Здесь I – ток, протекающий через нагрузку;

Jкз = E/r0 – ток короткого замыкания источника  ЭДС; 

I0 = U/r0  – ток, протекающий через внутреннее сопротивление.

Отсюда  можно заключить, что  I0 = Jкз — I   или I = Jкз — I0, то есть получили внешнюю характеристику источника тока.

Следовательно, схему источника  ЭДС можно заменить схемой источника тока при условии, что ток короткого замыкания источника и внутренняя проводимость определятся выражениями:

В свою очередь, схему источника тока можно заменить схемой источника  ЭДС при условии, что внутреннее сопротивление и э.д.с. источника определятся выражениями:

Мощность источника ЭДС определяется произведением электродвижущей силы источника и тока в нагрузке

Мощность источника тока определяется произведением тока короткого замыкания и напряжения на зажимах источника:

Вторичный источник питания полупроводникового электропривода

Все статьи цикла

Введение

В предыдущей статье [4] показано, что в электроприводе постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем (ШИП), выполняющим функцию силового регулятора, и выпрямителем с емкостным фильтром, выполняющим функцию вторичного источника питания (ВИП), энергетические процессы в ВИП зависят от структуры и параметров замкнутого электропривода.

В частности, в одноконтурном электроприводе, работающем в генераторном режиме, механическая энергия вала накапливается в конденсаторе фильтра либо рассеивается в специальной цепи сброса энергии. Аналогично ведут себя системы переменного тока с автономным инвертором напряжения (АИН) в качестве силового полупроводникового преобразователя.

В системах маломощных (приблизительно до 500 Вт) отмеченные особенности обычно не приводят к существенным ухудшениям энергетических характеристик. В системах большей мощности применение в ВИП выпрямителя, даже снабженного цепью сброса энергии, не обеспечивает генераторного режима работы как при переходных процессах, так и, тем более, в установившихся режимах работы. Универсальное решение для обеспечения всех режимов работы исполнительной машины в электроприводе и улучшения энергетических характеристик систем реализуется путем использования сетевого инвертора. Основное достоинство сетевого инвертора в системе электропривода — это его способность рекуперировать энергию в сеть переменного тока.

Расчетная схема подсистемы электропривода «сеть — вторичный источник питания — силовой полупроводниковый преобразователь — электрическая машина»

В значительном числе применений первичным источником питания в электроприводе является сеть переменного тока. В этом случае широтно-импульсные преобразователи и автономные инверторы (ШИП, АИН) запитываются от вторичных источников питания (ВИП). К этим ВИП, кроме обычных требований, предъявляются специфические требования, которые обусловлены необходимостью управлять запасенной (иногда генерируемой) механической системой кинетической или потенциальной энергией.

Полупроводниковые преобразователи со звеном постоянного тока (ШИП, АИН) с широтно-импульсными алгоритмами управления обладают способностью передавать энергию как от звена постоянного тока к исполнительной машине, так и от машины к звену постоянного тока, то есть такие преобразователи обладают двусторонней управляемой энергетической связью. Для реализации двусторонней энергетической связи между звеном постоянного тока и сетью используется, как это было отмечено выше, сетевой инвертор.

Расчетная схема подсистемы, включающая вторичный источник питания и силовой преобразователь с электрической машиной, представлена на рис. 1.

В этой схеме силовой преобразователь вместе с машиной приведен к звену постоянного тока и заменен пассивной R, L нагрузкой и управляемым источником ЭДС Е. Такая замена справедлива и для систем постоянного тока с ШИП, и для систем переменного тока с АИН. На выходе ВИП всегда включается конденсатор фильтра. Дифференциальное уравнение для определения тока нагрузки имеет вид:

Если электрическая машина, включенная на выходе преобразователя, работает в двигательном режиме, то напряжение U_d на конденсаторе фильтра превышает противо-ЭДС E(t) и ток в нагрузке положительный, а энергия направлена от сети к машине. Если электрическая машина, включенная на выходе преобразователя, работает в генераторном режиме, то противо-ЭДС E(t) превышает напряжение U_d на конденсаторе фильтра, ток в нагрузке отрицательный, а энергия направлена от машины к сети. Полупроводниковый преобразователь ВИП в этом случае должен создавать пути для протекания отрицательного тока нагрузки во избежание нарастания напряжения на конденсаторе выше допустимого. Динамика электропривода в уравнении (1) определяет поведение противо-ЭДС E(t). Однако для энергетических характеристик преобладают установившиеся процессы. Другими словами, если в установившихся режимах (двигательном или генераторном) ВИП обеспечивает передачу энергии между источником переменного тока и исполнительной электрической машиной, то и в переходных режимах работы электропривода двусторонняя передача энергии будет обеспечена, а напряжение на конденсаторе не изменится.

Описания электромагнитных процессов в трехфазных системах переменного тока значительно упрощаются при использовании метода результирующего вектора [3, 4].

Результирующий вектор напряжения питающей сети находится из уравнения:

Величины, входящие в уравнение, определяются из выражений:

Согласно уравнению (2), результирующий вектор напряжения сети вращается в комплексной плоскости с угловой скоростью ω₁ = 2πf₁.

Результирующий вектор напряжения сети может быть представлен в следующих декартовых системах координат:

1. В неподвижных координатах, которые обозначаются через α и β, причем ось α совмещается с действительной осью комплексной плоскости, а ось β — с мнимой.
2. Во вращающейся с синхронной скоростью ω₁ = 2πf₁ системе координаты — x, y (x — вещественная ось, y — мнимая ось).

Рассмотрим взаимное преобразование результирующего вектора в рассмотренных системах координат.

Математическая основа преобразования поясняется на рис. 2.

В неподвижной системе координат (а, в) вектор напряжения может быть представлен в алгебраической и показательной форме:

Аналогично в системе вращающихся координат ( x, y) тот же самый вектор может быть представлен в виде:

Отсюда легко получить уравнения перехода от неподвижной системы координат (α, β) к вращающейся (x, y) и наоборот:

Преобразование двухфазной неподвижной системы координат в трехфазную осуществляется в соответствии с выражениями:

Аналогичные преобразования осуществляются для трехфазного тока в источнике питания и первой гармоники ЭДС на выходе трехфазного инвертора.

При анализе и синтезе трехфазных систем переменного тока преобразование координат реализуется аппаратными и программными средствами в системе управления.

Рассмотрим электромагнитные и энергетические процессы в инверторе (рис. 1), подключенном к питающей сети в синхронно вращающейся системе координат x, y. Здесь инвертор с одной стороны подключен к сети с напряжением U₁, с другой — к цепи с напряжением U_d. Принципиальным свойством этой схемы является постоянство величины напряжения сети U₁.

Сам инвертор представлен преобразователем, который по отношению к сети переменного тока генерирует результирующий вектор ЭДС, первая гармоника этой ЭДС равна:

где μ₁ — коэффициент модуляции, φ_1мод — фаза напряжения модуляции по отношению к напряжению сети.

Уравнение, составленное по второму закону Кирхгоффа, для схемы (рис. 1) запишется в виде

где E₀₁, U₁, I₁ — результирующие векторы ЭДС на выходе инвертора, напряжения и тока сети.

По отношению к сети переменного тока инвертор может работать и как генератор активной мощности (инвертор), и как потребитель активной мощности (активный выпрямитель). При этом активная мощность в сети определяется уравнением:

где x₁ = 2πf₁L₁, L₁ — индуктивность на входе инвертора, m₁ — число фаз.

Из уравнения (11) следует, что при φ_1мод ≥ 0 инвертор генерирует в сеть активную мощность. При φ_1мод ≤ 0 инвертор потребляет из сети активную мощность. При φ_1мод = 0 вся система работает в режиме холостого хода.

Реактивная мощность, потребляемая инвертором, определяется уравнением:

В зависимости от знака в скобках (12) инвертор может потреблять реактивную (индуктивную) или реактивную (емкостную) мощность.

Векторные диаграммы всех возможных режимов работы системы представлены на рис. 3. На векторных диаграммах в качестве базового вектора принят результирующий вектор напряжения сети U₁ = 2/3( u_A + au_B + U²u_C), направленный по оси y.

Рассмотрим векторные диаграммы, показанные на рис. 3.

Активная и реактивная мощность в системе определяются уравнениями:

Если I_1Y 1Y > 0, то инвертор потребляет активную мощность из сети (активный выпрямитель).

В обоих режимах работы инвертор потребляет из сети реактивную (емкостную) мощность до тех пор, пока I_1X 1X > 0 инвертор потребляет из сети реактивную (индуктивную) мощность.

