Файл: Лекция 2 по дисциплине " электротехника и электроника " тема 2 линейные электрические цепи постоянного тока.ppt

ЛЕКЦИЯ № 2
по дисциплине “ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА “
ТЕМА № 2: ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.


ЗАНЯТИЕ № ___: Линейные электрические цепи постоянного тока .


МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ кафедра электротехники, электроснабжения, автоматики и информационных технологий

Учебные вопросы:

Источники и потребители электрической энергии постоянного тока.
Идеальные источники напряжения (источники ЭДС) .
Эквивалентность различных представлений источника электрической энергии.
3.1. Метод эквивалентных преобразований.
3.2 Метод применения законов Кирхгофа.
3.3. Метод контурных токов.
3.4. Метод узлового напряжения (узловых потенциалов).
4. Основные сведения о нелинейных электрических цепях постоянного тока.


Литература:
Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002. — 638 с. — ISBN 5-8297-0026-3
Л. А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Москва, «Высшая школа», 1996


Официально считается опасным напряжение выше 12 вольт, при крайне неблагоприятных условиях воздействия тока (вода, соляные растворы, большая площадь контакта, продолжительное время воздействия) и более 42-х вольт в сухих помещениях, при нормальных условиях.


Разность потенциалов очень даже опасна и имеет значение куда она приложена. Достаточная величина напряжения может привести к сильному спазму определенной группы мышц со всеми вытекающими последствиями. Это активно используется в медицине. Вспомните ту же дефибриляцию. А по технике безопасности человека нужно доской отбивать от источника напряжения. Сам он не всегда сможет отойти от него. Наличие напряжения иногда пробуют тыльной стороной ладони, чтобы рука сама отдернулась при сокращении мышц-сгибателей, если напряжение все же присутствует.
Совпадение фазы переменного тока с биоритмами так же несет опасность. Классикой является опасность его совпадения с ритмами сердца и его остановка, либо наоборот, стимуляция. По мере повышения частоты тока значение опасного напряжения также повышается (при условии, что сила тока ниже безопасной границы). Опять таки, классика - привселюдная демонстрация Н. Теслой прохождение через тело человека напряжения в 300000 вольт (говорят и до 2-х миллионов доходило) без всякого для него вреда. Более того, лечение высокочастотным напряжением вошло в медицину и Тесла стал одним из основателей физиотерапии.

---

Т.е. опасным для жизни может стать любое напряжение, в зависимости от значения, места приложения, фазы, частоты и прочих условий. Действие силы тока - отдельная тема. Тот же эффект прогревания в физиотерапии ВЧ обуславливается именно силой тока. Тут есть 3 диапазона в порядке повышения значения: безопасный, смертельно опасный (физиологические значения) и воздействующий путем нагрева тканей (начиная от простого прогревания до сжигания и обугливания).


Безопасный - ток, который проходя через организм человека не только не причинит никакого вреда, но и человек даже не почувствует его, это ток у которого не более 50 мкА (50 Гц переменный ток) и постоянный ток 100 мкА.
Ощутимый человеком, но не приносящий ему вред для здоровья, это ток у которого 0,6-1,5 мА (50 Гц переменный ток) и постоянный ток 5-7 мА.
Пороговым или неотпускающим (ток, при котором человек не в состоянии сам разомкнуть цепь без посторонней помощи), это ток у которого 10-15 мА и постоянный ток 50-80 мА.
Фибрилляционный порог - это когда при прохождении через тело более 0,5 секунды ток сокращает сердечную мышцу, такое поражение в основном ведёт к летальному исходу, это ток у которого около 100 мА (50 Гц переменный ток) и постоянный ток 300 мА.


