит только от добротности контура. Графическое представление их при Q=2 приведено на рис. 3 в логарифмическом (а) и линейном (б) масштабах оси абсцисс.
На рис. 3 кривые A(v), B(v) и C(v) соответствуют напряжению на индуктивности, емкости и резисторе или току в контуре. Кривые A(v)=uL(v) и B(v)=uC(v) имеют максимумы, напряжения в которых определяются выражением
, (9)
а относительные частоты максимумов равны
(10)
При увеличении добротности Q ®µAmax = Bmax®Q,
С уменьшением добротности максимумы кривых uL(v) и uС(v) смещаются от резонансной частоты, а при Q2 < 1/2 исчезают, и кривые относительных напряжений становятся монотонными.
Напряжение на резисторе и ток в контуре имеют при резонансной частоте максимум равный 1,0. Если на оси ординат отложить абсолютные значения тока или напряжения на резисторе, то для различных значений добротности они будут иметь вид, показанный на рис. 4. В целом они дают представлние о характере изменения величин, но удобнее делать сопоставление в относительных единицах.
На рис. 5 представлены кривые рис. 4 в относительных единицах. Здесь видно, что увеличение добротности влияет на скорость изменения тока при изменении частоты.
Можно показать, что разность относительных частот, соответствующих значениям относительного тока , равна затуханию контура D=1/Q =v2-v1.
Перейдем теперь к анализу зависимости фазового сдвига между током и напряжением на входе контура от частоты. Из выражения (1) угоj j равен
Как и следовало ожидать, значение j определяется добротностью контура. Графически эта зависимость для двух значений добротности показана на рис. 6 .
При уменьшении частоты значение фазового сдвига стремится к значению - 90° , а при увеличении к +90° , проходя через нулевое значение при частоте резонанса. Скорость изменения функции j (v) определяется добротностью контура.
Последовательный резонансный контур может питаться также от источника электрической энергии, обладающего свойствами источника тока, т.е. обеспечивающего постоянный ток в нагрузке. Выражения (5) остаются справедливыми и в этом случае, но ток в них будет константой. Поэтому постоянным будет падение напряжения на резисторе UR = RI = const. Разделив все напряжения на это базовое значение, В выражении (12) добротность также есть отношение волнового сопротивления к резистивному Q=r /R .
Общее относительное падение напряжения на входе контура является гипотенузой прямоугольного еугольника напряжений, поэтому
Функции uL(v) и uС(v) монотонны, а u(v) имеет минимум u =1.0 при резонансной частоте, когда uL(v) -uС(v) = 0. В случае стремления относительной частоты к бесконечности и к нулю, напряжения на одном из реактивных элементов стремится к бесконечности. При резонансной частоте они одинаковы и их отношение ко входному напряжению равно добротности.
Графическое представление функций uL(v)=A(v), uС(v)=B(v) и u(v)=С(v) при добротности Q=2 дано на рис. 7 в логарифмическом (а) и линейном (б) масштабах оси частот.
Для функции u (v)=С(v) можно показать, что разность относительных частот v1 и v2 , соответствующих значениям , равна затуханию контура D=1/Q=v2-v1.
Фазовые характеристики контура при питании от источника тока ничем не отличаются от характеристик режима питания от источника ЭДС (рис. 6).
Сопоставляя частотные характеристики при питании последовательного резонансного контура от источника тока с характеристиками при питании его от источника ЭДС, можно сделать следующие выводы:
частотные характеристики напряжений и тока контура принципиально отличаются друг от друга, т.к. при питании от источника ЭДС сумма напряжений остается постоянной и происходит только их перераспределение между элементами, а при питании от источника тока падения напряжения на каждом элементе формируются независимо;
режимы резонанса для обоих случаев полностью идентичны;
фазовые частотные характеристики для обоих случаев также идентичны.
Режим резонанса можно создать также при параллельном соединении R, L и C (рис. 8а)). Такая цепь называется параллельным резонансным контуром . В этом случае условие резонанса удобнее сформулировать для мнимой части комплексной проводимости в виде
Следовательно, для параллельного контура возможны те же вариации параметров, что и для последовательного и выражения для них будут идентичным
900+
При изменении частоты питания изменяется только мнимая составляющая вектора комплексной проводимости Y , поэтому его конец перемещается на комплексной плоскости по прямой параллельной мнимой оси и проходящей через точку G=1/R , соответствующую вещественной составляющей проводимости (рис. 8 б)). При частоте резонанса модуль вектора минимален, а при стремлении частоты к нулю и бесконечности, его значение стремится к бесконечности. При этом угол сдвига фаз между током и напряжением j на входе контура стремится к 90° при w® 0 и к - 90° при w®µ .
Для параллельного соединения токи в отдельных элементах можно представить через проводимости и общее падение напряжения U в витщ
Пусть в режиме резонанса падение напряжения на входе контура равно U0, тогда токи в отдельных элементах будут
волновая или характеристическая проводимость контура. Как следует из выражений (17), при резонансе токи в реактивных элементах одинаковы, а входной ток равен току в резисторе R. Отношение Q=g /G называется добротностью, а величина обратная D=1/Q - затуханием параллельного резонансного контура. Таким образом, добротность равна отношению токов в реактивных элементах контура к току на входе или в резисторе. В электрических цепях добротность может достигать значений в несколько десятков единиц и во столько же раз токи в индуктивности и емкости будут превышать входной ток. Поэтому резонанс в параллельном контуре называется резонансом токов .
Падение напряжения на входе контура U при питании его от источника, обладающего свойствами источника тока и формирующего ток с действующим значением I, будет равно