Таким образом, для раздельного, независимого регулирования активной и реактивной мощности необходимо организовать векторное управление инвертором с отрицательной обратной связью по току в синхронно вращающейся системе координат (x, y), связанной с результирующим вектором напряжения сети, тогда проекция тока I_1Y определит активную мощность сети, а проекция I_1X— реактивную.

Основной задачей управления ВИП в замкнутом электроприводе является стабилизация напряжения на конденсаторе фильтра в звене постоянного тока. В качестве дополнительной задачи обычно выдвигается требование поддержания коэффициента мощности равным единице. Модель, которая позволяет исследовать энергетические характеристики сетевого инвертора при заданном стабилизированном напряжении в звене постоянного тока и раздельном управлении по проекциям тока в сети I_x и I_y, представлена на рис. 4.

Разработка модели ВИП в замкнутом электроприводе осуществлялась при использовании структурно-функциональных (пакет Simulink) и виртуальных (пакет расширения SimPowerSystems) моделей [10, 11]. Каждый блок пакетов Simulink и SimPowerSystems имеет окно настройки основных параметров. Библиотеки, названия, пиктограммы и параметры блоков представлены в таблице 1. В блоке x, y — ABC (рис. 4) осуществляется преобразование из вращающейся системы координат (x, y) в неподвижные А, В, С в соответствии с уравнениями (7, 8). В блок Hist_Control включены три релейных регулятора, реализующие «токовый коридор» в инверторе. Для того чтобы сетевой инвертор не потреблял реактивной мощности, ток по оси x (I_x) задается равным нулю.

Для стабилизации напряжения в звене постоянного тока сетевого инвертора контур регулирования тока по оси y строится как подчиненный контуру стабилизации напряжения, в котором используется ПИД-регулятор. В рассматриваемом модельном эксперименте ток нагрузки в течение времени моделирования изменяется за счет изменения противо-ЭДС.

Модель подсистемы, обозначенной как xy_ ABC, в которой осуществляется преобразование синхронно вращающейся системы координат x, y в неподвижную систему координат, и задающей токи в фазах A, B, C инвертора, показана на рис. 5. Она содержит библиотечные блоки, которые приведены в таблице 2. Подсистема Hit_Control представляет собой релейные регуляторы, модель этой подсистемы показана на рис. 6, а параметры помещены в таблицу 2.

Модель измерительной подсистемы Subsystem показана на рис. 7. В модели используются рассмотренные выше входные и выходные порты и два блока гармонического анализа из библиотеки SimPowerSystems Extras Measurement.

На рис. 8 представлены квазиустановившиеся процессы в системе, когда ток на выходе ВИП изменяется по трапецеидальному закону. В этом случае на временном интервале, где ток нагрузки постоянен, имеет место установившийся режим работы системы (двигательный при положительном токе, генераторный — при отрицательном). На временном интервале, где ток меняется по линейному закону, имеет место переходный режим работы системы. Таким образом, при трапецеидальном токе в нагрузке ВИП можно исследовать как переходные, так и установившиеся режимы работы системы. Результаты моделирования показывают, что напряжение на конденсаторе при рассмотренных квазиустановившихся режимах работы системы изменяется незначительно.

Электромагнитные характеристики в установившемся режиме работы системы показаны на рис. 9. Для получения электромагнитных характеристик во всем диапазоне изменения тока нагрузки ВИП в модели в блоке Repeating Sequence формируется линейно изменяющийся сигнал. При этом скорость изменения этого сигнала подбирается такой, чтобы составляющей L(di_H/dt) по сравнению с Ri_H в уравнении (1) можно было пренебречь, чем и достигается установившийся режим работы ВИП при различном токе нагрузки. Для построения основных характеристик представленных на рис. 9 служит программа, помещенная в листинге 1.

При этом отрицательный ток соответствует генераторному режиму работы системы, а положительный ток — двигательному.

Характеристики (рис. 9), полученные на модели, показывают, что ток I₁ в сети увеличивается при росте тока нагрузки ВИП0 как в двигательном, так и в генераторном режиме работы системы электропривода. Потребление энергии из сети или рекуперация энергии в сеть определяется фазой тока относительно напряжения. В генераторном режиме фаза тока относительно напряжения равна 180°, а в двигательном — 0°.

Внешняя характеристика ВИП, представляющая собой зависимость напряжения на его выходе от тока на выходе, достаточно жесткая при изменении тока в нагрузке (рис. 9).

Программа для построения энергетических характеристик представлена в листинге 2.

Энергетические характеристики системы, полученные на модели, представлены на рис. 10.

Положительная активная мощность на входе и выходе ВИП соответствует режиму передачи энергии из сети в нагрузку (режим выпрямителя), отрицательная — режиму рекуперации энергии в сеть. Потери мощности в инверторе определяются значением Р2 при Р1 = 0. Ток в питающей сети и его спектр в режиме активного выпрямителя показаны на рис. 11.

Дайте определение идеальным источником напряжения и тока

Как и в случае идеальных пассивных элементов, при идеализации активных элементов (источник напряжения, источник тока) на них накладывают энергетические ограничения. Первое ограничение заключается в том, что в идеальных активных элементах не происходит ни рассеяния, ни накопления электрической энергии. Второе ограничение состоит в том, что идеальные активные элементы обладают неограниченной мощностью, которую они могут отдавать в электрическую цепь.

Идеальным источником напряжения называют активный элемент, напряжение на зажимах которого не зависит от параметров цепи, подключенной к нему, т.е. не зависит от величины тока, протекающего через источник.

Условное графическое обозначение идеального источника напряжения показано на рис.1.15. Его выполняют в виде окружности (обычно диаметром 8 мм), внутри которой располагается стрелка, указывающая положительное направление ЭДС . На зажимах источника возникает напряжение .

Рис. 1.15. Условное графическое изображение идеального источника напряжения

В соответствии с определением идеального источника напряжения, он имеет внутреннее сопротивление и обладает бесконечной мощностью. Так, если сопротивление нагрузки на зажимах источника ,то его ток ( ), а напряжение источника остается равным , что и приводит к бесконечно большой величине мощности , которой не может обладать реальный источник напряжения.

Идеальным источником тока называется идеализированный активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Условное обозначение идеального источника тока показано на рис.1.16. Двойная стрелка (рис. 1.16,а) показывает направление тока внутри источника.

В соответствии с определением идеального источника тока, он обладает бесконечной мощностью и имеет внутреннее сопротивление . Так, если сопротивление нагрузки

(рис. 1.16,б) неограниченно увеличивать ( ), то по определению, через нее должен проходить ток i, создавая на зажимах напряжение и мощность будет неограниченно увеличиваться ( ).

Рис. 1.16. Идеальный источник тока:

а – условное графическое изображение;

б – подключение нагрузки к источнику тока

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Электротехника связывает природу электричества со строением вещества и объясняет его движением свободных заряженных частиц под воздействием энергетического поля.

Для того чтобы электрический ток протекал по цепи и совершал работу, необходимо иметь источник энергии, совершающий преобразование в электричество:

механической энергии вращения роторов генераторов;

протекания химических процессов или реакций внутри гальванических приборов и аккумуляторов;

теплоты в терморегуляторах;

магнитных полей в магнитогидродинамических генераторах;

световой энергии в фотоэлементах.

Все они обладают различными характеристиками. Чтобы классифицировать и описать их параметры принято условное теоретическое разделение на источники:

Электрический ток в металлическом проводнике

Определение силы тока и электродвижущей силы в 18-м веке дали известные физики того времени.

Им считается идеальный источник, представляющий собой двухполюсник, на зажимах которого электродвижущая сила (и напряжение) всегда поддерживается постоянным значением. На него не влияет нагрузка сети, а внутреннее сопротивление у источника равно нулю.

На схемах он обычно обозначается кругом с буквой «Е» и стрелкой внутри, показывающей положительное направление ЭДС (в сторону увеличения внутреннего потенциала источника).

Схемы обозначения и вольт-амперные характеристики источников ЭДС

Теоретически на выводах у идеального источника напряжение не зависит от величины тока нагрузки и является постоянной величиной. Однако, это условная абстракция, которая не может быть осуществлена на практике. У реального источника при увеличении тока нагрузки значение напряжения на зажимах всегда уменьшается.

На графике видно, что ЭДС Е состоит из суммы падений напряжения на внутреннем сопротивлении источника и нагрузке.