Вопрос некорректен, так как напряжение не несет опасности. Опасна для жизни величина тока, напряжение способствует пробиванию кожного покрова.
Безопасными для человека считаются переменный ток до 10 мА и постоянный - до 50 мА.
Если сила тока (мА)перем ток 50-60Гц:
0.6 - 1.5 -легкое дрожание рук
2 - 3 -Сильное дрожание пальцев рук
5 - 7 -Судороги в руках.
8 -10 -Руки с трудом, но еще можно оторвать от электродов.
20 - 25 -Руки парализуются немедленно, оторвать невозможно.
50 - 80 -Паралич дыхания. Начало трепетания желудочков сердца
90 - 100 -Паралич дыхания и сердца при воздействии более 0,1 с.
Смертельно опасным считается ток 25мА и боле.
при постоянном токе:
0.6 - 1.5 -Не ощущается
2 - 3 -Не ощущается
5 - 7 -3yд. Ощущение нагревания
8 -10 -Усиление нагревания
20 - 25 -Еще большее усиление нагревания, незначительное сокращение мышц рук
50 - 80 -Сильное ощущение нагревания. Сокращение мышц рук. Судороги. Затруднение дыхания
90 - 100 -Паралич дыхания


ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА


Электрическая цепь представляет собой совокупность электротехнических устройств, создающих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых описываются уравнениями с учетом понятий об электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом напряжении.

---

Основными элементами электрической цепи (рис. 1) являются источники и потребители электрической энергии. В качестве источников электрической энергии постоянного тока широко распространены генераторы постоянного тока и гальванические элементы. Источники электрической энергии характеризуются ЭДС Е, которую они развивают, и внутренним сопротивлением R0.


Вопрос 1. Источники и потребители электрической энергии постоянного тока


Потребителями электрической энергии являются резисторы, электрические двигатели, электролизные ванны, электрические лампы и т. д. В них электрическая энергия преобразуется в механическую, тепловую, световую и др.
В электрической цепи за положительное направление ЭДС Е принимается направление, совпадающее с силой, действующей на положительный заряд, т. е. от «-» источника к «+» источника питания.
За положительное направление напряжения U принято направление, совпадающее с направлением действия электрического поля, т. е. от «+» к «-» источника. За положительное направление тока I принято направление, совпадающее с перемещением положительных зарядов, т. е. от «+» к «-» источника.


В электрической цепи электродвижущая сила ЭДС источника может иметь одинаковое и противоположное направление с током.
В первом случае источник ЭДС работает в режиме генератора, т. е. является источником электрической энергии. При этом ЭДС Е оказывается большей напряжения на его зажимах (Е > U).
При направлении ЭДС Е в цепи противоположном току источник становится потребителем электрической энергии, т. е. он работает в режиме потребителя и при этом ЭДС Е оказывается меньше напряжения U на зажимах источника (Е < U) на величину внутреннего падения напряжения R0I. При расчетах электрических цепей реальные источники электрической энергии заменяются схемами замещения.
В теории цепей для представления источников электрической энергии используют две модели: идеальные источники напряжения и идеальные источники тока. С их помощью посредством схем замещения описывают реальные источники электрической энергии.

Вопрос 2. Идеальные источники напряжения (источники ЭДС)

Идеальный источник напряжения (синонимы - источник ЭДС, генератор ЭДС) представляет собой активный двухполюсник, вырабатывающий напряжение, которое не зависит от тока, протекающего через этот двухполюсник.

---

ЭДС - аббревиатура термина электродвижущая сила. В теории цепей рассматривают источники постоянной ЭДС и источники переменной ЭДС, изменяющейся во времени по определенному закону.
Источник ЭДС и его вольтамперная характеристика (ВАХ) показаны на рис. 2, а, б. На электрических схемах цепей с гальваническими элементами (батарейками, аккумуляторами) обычно используют особые обозначения для источников постоянной ЭДС (рис. 2, в). Если знаки «+» и «-» около полюсов такого элемента не расставлены, следует считать, что электрод, обозначенный длинной полосой, имеет более высокий («плюсовой») потенциал.


