Источники электрической энергии

Введение

В настоящее время специальные электротехнические дисциплины ставят перед курсом ТОЭ задачи расчёта и исследования процессов, характеризуемых токами, напряжениями, мощностями, магнитными потоками и т.д., а также задачи расчёта и исследования явлений, которые характеризуются напряжённостью электрического и индукцией магнитного полей, потоком мощности и т.д.Развитие электротехники потребовало больших работ в области изучения и разработки электромагнитных явлений и их практического применения.

Во всех современных электротехнических устройствах, предназначенных для различных технических цепей, происходят те или иные энергетические преобразования.

Широкое развитие получили общие вопросы теории электрических цепей, имеющие большое значение почти для всех прикладных отраслей электротехники.

В практической деятельности инженера основная трудность часто возникает на стадии составления математической модели для исследуемой электротехнической установки, поскольку одна и та же установка может иметь разные математические описания в зависимости от задачи исследования.

Существенно подчеркнуть, что теория электромагнитного поля оперирует с дифференциальными понятиями (уравнениями), которыми являются напряжённость электрического и магнитного полей, индукция магнитного поля, плотность тока, плотность энергии и т.д. Эти величины относятся к отдельным точкам среды или конструктивным деталям; они могут быть как постоянными, так и переменными. Для их исследования часто пользуются картиной электромагнитного поля. Наряду с этим значительной число электротехнических задач решается при помощи интегральных понятий, к которым относятся ток, напряжение, ЭДС, магнитный поток, мощность, энергия, сопротивление, ёмкость, индуктивность. При этом следует иметь в виду, что интегральные величины являются не менее обоснованными и показательными, чем дифференциальные. Так, они легче контролируются в конкретных установках, их применение значительно упрощает экспериментальные проверки. В качестве основы математического описания цепей применяются законы Ома и Кирхгофа.

Если в теории электрических цепей используется система алгебраических уравнений (при рассмотрении установившихся процессов) или дифференциальных (при рассмотрении переходных режимов), то в теории электромагнитного поля – дифференциальные уравнения в частных производных.

Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, предназначенных для распределения, взаимного преобразования и передачи электрической энергии и информации.

Электромагнитные процессы в цепи и её параметры могут быть описаны с помощью известных из курса физики интегральных понятий: ток, напряжение (U), заряд (q), магнитный поток (Ф), ЭДС (e), сопротивление (R), индуктивность (L), взаимная индуктивность (M).

В отличие от электрической цепи электромагнитные процессы в ряде электротехнических устройств характеризуются дифференциальными понятиями: вектор напряжённости электрического поля (E) и вектор электрического смещения (D), вектор напряжённости магнитного поля (H) и вектор магнитной индукции (B), вектор плотности тока (δ), удельная проводимость (γ). Анализ устройств, процессы в которых описываются с помощью дифференциальных понятий, рассматривают в теории электромагнитного поля.

Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определённые функции и называемых элементами цепи.

Основными элементами цепи являются источники (генераторы) и приёмники (нагрузка) электрической энергии.

По назначения различают электрические цепи для передачи и преобразования электрической энергии и электрические цепи для передачи и преобразования информации.

Раздел 1

Основные понятия и элементы линейных пассивных электрических цепей

Электрический ток и напряжение - основные величины, характеризующие состояние электрических цепей.

Электрический ток в проводнике есть упорядоченное перемещение электрических зарядов. Носителями заряда в металлах являются электроны, в плазме и электролите – ионы. В полупроводниках носителями заряда являются также дефекты электронных оболочек ядер кристаллической решётки – «дырки». Функционально они эквивалентны положительным зарядам.

Наличие электрического тока проявляется в виде трёх эффектов:

• в окружающей среде возникает магнитное поле;

• проводник, по которому протекает ток, нагревается;

• в проводниках с ионной проводимостью возникает перенос вещества.

Ток оценивают интенсивностью или силой тока, измеряемой скоростью изменения заряда во времени:

, [А] = Кл/с

Задавая ток, необходимо указать закон его изменения во времени и положительное направление. После расчёта режима работы цепи некоторые значения тока могут получиться отрицательными. Это означает, что действительное направление тока противоположно выбранному. Прохождение электрического тока по цепи связано с потреблением энергии. По характеру изменения во времени электрический ток разделяют на постоянный и переменный. Последний, в свою очередь, бывает синусоидальным и несинусоидальным.

Напряжением называют количество энергии, затрачиваемой на перемещение единицы заряда из одной точки в другую либо равно работе, затраченной на перемещение заряжённых частиц по участку электрической цепи, к величине перемещённого заряда:

Перед расчётом необходимо указать положительные направления напряжений на элементах.

Источники электрической энергии

Электродвижущая сила. Движение носителей зарядов в электрической цепи, как всякое движение требует передачи энергии движущимся объектам. Если на некотором участке цепи заряжённые частицы получают энергию, то принято говорить, что на этом участке действует сила, приводящая их в движение, т.е. электродвижущая сила (ЭДС).

Источником энергии для получения ЭДС могут быть различные физические явления, при которых возникает воздействие на заряжённые частицы – химические, тепловые, электромагнитные и др. процессы. Численно ЭДС равна работе по перемещению единичного заряда на участке её действия т.е. равна U.

Источник ЭДС – элемент с двумя выводами, электродвижущая сила которого, изменяясь заданным образом во времени, не зависит от величины тока отдаваемого во внешнюю электрическую цепь.

Источник тока – элемент цепи, по выводам которого протекает ток с заданным законом изменения во времени и не зависящим от напряжения между выводами.

а) б)

в) г)

Рис.1.1. Идеальные источники электрической энергии. а) источник ЭДС; б) ВАХ идеальной ЭДС; в) источник тока; г) ВАХ идеального источника тока