В действительности источниками напряжения работают различные химические и гальванические элементы, аккумуляторные батареи, электрические сети. Их разделяют на источники:

постоянного и переменного напряжения;

управляемые напряжением или током.

Ими называют двухполюсники, создающий ток, который является строго постоянной величиной и никак не зависит от значения сопротивления на подключенной нагрузке, а внутреннее сопротивление его приближается к бесконечности. Это тоже теоретическое допущение, которое на практике не может быть достигнуто.

Схемы обозначения и вольт-амперная характеристика источника тока

Для идеального источника тока напряжение на его клеммах и мощность зависят только от сопротивления подключенной внешней схемы. При этом с увеличением сопротивления они возрастают.

Реальный источник тока отличается от идеального значением внутреннего сопротивления.

Примерами источника тока могут служить:

Вторичные обмотки трансформаторов тока, подключенных в первичную схему нагрузки своей силовой обмоткой. Все вторичные цепи работают в режиме надежного шунтирования. Размыкать их нельзя — иначе возникнут перенапряжения в схеме.

Катушки индуктивности, по которым проходил ток в течение некоторого времени после снятия питания со схемы. Быстрое отключение индуктивной нагрузки (резкое возрастание сопротивления) может привести к пробою зазора.

Генератор тока, собранный на биполярных транзисторах, управляемый напряжением или током.

В различной литературе источники тока и напряжения могут обозначаться неодинаково.

Виды обозначений источников тока и напряжения на схемах

Как и в случае идеальных пассивных элементов, при идеализации активных элементов (источник напряжения, источник тока) на них накладывают энергетические ограничения. Первое ограничение заключается в том, что в идеальных активных элементах не происходит ни рассеяния, ни накопления электрической энергии. Второе ограничение состоит в том, что идеальные активные элементы обладают неограниченной мощностью, которую они могут отдавать в электрическую цепь.

Идеальным источником напряжения называют активный элемент, напряжение на зажимах которого не зависит от параметров цепи, подключенной к нему, т.е. не зависит от величины тока, протекающего через источник.

Условное графическое обозначение идеального источника напряжения показано на рис.1.15. Его выполняют в виде окружности (обычно диаметром 8 мм), внутри которой располагается стрелка, указывающая положительное направление ЭДС . На зажимах источника возникает напряжение .

Рис. 1.15. Условное графическое изображение идеального источника напряжения

В соответствии с определением идеального источника напряжения, он имеет внутреннее сопротивление и обладает бесконечной мощностью. Так, если сопротивление нагрузки на зажимах источника ,то его ток ( ), а напряжение источника остается равным , что и приводит к бесконечно большой величине мощности , которой не может обладать реальный источник напряжения.

Идеальным источником тока называется идеализированный активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Условное обозначение идеального источника тока показано на рис.1.16. Двойная стрелка (рис. 1.16,а) показывает направление тока внутри источника.

В соответствии с определением идеального источника тока, он обладает бесконечной мощностью и имеет внутреннее сопротивление . Так, если сопротивление нагрузки

(рис. 1.16,б) неограниченно увеличивать ( ), то по определению, через нее должен проходить ток i, создавая на зажимах напряжение и мощность будет неограниченно увеличиваться ( ).

Рис. 1.16. Идеальный источник тока:

а – условное графическое изображение;

б – подключение нагрузки к источнику тока

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Билет № 14. Работа и мощность в цепи постоянного тока — Студопедия

Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

работа тока: А = Ult, или А = I²R t = U²/R • t.

Мощность, по определению, N = A/t, следова­тельно, N = UI = I² R = U²/R.

законом Джоуля—Ленца и чи­тается так. При прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы, тока, со­противлению проводника и времени прохождения тока.

Q = I²Rt.

Ис­точник тока характеризуется энергетической харак­теристикой, которая называется ЭДС — электродви­жущая сила источника. ЭДС — характеристика источника энергии неэлектрической природы в электрической цепи, необходимого для поддержания в ней электрического тока. ЭДС измеряется отноше­нием работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к этому за­ряду ЭДС= A_ст/q

ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: I = ЭДС/(R + r)., законом Ома для полной цепи и читается так. Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

Билет № 15

Магнитное поле, условия его существования. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие. Магнитная индукция

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропус­кании электрического тока через проводник, нахо­дящийся около нее (рис.19).Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одну сторону, и отталкивание, если токи текут в разные стороны (рис. 20). Явление взаимодействия токов Ампер назвалэлектродинамическим взаимодейст­вием.

Магнит­ное поле — особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого переменного электри­ческого поля.

Магнитное поле всегда порождается перемен­ным электрическим, и, наоборот, переменное элек­трическое поле всегда порождает переменное магнит­ное поле.

Магнитное поле без электрического не существу­ет, так как носителей магнитного поля нет.

Магнитное поле является силовым полем. Си­ловой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В).Магнитная индукция — это векторная физическая величина, равная макси­мальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. В = F/II. Единич­ный элемент тока — это проводник длиной 1 м и си­лой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла. 1 Тл = 1 Н/А • м.

. Для графического изображения магнитных полей вводятсясиловые линии, илилинии индукции, —это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. На­правление силовых линий находится по правилу бу­равчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий.

Как установил Ампер, на проводник с током, по­мещенный в магнитное по­ле, действует сила. Сила, действующая со стороны, магнитного поля на провод­ник с током, прямо пропор­циональна силе тока. длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной со­ставляющей вектора магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записы­вается так: F_a = ПВ sin α.

Направление силы Ампера определяют по пра­вилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогну­тый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера В = В sin α.

Билет № 16

Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы

Полупроводники — это вещества, удельное со­противление которых убывает с повышением темпе­ратуры, наличия примесей, изменения освещен­ности. По этим свойствам они разительно отличают­ся от металлов. Обычно к полупроводникам относят­ся кристаллы, в которых для освобождения электро­на требуется энергия не более 1,5 — 2 эВ. Типичны­ми полупроводниками являются кристаллы герма­ния и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью.. При нагревании полупроводников их атомы ионизируют­ся. Освободившиеся электроны не могут быть захва­чены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действи­ем внешнего электрического поля могут перемещать­ся в кристалле, создавая ток проводимости.

Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как пе­ремещение положительного заряда, называемого «дыркой». При помещении кристалла в электриче­ское поле возникает упорядоченное движение «ды­рок» — ток дырочной проводимости.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип про­водимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводни­ков увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают до-норные и акцепторные.Донорная примесь — это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электрон­ной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью п = 4 донорной примесью является мышьяк с валент­ностью п = 5. Каждый атом примеси мышьяка при­ведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь — это примесь с мень­шей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «ды­рок». Проводимость будет «дырочной», а полупро­водник называют полупроводником p-типа. Напри­мер, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупровод­никовых приборов основан на свойствах р-п перехо­да.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС И МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА ТОКА — Мегаобучалка

ЧИПС, филиал УрГУПС

Кафедра ЕНД

Работа 20

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Студенты

Группа

Преподаватель

Дата

Челябинск

Цель работы: определить положение эквипотенциальных поверхностей и силовых линий электростатического поля методом моделирования, рассчитать напряженность поля.

Оборудование: лист металлической фольги с координатной сеткой и электродами, источник питания ВСП-33, мультиметр, зонд.

РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Электростатическое поле – это форма материи, проявляющая себя в воздействии на электрические заряды. Электростатическое поле создается:

Силовой характеристикой поля является напряженность. Это вектор, определяемый …

Энергетической характеристикой электростатического поля является потенциал. По определению он равен …

Между двумя характеристиками поля, напряженностью и потенциалом существует связь:

Электростатическое поле для наглядности изображают графически с помощью силовых и эквипотенциальных линий. Это линии, …

Приближенно по расположению эквипотенциальных линий напряженность можно рассчитать по формуле:

Е=

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Расчет напряженности Е=…………………..

Оценка погрешности измерения напряженности δЕ=

ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

ЧИПС, филиал УрГУПС

Кафедра ЕНД

Работа 21

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС И МОЩНОСТИ ИСТОЧНИКА ТОКА

Студенты

Группа

Преподаватель

Дата

Челябинск

Цель работы: определить ЭДС источника постоянного тока методом компенсации, определить полезную мощность и КПД в зависимости от сопротивления нагрузки.

Оборудование: исследуемый источник тока, источник стабилизированного напряжения, магазин сопротивления, миллиамперметр, гальванометр.

РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Источники тока – это устройства, в которых происходит преобразование различных видов энергии в………

Характеристикой источника тока является ………… По определению она равна отношению ………………..