Напряжение между полюсами идеального источника напряжения появляется вследствие действия сторонней силы, которая переносит заряды внутри источника. Причем положительные заряды движутся от полюса с меньшим потенциалом к полюсу с большим потенциалом — от «-» к «+». Отрицательные заряды движутся в обратном направлении.
В условном обозначении источника ЭДС присутствует стрелка. Она играет роль опорного (условного положительного) направления для источника ЭДС.
Условились считать, что электродвижущая сила направлена туда, куда движутся внутри источника положительные заряды, - от «-» к «+». Во внешней цепи ток положительных зарядов направлен от вывода «плюс» источника ЭДС к выводу «-».
Перемещение единичного положительного заряда по цепи между этими полюсами сопровождается выполнением работы, численно равной напряжению, которое отсчитывается от «+» к «-».
Такую же работу совершает внутри источника электродвижущая сила.


Если направления отсчета напряжения и ЭДС выбраны так, как показано на рис. 2, а (стрелки направлены противоположно), то:
(3.1)
Если стрелки для ЭДС и напряжения на источнике направлены в одну сторону, следует пользоваться равенством:
(3.2)
При любом выборе опорных направлений ЭДС и напряжения расчет мгновенной мощности показывает, что для источника ЭДС она отрицательна (энергия отдается), а для подключенной к нему внешней цепи (например, для сопротивления R1 на рис. 2, а) — положительна.
Недопустимо рассматривать случай «закорачивания» источника ЭДС, поскольку такая ситуация противоречит положениям теории цепей: с одной стороны, между точками подключения идеально проводящего провода напряжение должно быть нулевым, а с другой стороны, поскольку эти точки являются полюсами источника ЭДС, оно обязано равняться значению ЭДС.

---

u(t) = -e(t).


u(t) = e(t).

Реальные источники напряжения

Напряжение на выводах реального источника электрической энергии уменьшается с увеличением тока. Вольтамперная характеристика такого источника (рис. 3, а) идет с наклоном. Данное обстоятельство можно учесть, включив последовательно с источником ЭДС сопротивление R0 (рис. 3, б). Его называют внутренним сопротивлением источника (генератора). При таком представлении напряжение на полюсах реального источника напряжения равно:
(3.3)
Оно, как видно, зависит от протекающего через источник тока - при постоянном сопротивлении R0 напряжение и линейно падает с ростом тока (предположение о неизменности R0, хотя и весьма условно, однако может быть принято для многих реальных источников.) Стоит отметить, что такой источник напряжения будет отдавать во внешнюю цепь мощность конечного значения при любой нагрузке, то есть при любом значении сопротивления R1. Его даже можно замкнуть накоротко.


u = e – iR0


Чтобы активные двухполюсники играли в устройствах роль источников ЭДС, их вольтамперные характеристики должны спадать слабо. То есть падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника (iR0) для любых протекающих в цепи токов должно быть существенно меньше его ЭДС. Это достигается при малости сопротивления R0 по сравнению с теми сопротивлениями, которые подключаются к полюсам источника.
___________________________________________________________
Пример
Сопротивление нового гальванического элемента (батарейки) с напряжением 1,5 В составляет доли Ом. Источник питания, составленный из нескольких таких батареек, вполне можно считать идеальным источником напряжения. Действительно, эквивалентное сопротивление нагрузки R1 устройств, рассчитанных на питание от такого источника, обычно составляет сотни Ом и более.

Идеальный и реальный источники тока

Идеальный источник или генератор тока — активный двухполюсник, ток протекающий через который не зависит от напряжения на его зажимах.
Обозначение источника тока на схеме с подключенной к нему нагрузкой (сопротивлением), а также вольтамперная характеристика для него представлены на рис. 4. Несложно показать, что мгновенная мощность, отдаваемая источником тока во внешнюю цепь, будет отрицательной - свойство, присущее активному элементу.


Положение о неизменности тока идеального источника при изменении напряжения на его полюсах справедливо, естественно, и для нулевого напряжения

---