Рассмотрим электрическую цепь из источника тока с внутренним сопротивлением r, замкнутого на нагрузку сопротивлением R. По закону сохранения энергии работа сторонних силпревращается ……… согласно уравнению ……………………… Откуда получим закон Ома для замкнутой цепи в виде:

В компенсационном методе измерения ЭДС с помощью регулятора блока питания БП напряжение на магазине сопротивлений R подбирают точно равным …………….. Тогда ЭДС источника будет равна ………..

Полезная мощность источника тока – это тепловая мощность, выделяемая на нагрузке. По закону Джоуля – Ленца ……………………………

Подставив силу тока согласно закону Ома, получим формулу полезной мощности:

Работа источника тока характеризуется коэффициентом полезного действия. Это, по определению ……

Формула для КПД источника тока имеет вид:

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

ЭДС

Примеррасчета ЭДС Е = JR =

Среднее значение ЭДС <Е> =

Оценка случайной погрешности измерения ЭДС источника =

Результат измерения ЭДС Е =………±……….В Р = 90%.

Пример расчета: полезной мощности: Р_пол =J ²R =

полной мощности Р_затр = <Е>J= КПД η

Выводы.

ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

ЧИПС, филиал УрГУПС

Кафедра ЕНД

Работа 22

Электродвижущая сила — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу раздела вы сможете:

• Опишите электродвижущую силу (ЭДС) и внутреннее сопротивление батареи
• Объясните основную работу аккумулятора

Если вы забыли выключить автомобильные фары, они постепенно тускнеют по мере разрядки аккумулятора. Почему они не мигают внезапно, когда батарея разряжена? Их постепенное затемнение означает, что выходное напряжение батареи уменьшается по мере разряда батареи.Причина снижения выходного напряжения для разряженных батарей заключается в том, что все источники напряжения состоят из двух основных частей — источника электрической энергии и внутреннего сопротивления. В этом разделе мы исследуем источник энергии и внутреннее сопротивление.

Введение в электродвижущую силу

Voltage имеет множество источников, некоторые из которых показаны на (Рисунок). Все такие устройства создают разность потенциалов и могут подавать ток, если подключены к цепи. Особый тип разности потенциалов известен как электродвижущая сила (ЭДС).ЭДС — это вовсе не сила, но термин «электродвижущая сила» используется по историческим причинам. Он был изобретен Алессандро Вольта в 1800-х годах, когда он изобрел первую батарею, также известную как гальваническая батарея. Поскольку электродвижущая сила не является силой, принято называть эти источники просто источниками ЭДС (произносимыми буквами «ee-em-eff»), а не источниками электродвижущей силы.

Разнообразные источники напряжения. а) ветряная электростанция Бразос в Флуванна, штат Техас; (б) Красноярская плотина в России; (c) солнечная ферма; (d) группа никель-металлогидридных батарей.Выходное напряжение каждого устройства зависит от его конструкции и нагрузки. Выходное напряжение равно ЭДС только при отсутствии нагрузки. (кредит a: модификация работы Стига Найгаарда; кредит b: модификация работы «vadimpl» / Wikimedia Commons; кредит c: модификация работы «The tdog» / Wikimedia Commons; кредит d: модификация работы «Itrados» / Wikimedia Commons)

Если электродвижущая сила вовсе не сила, то что такое ЭДС и что является источником ЭДС? Чтобы ответить на эти вопросы, рассмотрим простую схему лампы 12 В, подключенной к батарее 12 В, как показано на (Рисунок).Батарею можно смоделировать как устройство с двумя выводами, которое поддерживает один вывод с более высоким электрическим потенциалом, чем второй вывод. Более высокий электрический потенциал иногда называют положительной клеммой и обозначают знаком плюс. Клемму с более низким потенциалом иногда называют отрицательной клеммой и обозначают знаком минус. Это источник ЭДС.

Источник ЭДС поддерживает на одном выводе более высокий электрический потенциал, чем на другом выводе, действуя как источник тока в цепи.

Когда источник ЭДС не подключен к лампе, нет чистого потока заряда внутри источника ЭДС. Как только батарея подключена к лампе, заряды перетекают от одной клеммы батареи через лампу (в результате чего лампа загорается) и обратно к другой клемме батареи. Если мы рассмотрим протекание положительного (обычного) тока, положительные заряды покидают положительный вывод, проходят через лампу и попадают в отрицательный вывод.

Положительный ток используется для большей части анализа схем в этой главе, но в металлических проводах и резисторах наибольший вклад в ток вносят электроны, протекающие в направлении, противоположном положительному потоку тока.Поэтому более реалистично рассмотреть движение электронов для анализа схемы на (рисунок). Электроны покидают отрицательную клемму, проходят через лампу и возвращаются к положительной клемме. Чтобы источник ЭДС поддерживал разность потенциалов между двумя выводами, отрицательные заряды (электроны) должны перемещаться с положительного вывода на отрицательный. Источник ЭДС действует как накачка заряда, перемещая отрицательные заряды от положительного вывода к отрицательному для поддержания разности потенциалов.Это увеличивает потенциальную энергию зарядов и, следовательно, электрический потенциал зарядов.

Сила, действующая на отрицательный заряд от электрического поля, действует в направлении, противоположном электрическому полю, как показано на (Рисунок). Чтобы отрицательные заряды переместились на отрицательный вывод, необходимо провести работу с отрицательными зарядами. Для этого требуется энергия, которая возникает в результате химических реакций в батарее. Потенциал поддерживается высоким на положительной клемме и низким на отрицательной клемме, чтобы поддерживать разность потенциалов между двумя клеммами.ЭДС равна работе, выполняемой над зарядом на единицу заряда при отсутствии тока. Поскольку единицей работы является джоуль, а единицей заряда — кулон, единицей измерения ЭДС является

Напряжение на клеммах батареи — это напряжение, измеренное на клеммах батареи, когда к клемме не подключена нагрузка. Идеальная батарея — это источник ЭДС, который поддерживает постоянное напряжение на клеммах, независимо от тока между двумя клеммами. Идеальная батарея не имеет внутреннего сопротивления, а напряжение на клеммах равно ЭДС батареи.В следующем разделе мы покажем, что у реальной батареи есть внутреннее сопротивление, а напряжение на клеммах всегда меньше, чем ЭДС батареи.

Происхождение потенциала батареи

ЭДС батареи определяется сочетанием химических веществ и составом выводов батареи. Свинцово-кислотные аккумуляторы, используемые в автомобилях и других транспортных средствах, представляют собой одну из наиболее распространенных комбинаций химических веществ. (Рисунок) показывает одну ячейку (одну из шести) этой батареи. Катодная (положительная) клемма ячейки соединена с пластиной из оксида свинца, а анодная (отрицательная) клемма подключена к свинцовой пластине.Обе пластины погружены в серную кислоту, электролит для системы.

Химические реакции в свинцово-кислотном элементе разделяют заряд, отправляя отрицательный заряд на анод, который соединен со свинцовыми пластинами. Пластины из оксида свинца подключаются к положительному или катодному выводу ячейки. Серная кислота проводит заряд, а также участвует в химической реакции.

Небольшое знание того, как взаимодействуют химические вещества в свинцово-кислотной батарее, помогает понять потенциал, создаваемый батареей.(Рисунок) показывает результат единственной химической реакции. На аноде помещаются два электрона, что делает его отрицательным, при условии, что катод питает два электрона. Это оставляет катод положительно заряженным, потому что он потерял два электрона. Короче говоря, разделение заряда было вызвано химической реакцией.

Обратите внимание, что реакция не происходит, если нет полной цепи, позволяющей подавать два электрона на катод. Во многих случаях эти электроны выходят из анода, проходят через сопротивление и возвращаются на катод.Также обратите внимание, что, поскольку в химических реакциях участвуют вещества, обладающие сопротивлением, невозможно создать ЭДС без внутреннего сопротивления.

В свинцово-кислотной батарее два электрона вытесняются на анод элемента, а два электрона удаляются с катода элемента. В результате химической реакции в свинцово-кислотной батарее два электрона помещаются на анод и два электрона удаляются с катода. Для продолжения требуется замкнутая цепь, так как два электрона должны быть доставлены на катод.

Внутреннее сопротивление и напряжение на клеммах

Величина сопротивления прохождению тока внутри источника напряжения называется внутренним сопротивлением. Внутреннее сопротивление батареи r может вести себя сложным образом. Обычно она увеличивается по мере разряда батареи из-за окисления пластин или снижения кислотности электролита. Однако внутреннее сопротивление также может зависеть от величины и направления тока через источник напряжения, его температуры и даже его предыстории.Например, внутреннее сопротивление перезаряжаемых никель-кадмиевых элементов зависит от того, сколько раз и насколько глубоко они были разряжены. Простая модель батареи состоит из идеализированного источника ЭДС и внутреннего сопротивления r ((рисунок)).

Предположим, что внешний резистор, известный как сопротивление нагрузки R , подключен к источнику напряжения, например к батарее, как показано на (Рисунок).На рисунке показана модель батареи с ЭДС, внутренним сопротивлением R и нагрузочным резистором R , подключенным к ее клеммам. При обычном протекании тока положительные заряды покидают положительную клемму батареи, проходят через резистор и возвращаются к отрицательной клемме батареи. Напряжение на клеммах аккумулятора зависит от ЭДС, внутреннего сопротивления и силы тока и равно

При заданной ЭДС и внутреннем сопротивлении напряжение на клеммах уменьшается по мере увеличения тока из-за падения потенциала Ir внутреннего сопротивления.

Схема источника напряжения и его нагрузочного резистора R . Поскольку внутреннее сопротивление — последовательно с нагрузкой, оно может существенно повлиять на напряжение на клеммах и ток, подаваемый на нагрузку.

График разности потенциалов на каждом элементе цепи показан на (рисунок). По цепи проходит ток I , а падение потенциала на внутреннем резисторе равно Ir . Напряжение на клеммах равно падению потенциала на нагрузочном резисторе.Как и в случае с потенциальной энергией, важно изменение напряжения. Когда используется термин «напряжение», мы предполагаем, что это на самом деле изменение потенциала, или. Однако для удобства часто опускается.

Ток через нагрузочный резистор равен. Из этого выражения видно, что чем меньше внутреннее сопротивление R , тем больший ток подает источник напряжения на свою нагрузку R . По мере разряда батарей r увеличивается. Если r становится значительной частью сопротивления нагрузки, то ток значительно снижается, как показано в следующем примере.

Анализ цепи с батареей и нагрузкой У данной батареи есть ЭДС 12,00 В и внутреннее сопротивление. (a) Рассчитайте напряжение на его клеммах при подключении к нагрузке. (b) Какое напряжение на клеммах при подключении к нагрузке? (c) Какая мощность рассеивает нагрузка? (d) Если внутреннее сопротивление увеличивается до, найдите ток, напряжение на клеммах и мощность, рассеиваемую нагрузкой.

Стратегия Приведенный выше анализ дал выражение для тока с учетом внутреннего сопротивления.Как только ток будет найден, можно рассчитать напряжение на клеммах, используя уравнение. Как только ток будет найден, мы также сможем найти мощность, рассеиваемую резистором.

Решение

1. Если ввести данные значения ЭДС, сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления в выражение выше, получим
   

   
   Введите известные значения в уравнение, чтобы получить напряжение на клеммах:
   

   
   Напряжение на клеммах здесь лишь немного ниже, чем ЭДС, что означает, что ток, потребляемый этой легкой нагрузкой, не имеет значения.

2. Аналогично с, ток
   

   
   Напряжение на клеммах теперь
   

   
   Напряжение на клеммах значительно снизилось по сравнению с ЭДС, что означает большую нагрузку на эту батарею. «Сильная нагрузка» означает большее потребление тока от источника, но не большее сопротивление.

3. Мощность, рассеиваемая нагрузкой, можно найти по формуле. Ввод известных значений дает
   

   
   Обратите внимание, что эту мощность также можно получить с помощью выражения, где В, — напряжение на клеммах (10.0 В в данном случае).

4. Здесь внутреннее сопротивление увеличилось, возможно, из-за разряда батареи, до точки, в которой оно равно сопротивлению нагрузки. Как и раньше, мы сначала находим ток, вводя известные значения в выражение, что дает
   

   
   Теперь напряжение на клеммах
   

   
   , а мощность, рассеиваемая нагрузкой, составляет
   

   
   Мы видим, что увеличившееся внутреннее сопротивление значительно снизило напряжение на клеммах, ток и мощность, подаваемую на нагрузку.

Значение Внутреннее сопротивление батареи может увеличиваться по многим причинам. Например, внутреннее сопротивление перезаряжаемой батареи увеличивается с увеличением количества раз, когда батарея перезаряжается. Повышенное внутреннее сопротивление может иметь двоякое влияние на аккумулятор. Сначала снизится напряжение на клеммах. Во-вторых, аккумулятор может перегреться из-за повышенной мощности, рассеиваемой внутренним сопротивлением.

Проверьте свое понимание Если вы поместите провод прямо через две клеммы батареи, эффективно закоротив клеммы, батарея начнет нагреваться.Как вы думаете, почему это происходит?

Если к клеммам подсоединен провод, сопротивление нагрузки близко к нулю или, по крайней мере, значительно меньше внутреннего сопротивления батареи. Поскольку внутреннее сопротивление невелико, ток в цепи будет большим. Большой ток вызывает рассеивание большой мощности на внутреннем сопротивлении. Мощность рассеивается в виде тепла.

Тестеры батарей

, такие как показанные на (Рисунок), используют малые нагрузочные резисторы, чтобы намеренно потреблять ток, чтобы определить, падает ли потенциал клемм ниже допустимого уровня.Хотя измерить внутреннее сопротивление батареи сложно, тестеры батареи могут обеспечить измерение внутреннего сопротивления батареи. Если внутреннее сопротивление высокое, батарея разряжена, о чем свидетельствует низкое напряжение на клеммах.

Тестеры аккумуляторов измеряют напряжение на клеммах под нагрузкой, чтобы определить состояние аккумулятора. (a) Техник-электронщик ВМС США использует тестер аккумуляторов для проверки больших аккумуляторов на борту авианосца USS Nimitz .Тестер батарей, который она использует, имеет небольшое сопротивление, которое может рассеивать большое количество энергии. (b) Показанное небольшое устройство используется на небольших батареях и имеет цифровой дисплей для индикации допустимого напряжения на клеммах. (кредит А: модификация работы Джейсона А. Джонстона; кредит б: модификация работы Кейта Уильямсона)

Некоторые батареи можно заряжать, пропуская через них ток в направлении, противоположном току, который они подают в прибор. Это обычно делается в автомобилях и батареях для небольших электроприборов и электронных устройств ((Рисунок)).Выходное напряжение зарядного устройства должно быть больше, чем ЭДС аккумулятора, чтобы ток через него реверсировал. Это приводит к тому, что напряжение на клеммах аккумулятора больше, чем ЭДС, так как и I теперь отрицательны.

Зарядное устройство для автомобильного аккумулятора меняет нормальное направление тока через аккумулятор, обращая вспять его химическую реакцию и восполняя ее химический потенциал.

Важно понимать последствия внутреннего сопротивления источников ЭДС, таких как батареи и солнечные элементы, но часто анализ цепей выполняется с помощью напряжения на клеммах батареи, как мы делали в предыдущих разделах.Напряжение на клеммах обозначается просто как В , без индекса «клемма». Это связано с тем, что внутреннее сопротивление батареи трудно измерить напрямую и может со временем измениться.

Сводка

• Все источники напряжения состоят из двух основных частей: источника электрической энергии с характеристической электродвижущей силой (ЭДС) и внутреннего сопротивления r . ЭДС — это работа, совершаемая за один заряд для поддержания постоянной разности потенциалов источника.ЭДС равна разности потенциалов на клеммах при отсутствии тока. Внутреннее сопротивление — источника напряжения влияет на выходное напряжение при протекании тока.
• Выходное напряжение устройства называется напряжением на его клеммах и выражается выражением, где I — электрический ток, положительный при истечении от положительного вывода источника напряжения, а — — внутреннее сопротивление.

Концептуальные вопросы

Как внутреннее сопротивление перезаряжаемой батареи повлияет на энергию, используемую для зарядки батареи?

Часть энергии, используемой для зарядки аккумулятора, будет рассеиваться в виде тепла за счет внутреннего сопротивления.

Батарея с внутренним сопротивлением r и эдс 10,00 В подключена к нагрузочному резистору. По мере старения батареи внутреннее сопротивление увеличивается втрое. Насколько уменьшен ток через нагрузочный резистор?

Покажите, что мощность, рассеиваемая нагрузочным резистором, максимальна, когда сопротивление нагрузочного резистора равно внутреннему сопротивлению батареи.

Проблемы

Автомобильный аккумулятор с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением заряжается током 60 А.Обратите внимание, что в этом процессе аккумулятор заряжается. а) Какова разность потенциалов на его выводах? (б) С какой скоростью рассеивается тепловая энергия в батарее? (c) С какой скоростью электрическая энергия преобразуется в химическую энергию?

Наклейка на радио с батарейным питанием рекомендует использовать никель-кадмиевый аккумулятор (никель), хотя он имеет ЭДС 1,25 В, тогда как щелочной элемент имеет ЭДС 1,58 В. У радио есть сопротивление. (а) Нарисуйте принципиальную схему радиоприемника и его батареи.Теперь рассчитайте мощность, подаваемую на радио (б) при использовании никадовых элементов, каждый из которых имеет внутреннее сопротивление, и (в) при использовании щелочных элементов, имеющих внутреннее сопротивление. (d) Кажется ли эта разница значительной, учитывая, что эффективное сопротивление радиоприемника уменьшается при увеличении громкости?

а.

г. 0,476 Вт; c. 0,691 Вт; d. При понижении разность мощностей уменьшается; следовательно, при более высоких объемах существенной разницы нет.

Автомобильный стартер имеет эквивалентное сопротивление и питается от батареи 12,0 В с внутренним сопротивлением. а) Какой ток у двигателя? б) Какое напряжение приложено к нему? (c) Какая мощность подается на двигатель? (d) Повторите эти расчеты, когда соединения батареи корродируют, и добавьте в цепь. (Существенные проблемы возникают из-за даже небольшого количества нежелательного сопротивления в низковольтных и сильноточных приложениях.)

(a) Каково внутреннее сопротивление источника напряжения, если его потенциал на клеммах падает на 2.00 В при увеличении подаваемого тока на 5,00 А? (b) Можно ли определить ЭДС источника напряжения с помощью предоставленной информации?

а. ; б. Нет, существует только одно независимое уравнение, поэтому можно найти только r .

Человек с сопротивлением тела между руками или руками случайно схватился за клеммы источника питания 20,0 кВ. (НЕ делайте этого!) (A) Нарисуйте принципиальную схему, чтобы представить ситуацию. б) Если внутреннее сопротивление источника питания равно, то какой ток через его тело? в) Какая сила рассеивается в его теле? (d) Если источник питания должен быть безопасным за счет увеличения его внутреннего сопротивления, каким должно быть внутреннее сопротивление, чтобы максимальный ток в этой ситуации был равен 1.00 мА или меньше? (e) Не повлияет ли эта модификация на эффективность источника питания для управления устройствами с низким сопротивлением? Объясните свои рассуждения.

Автомобильный аккумулятор с ЭДС 12,0 В имеет напряжение на клеммах 16,0 В при зарядке током 10,0 А. а) Каково внутреннее сопротивление аккумулятора? (б) Какая мощность рассеивается внутри батареи? (c) С какой скоростью (in) его температура будет увеличиваться, если его масса составляет 20,0 кг, а его удельная теплоемкость равна, при условии, что тепло не уходит?

а.; б. 40,0 Вт; c.

Глоссарий

электродвижущая сила (ЭДС)

энергия, вырабатываемая на единицу заряда, полученная из источника, производящего электрический ток

внутреннее сопротивление

величина сопротивления прохождению тока внутри источника напряжения

разность потенциалов

Разница электрического потенциала между двумя точками в электрической цепи, измеренная в вольтах

падение потенциала

потеря электрической потенциальной энергии при прохождении тока через резистор, провод или другой компонент

напряжение на клеммах

разность потенциалов, измеренная на клеммах источника при отсутствии нагрузки

Характеристики и контроль резонанса электродвижущей силы электромагнитной индукции

Характеристики и контроль резонанса электродвижущей силы электромагнитной индукции

Аннотация : Принципы электромагнитной индукции применяются во многих устройствах и системах, включая индукционные плиты, трансформаторы и беспроводная передача энергии; однако имеется мало данных о резонансе электродвижущей силы (ЭДС) электромагнитной индукции.Мы исследовали электромагнитную индукцию между двумя кольцевыми катушками проволоки: одна — это катушка источника, а другая — катушка датчика (или индукционная катушка). Измеренные графики зависимости ЭДС от частоты показывают наличие резонанса / антирезонанса в ЭДС электромагнитной индукции через свободное пространство. Мы обнаружили, что можно управлять резонансными и антирезонансными частотами системы. В некоторых устройствах желаемая резонансная или антирезонансная частота достигается изменением размера резонатора.Здесь, напротив, наши экспериментальные результаты показывают, что резонансные и антирезонансные частоты системы можно регулировать, изменяя расстояние между двумя катушками или количество витков индукционной катушки.

[1] Д. К. Джанколи, «Физика: принципы и приложения», Прентис Холл, Аппер Сэдл Ривер, 2005, стр. 584-608.

[2] А. Курс, А. Каралис, Р. Моффатт, Дж. Д. Хоаннопулос, П. Фишер и М. Солячич, «Беспроводная передача энергии с помощью сильносвязанных магнитных резонансов», Science, Vol.317, № 5834, 2007, стр. 83-86. DOI: 10.1126 / science.1143254

[3] Т. Имура, Т. Учида и Ю. Хори, «Гибкость бесконтактной передачи энергии с использованием магнитно-резонансной связи с воздушным зазором и несоосностью для электромобилей», World Electric Vehicle Journal, Vol. 3, 2009, стр. 1-10.

[4] С. А. Хакворт, Х. Лю, К. Ли и М. Сан, «Беспроводная солнечная энергия в дома: подход магнитного резонанса», Международный журнал инноваций в энергетических системах и энергетике, Vol.5, №1, 2010, с. 40-44.

[5] Б. Ван, Т. Нишино и К. Х. Тео, «Повышение эффективности беспроводной передачи энергии с помощью метаматериалов», Труды по беспроводным информационным технологиям и системам Международной конференции IEEE 2010, Гонолулу, 28 августа — 3 сентября 2010 г., стр. 1 -4. DOI: 10.1109 / ICWITS.2010.5612284

[6] Дж. Д. Джексон, «Классическая электродинамика», Wiley, New York, 1999.

[7] Р.Коэльо, «Физика диэлектриков для инженера», Elsevier, Нью-Йорк, 1979, стр. 25–31, 62–73.

[8] В. М. Дубовик, М. А. Марценюк, Б. Саха, «Материальные уравнения для электромагнетизма с тороидальной поляризацией», Physics Review E, Vol. 61, No. 6, 2000, pp. 7087-7097. DOI: 10.1103 / PhysRevE.61.7087

[9] В. М. Дубовик, Б. Саха, Дж. Л. Рубин, «Преобразование Лоренца при поляризации тороида», Раздел «Сегнетоэлектрики в письмах», Vol. 27, вып.1-2, 2000, стр. 1-6. DOI: 10.1080 / 07315170008204647

[10] Г. Н. Афанасьев, «Простейшие источники электромагнитных полей как инструмент для проверки теорем взаимности», Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 34, No. 4, 2001, pp. 539-559. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 34/4/316

[11] В. М. Дубовик, В. В. Тугушев, «Тороидные моменты в электродинамике и физике твердого тела», Phys. 187, No. 4, 1990, стр.145-202. DOI: 10.1016 / 0370-1573 (90)

-Z

[12] К. Маринов, А. Д. Бордман, В. А. Федотов и Н. Желудев, «Тороидальный метаматериал», Новый физический журнал, Vol. 9, № 9, 2007, стр. 324-202. DOI: 10,1088 / 1367-2630 / 9/9/324

[13] А.А. Горбацевич, Ю. Копаев В. Тороидальный порядок в кристаллах // Сегнетоэлектрики. 161, No. 1, 1994, pp. 321-334. DOI: 10.1080 / 00150199408213381

[14] Х. Шмид, «Тороидальные моменты в кристаллах со спиновым упорядочением», Труды Однодневного международного исследовательского семинара по супертороидальной электродинамике, Саутгемптонский университет, Саутгемптон, 2004 г., стр.108-177.

— обзор

1.4.4 Батареи

Закон Джоуля гласит, что резистор, по которому проходит ток, выделяет тепло. Электрическая энергия часто подается на резистор от батареи, которая, в свою очередь, получает энергию от химических реакций внутри батареи. Следовательно, выработка тепла с помощью R включает два превращения: от химического до электрического и теплового. Символ батареи показан на рис. 1.1 и на рис. 1.9a, причем более длинная полоса указывает на положительную полярность клемм аккумулятора.Батареи являются важными источниками электроэнергии, когда требуется постоянное напряжение.

Рисунок 1.9. (а) Идеальный аккумулятор. (б) Выходные характеристики идеальной батареи. (c) Внутреннее сопротивление идеальной батареи соответствует сопротивлению короткого замыкания.

Прежде чем мы проанализируем практические аккумуляторы, давайте сначала охарактеризуем идеальные аккумуляторы или идеальные источники напряжения. Идеальная батарея определяется как батарея, которая поддерживает постоянное напряжение, скажем, В _B , на своих выводах, независимо от того, течет ток или нет.Следовательно, напряжение В _B идеальной батареи полностью не зависит от тока, как показано на рис. 1.9b. Такой источник также называется независимым источником (источник, подключенный к цепи, считается независимым, если его значение может быть присвоено произвольно ¹⁰ . Поскольку идеальная батарея будет поддерживать напряжение В _B через его выводы даже при коротком замыкании, ¹¹ , мы заключаем, что такой источник может теоретически обеспечивать бесконечную мощность (поскольку P = В ² / R , поскольку R → 0, P → ∞).Отсюда и название идеальный источник . Мы также видим, что наклон кривой ν — i на рис. 1.9b равен нулю. Применение закона Ома, R = V / I , к такой горизонтальной линии ν — i означает нулевое сопротивление. Таким образом, мы заключаем, что внутреннее сопротивление идеального источника равно нулю. Это объясняет, почему идеальная батарея вызывает бесконечный ток при коротком замыкании. Игнорируя трудности, которые создают бесконечности, мы узнаем, что, глядя на клеммы идеальной батареи, мы видим короткое замыкание (теперь мы используем общий язык схем).Другими словами, если бы мы каким-то образом могли повернуть циферблат и уменьшить напряжение В, _B идеальной батареи до нуля, мы остались бы с коротким замыканием, как показано на рис. 1.9c.

Обычно источники напряжения в принципиальных схемах представляют идеальными источниками, что нормально, если в схеме нет путей, замыкающих такие источники (если они есть, то схема неисправна и не представляет действительную схему. так или иначе). С другой стороны, практические источники всегда имеют конечное внутреннее сопротивление, как показано на рис.1.10a, который ограничивает ток до бесконечных значений в случае короткого замыкания батареи. Конечно, R _i не является реальным резистором внутри батареи, а представляет собой абстракцию химического состава реальной батареи и учитывает уменьшение напряжения на клеммах при увеличении тока нагрузки. Внутреннее напряжение В, , _{, B,} также называется электродвижущей силой , (ЭДС) батареи. Из нашего предыдущего обсуждения мы легко делаем вывод, что мощные батареи характеризуются низким внутренним сопротивлением (0.005 Ом для полностью заряженного автомобильного аккумулятора), и меньшие, менее мощные аккумуляторы за счет большего внутреннего сопротивления (0,15 Ом для щелочной батареи фонарика, размер «C»).

Рисунок 1.10. (а) Практичный аккумулятор с ЭДС В _B и внутренним сопротивлением R _i . (б) Характеристики разряда двух типов батарей.

Еще одной характеристикой практичных аккумуляторов является их возрастающее внутреннее сопротивление при разряде. Например, на рис.1.10b показывает зависимости напряжения на клеммах от часов непрерывной работы для двух типов. Ртутный элемент поддерживает свое напряжение на практически постоянном уровне 1,35 В в течение всего срока службы (но резко падает, когда батарея разряжена) по сравнению с обычными элементами фонарика, которые начинаются с 1,55 В, но постоянно снижаются по мере использования. Другие типы (литиевые, 3,7 В, очень долгий срок хранения, более 10 лет; никель-кадмиевые, 1,25 В, герметичные, но перезаряжаемые; свинцово-кислотные, 2 В, мощные и перезаряжаемые, используются в качестве автомобильных аккумуляторов при последовательном подключении по три батареи). ячейка 6 В или блоки с шестью ячейками 12 В) находятся где-то между двумя кривыми.Скорость уменьшения доступного напряжения по мере разряда батареи определяется химической реакцией внутри батареи. Хотя химия батарей выходит за рамки этой книги, нас интересует то, что уменьшение химической активности во время разряда может быть связано с увеличением внутреннего сопротивления батареи. Следовательно, полностью заряженный аккумулятор можно рассматривать как обладающий низким внутренним сопротивлением, которое постепенно увеличивается по мере использования аккумулятора и становится очень большим для разряженного аккумулятора.

На рисунке 1.11a показана схема, в которой практическая батарея подключена к нагрузке, представленной номером R _L , и подает питание на нагрузку. R _L может быть эквивалентным сопротивлением радио, телевизора или любого другого электрического устройства или оборудования, которое должно питаться от батареи. Доступная для нагрузки мощность равна i ² R _L . Однако, поскольку батарея имеет внутреннее сопротивление, энергия также будет рассеиваться внутри батареи.Внутренние потери определяются по формуле i ² R _i и будут отображаться как внутреннее тепло. Поэтому опасно закорачивать мощную батарею, так как вся доступная энергия батареи будет быстро преобразована во внутреннее тепло, и, если закорачивающий элемент быстро не расплавится, возможен опасный взрыв.

Рисунок 1.11. (a) Практическая батарея с подключенной переменной нагрузкой, (b) Характеристики источника с возрастающей нагрузкой, (c) Характеристики истощаемого источника.

Предположим на время, что R _i является постоянным, но нагрузка R _L является переменной (показано стрелкой на R _L на рис. 1.11а) и проанализируйте схему по мере увеличения нагрузки на аккумулятор. Используя закон напряжения Кирхгофа (уравнение 1.10), получаем для схемы

(1,22) VB = iRi + iRL

Напряжение на нагрузочном резисторе, ν _L = iR _L , что составляет также доступное напряжение на клеммах внешней батареи, дается из уравнения.(1.22) как

(1.23) υL = VB − iRi

Это уравнение прямой линии с постоянным наклоном — R _i и построено на рис. 1.11b. Таким образом, доступное напряжение — это ЭДС батареи за вычетом внутреннего падения напряжения батареи. Ток, который течет в последовательной цепи, получается из уравнения. (1,22) как

(1,24) i = VBRi + RL

По мере уменьшения сопротивления нагрузки R _L нагрузка на аккумулятор увеличивается.Как показано на рис. 1.11b, это сопровождается уменьшением доступного напряжения ν _L , что обычно является нежелательным результатом. Исключив i из ур. (1,23) и (1,24) для получения

(1,25) υL = VBRLRi + RL

показывает уменьшение ν _L с V _B по мере уменьшения R _L . Таким образом, при отсутствии нагрузки на аккумулятор ( R _L очень большой) доступное напряжение максимально на ν _L ≈ В _B , но для большой нагрузки ( R _L ≈ 0) доступное напряжение падает до ν _L ≈ 0.Коммунальные предприятия, например, испытывают трудности с поддержанием постоянного напряжения летом, когда спрос на электроэнергию увеличивается в основном из-за энергоемкого оборудования для кондиционирования воздуха. ¹² Условия напряжения ниже нормы (обычно называемые отключениями) вызывают чрезмерную нагрузку на электрическое оборудование потребителей, что приводит к перегреву и, в конечном итоге, к отказу. ¹³ Очевидным решением проблемы сбоев является уменьшение внутреннего сопротивления генерирующего оборудования R _i , поскольку это уменьшит наклон кривой на рис.1.11b, перемещая точку пересечения V _B / R _i вправо, таким образом приближая кривую к кривой идеального источника на рис. 1.9b. Конечно, низкое оборудование — это более крупные и дорогие генераторы.

Чтобы получить Рис. 1.11b, мы предположили, что внутреннее сопротивление R _i остается постоянным при изменении сопротивления нагрузки R _L .Теперь рассмотрим случай, когда нагрузка R _L остается постоянной, но изменяется R _i . Примером этого является разряд аккумулятора включенным фонариком, который оставляют включенным до тех пор, пока аккумулятор не разрядится. На рисунке 1.11c показана кривая ν — i для разряда батареи со стрелками, показывающими прогрессию разряда. Мы видим, что полностью заряженный аккумулятор, начиная с небольшого внутреннего сопротивления ( R _i ≈ 0), может выдавать ток i ≈ В _B / R _L и напряжение ν _L ≈ В _B .После разряда ( R _i ≈ ∞) ток (уравнение 1.24) и напряжение на клеммах (уравнение 1.25) равны нулю.

Подводя итог, можно сказать, что причина того, что ток падает до нуля при разряде батареи, не в том, что ЭДС, величина которой определяется как В _B , стремится к нулю, а в том, что внутреннее сопротивление R _i изменяется на очень большое значение. Можно предположить, что ЭДС разряженной батареи все еще не повреждена, но внутреннее сопротивление стало очень большим. R _i , следовательно, является переменной, зависящей от состояния заряда и возраста (срока годности) аккумулятора.

Чтобы измерить ЭДС батареи, мы снимаем нагрузку, то есть размыкаем цепь батареи, и когда ток i исчезает, мы получаем из уравнения. (1.23) что ν _L = V _B ; напряжение, возникающее на клеммах аккумулятора в разомкнутой цепи, является ЭДС аккумулятора. Для измерения ЭДС даже почти полностью разряженной батареи можно подключить к клеммам батареи вольтметр с высоким сопротивлением (10 ⁷ Ом или больше).Такой вольтметр приближается к нагрузке с разомкнутой цепью и требует лишь малейшей струйки заряда, чтобы получить показания. Если входное сопротивление измерителя намного больше, чем R _i , показание будет мерой V _B батареи.

Чтобы измерить R _i батареи, можно коротко замкнуть батарею на очень короткое время, подключив амперметр к батарее и считывая ток короткого замыкания.(Поскольку это опасная процедура, ее следует выполнять только с менее мощными батареями, такими как элементы фонарика. Она также может сжечь амперметр, если не используется соответствующая высокоамперная шкала на измерителе.) Затем задается внутреннее сопротивление. по V _B / I _sc . Менее рискованная процедура — подключить к батарее переменное сопротивление и измерить напряжение ν _L . Продолжайте изменять сопротивление, пока напряжение не станет равным половине В _B .На данный момент переменное сопротивление равно R _i . Если это все еще слишком рискованно, так как при этом возникает слишком низкое сопротивление батареи, рассмотрите процедуру, описанную в следующем примере.

Пример 1.3

Определите R _i щелочной батареи (размер C), загрузив в элемент резистор 1 Ом.

Рассмотрим рис. 1.11a. Известно, что V _B для щелочной батареи равно 1.5 В. Измеряя напряжение на резисторе 1 Ом, мы получаем 1,3 В, что должно оставить падение напряжения на 0,2 В на R _i . Поскольку ток в цепи равен i = 1,3 В / 1 Ом = 1,3 А, получаем для внутреннего сопротивления R _i = 0,2 В / 1,3 А 0,15 Ом.

Что такое напряжение? | Fluke

Напряжение — это давление от источника питания электрической цепи, которое проталкивает заряженные электроны (ток) через проводящую петлю, позволяя им выполнять такую ​​работу, как освещать свет.

Короче говоря, напряжение = давление , и оно измеряется в вольтах (В). Этим термином признан итальянский физик Алессандро Вольта (1745-1827), изобретатель гальванической батареи — предшественника современной бытовой батареи.

В первые дни развития электричества напряжение было известно как электродвижущая сила (ЭДС). Вот почему в уравнениях, таких как закон Ома, напряжение представлено символом E .

Пример напряжения в простой цепи постоянного тока:

1. В этой цепи постоянного тока переключатель замкнут (включен).
2. Напряжение в источнике питания — «разность потенциалов» между двумя полюсами батареи — активируется, создавая давление, которое заставляет электроны течь в виде тока через отрицательную клемму батареи.
3. Ток достигает свет, заставляя его светиться.
4. Ток возвращается к источнику питания.

Напряжение — это либо напряжение переменного тока , либо напряжение постоянного тока (dc) . Способы, которыми они различаются:

Напряжение переменного тока (представленное на цифровом мультиметре символом):

• Течение равномерно волнообразными волнами, как показано ниже:
• Меняет направление на регулярные интервалы.
• Обычно производятся коммунальными предприятиями через генераторы , в которых механическая энергия — вращательное движение, приводимое в движение проточной водой, паром, ветром или теплом — преобразуется в электрическую энергию.
• Чаще, чем напряжение постоянного тока. Коммунальные предприятия поставляют переменное напряжение в дома и на предприятия, где большинство устройств используют переменное напряжение.
• Источники первичного напряжения зависят от страны. В США, например, 120 вольт.
• Некоторые бытовые устройства, такие как телевизоры и компьютеры, используют питание постоянного тока.Они используют выпрямители (например, этот толстый блок в шнуре портативного компьютера) для преобразования переменного напряжения и тока в постоянный.

Напряжение постоянного тока (обозначено на цифровом мультиметре значком и):

• Перемещается по прямой линии и только в одном направлении.
• Обычно производится из источников накопленной энергии, таких как батареи .
• Источники постоянного напряжения имеют положительную и отрицательную клеммы. Клеммы устанавливают полярность в цепи, и полярность может использоваться, чтобы определить, является ли цепь постоянным или переменным током.
• Обычно используется в портативном оборудовании с батарейным питанием (автомобили, фонарики, фотоаппараты).

Какая разница потенциалов?

Термин «напряжение» и термин «разность потенциалов» часто используются как синонимы. Разницу потенциалов можно было бы лучше определить как разность потенциальной энергии между двумя точками в цепи.Величина разницы (выраженная в вольтах) определяет, сколько существует потенциальной энергии для перемещения электронов из одной конкретной точки в другую. Количество определяет, сколько работы потенциально может быть выполнено через схему.

Бытовая щелочная батарея AA, например, имеет напряжение 1,5 В. Обычные бытовые электрические розетки имеют напряжение 120 В. Чем больше напряжение в цепи, тем выше ее способность «выталкивать» больше электронов и выполнять работу.

Напряжение / разность потенциалов можно сравнить с водой, хранящейся в резервуаре.Чем больше резервуар и чем больше его высота (и, следовательно, его потенциальная скорость), тем больше способность воды создавать удар, когда клапан открывается и вода (как электроны) может течь.

Почему полезно измерять напряжение

Технические специалисты подходят к большинству ситуаций устранения неисправностей, зная, как обычно должна работать цепь.

Цепи используются для передачи энергии нагрузке — от небольшого устройства до бытовой техники и промышленного двигателя. Нагрузки часто имеют паспортную табличку, на которой указаны их стандартные электрические эталонные значения, включая напряжение и ток.Вместо паспортной таблички некоторые производители предоставляют подробную схему (техническую схему) схемы нагрузки. Руководства могут включать стандартные значения.

Эти числа говорят технику, какие показания следует ожидать при нормальной работе нагрузки. Показания цифрового мультиметра позволяют объективно определить отклонения от нормы. Даже в этом случае технический специалист должен использовать знания и опыт, чтобы определить факторы, вызывающие такие отклонения.

Ссылка: Принципы цифрового мультиметра, автор Glen A.Мазур, американское техническое издательство.

Четыре основные силы природы

От прогулки по улице до запуска ракеты в космос и приклеивания магнита к холодильнику — физические силы действуют повсюду вокруг нас. Но все силы, которые мы испытываем каждый день (и многие, о которых мы не подозреваем, мы испытываем каждый день), можно свести к четырем фундаментальным силам:

1. Гравитация.
2. Слабая сила.
3. Электромагнетизм.
4. Сильная сила.

Их называют четырьмя фундаментальными силами природы, и они управляют всем, что происходит во Вселенной.

Гравитация

Гравитация — это притяжение между двумя объектами, обладающими массой или энергией, будь то падение камня с моста, планета, вращающаяся вокруг звезды, или луна, вызывающая океанские приливы. Гравитация, вероятно, является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, но также и одной из самых сложных для объяснения.

Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, якобы вдохновленную яблоком, падающим с дерева. Он описал гравитацию как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности предположил, что гравитация не является притяжением или силой. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.

Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактик , она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или ногу поднять? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.

Связано: 6 повседневных вещей, которые странно происходят в космосе

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие , также называемое слабым ядерным взаимодействием, отвечает за распад частиц.Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, нейтрино , которое отклоняется близко к нейтрону, может превратить нейтрон в протон, в то время как нейтрино станет электроном.

Физики описывают это взаимодействие через обмен несущими силу частицами, называемыми бозонами. Определенные виды бозонов ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны — это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами.На расстоянии 18 метров, или 0,1% диаметра протона друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы, согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия .

Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза, которые приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Именно поэтому археологи могут использовать углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов.Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов; один из этих нейтронов распадается на протон, образуя азот-14, который состоит из семи протонов и семи нейтронов. Этот распад происходит с предсказуемой скоростью, что позволяет ученым определить возраст таких артефактов.