Источники и потребители электрической энергии. Электрические цепи»

Определение Электрический ток — направленное движение заряженных частиц под действием внешнего электрического поля.

Условия существования электрического тока:

• наличие заряженных частиц;
• наличие электрического поля, которое создается источниками тока.

Носители электрического тока в различных средах

Электрическая цепь и ее схематическое изображение

Определение
Электрическая цепь — это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока.

Основные элементы электрической цепи:

• Источник тока (генератор, гальванический элемент, батарея, аккумулятор).
• Потребители тока (лампы, нагревательные элементы и прочие электроприборы).
• Проводники — части цепи, обладающие достаточным запасом свободных электронов, способных перемещаться под действием внешнего электрического поля. Проводники соединяют источники и потребители тока в единую цепь.
• Ключ (переключатель, выключатель) для замыкания и размыкания цепи.

Электрическая цепь также может содержать:

• резистор — элемент электрической цепи, обладающий некоторым сопротивлением;
• реостат — устройство для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путём получения требуемой величины сопротивления;
• конденсатор — устройство, способное накапливать электрический заряд и передавать его другим элементам цепи;
• измерительные приборы — устройства, предназначенные для измерения параметров электрической цепи.

Определение
Электрическая схема — графическое изображение электрической цепи, в котором реальные элементы представлены в виде условных обозначений.

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

Простейшая электрическая цепь содержит в себе источник и потребитель тока, проводники, ключ. Схематически ее можно отобразить так:

Как экономить электроэнергию?

На сегодняшний день есть множество вариантов экономии электроэнергии. Эти способы совсем несложные, но чтобы они работали нужно каждый день их применять. Сокращение потребления электроэнергии не только сохранит бюджет семьи, но и уменьшит выбросы в окружающую среду.

Простые и проверенные временем методы экономии

1. Применение энергосберегающих лампочек. Такие лампы практически не нагреваются, поэтому затраты электроэнергии идут только на освещение. В среднем срок эксплуатации таких ламп до 3 лет, а это значительно сэкономит расходы. Такие лампы расходуют в 5 раз меньше электроэнергии, их срок службы в 10 раз длиннее и окупаются через 1 год.
2. Пользуясь бытовой техникой, важно придерживаться инструкции. Возьмем к примеру, холодильник. Его нельзя ставить возле плиты или батареи, так как прибору нужно будет работать бесперебойно, чтобы поддерживать необходимую температуру. То же относится и к моменту, когда ставится горячая еда. Важно не забывать своевременно размораживать холодильник, так как лед в морозилке способствует большим затратам электроэнергии (до 20%).
3. Выходя из комнаты, не забывайте выключать свет. Такой совет, является наиболее эффективным способом экономии электроэнергии.
4. Своевременно протирайте лампочки. На первый взгляд, такой совет кажется смешным. Но мало кто знает, что пыль может заглушать до 15% света. Важно не забывать о чистоте плафонов. Можно использовать лампы меньшей мощности.
5. Сделать небольшой косметический ремонт в помещении. Выбирая обои, следует останавливать внимание на светлых оттенках, так как они способны на 80% сделать комнату светлее и уютнее. Не следует забывать и о потолке, его следует делать белым. Таким образом вы будете реже включать освещение.
6. Применение теплоотражающих экранов. Изготавливают их из фольги или пенофола. Их следует устанавливать за батарею. Благодаря таким экранам, температуру в комнате можно поднять на несколько градусов.
7. Утепление помещения. Нужно утеплить окна или заменить их на металлопластиковые. Через окна может теряться тепло до 30%. На окна стоит повесить плотные шторы. По возможности нужно утеплить входные двери, а в доме стены, перекрытия, полы и кровлю.
8. Приобретение бытовой техники класса «А», «А+» и «А++» она может экономить до 50% электроэнергии.
9. Не рекомендуется оставлять приборы в режиме «ожидания». Любой техникой, человек пользуется всего несколько часов, в течение дня. Все оставшееся время она, в режиме «ожидания» и понемногу поглощает электроэнергию. Для экономии, следует приборы выключать из сети.

И так, мы уже знаем сколько киловатт нужно для дома. Давайте подытожим. Из выше описанного следует, что если экономно использовать электроэнергию, то мы вполне можем вложиться в 15 кВт, а для небольшого дома хватит даже на отопление. Тогда вся семья будет чувствовать себя комфортно, в своем уютном гнездышке.

Направление электрического тока в металлах

По металлическим проводам перемещаются отрицательно заряженные электроны, т.е. ток идет от «–» к «+» источника. Направление движения электронов называют действительным. Но исторически в науке принято условное направление тока от «+» источника к «–».

Действия электрического тока (преобразования энергии)

Электрический ток способен вызывать различные действия:

• Тепловое — электрическая энергия преобразуется в тепло. Такое преобразование обеспечивает электроплита, электрический камин, утюг.
• Химическое — электролиты под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) — положительные ионы (катионы).
• Магнитное (электромагнитное) — при наличии электрического тока в любом проводнике вокруг него наблюдается магнитное поле, т.е. проводник с током приобретает магнитные свойства.
• Световое — электрический ток разогревает металлы до белого каления, и они начинают светиться подобно вольфрамовой спирали внутри лампы накаливания. Другой пример — светодиоды, в которых свет обусловлен излучением фотонов при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.
• Механическое — параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.

Источники и потребители электрической энергии в автомобиле

На любом автомобиле огромное значение имеет степень обеспечения потребителей электрическим током. Его использование определяется как принципом действия двигателя внутреннего сгорания, так и необходимостью обеспечения комфортности и условий перевозки пассажиров и груза.
ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.
В то же время не любой источник электрической энергии можно установить на автомобиле. Он должен быть компактным, достаточно мощным и иметь длительный срок эксплуатации. На автомобиле используется электрическая энергия постоянного тока, как наиболее оптимальная с точки зрения ее хранения и выработки. Однако постоянный ток имеет особенность, которая заключается в том, что полярность подсоединения потребителей к источникам постоянна.

Поэтому вся система электрооборудования автомобиля разведена только плюсовым проводом, а роль минусового провода выполняет кузов автомобиля. Это определяет ограничения на применение электродуговых сварочных агрегатов при проведении ремонтных кузовных и некоторых других работ. Возможно использование сварочных агрегатов полуавтоматического типа при обязательном отключении потребителей от источников тока. К источникам электроэнергии относятся аккумуляторная батарея (АБ) и генератор постоянного тока (ГПТ).

Аккумуляторная батарея представляет собой коробку, которую можно снять и поставить. При этом необходимо учитывать посадочные размеры установочного гнезда. Она предназначена для хранения электрической энергии постоянного тока обеспечения ею потребителей при неработающем двигателе и как аварийная, при выходе из строя генератора. Она разделена на банки, внутри которых размещены специальные пластины, взаимодействие которых с электролитом, залитым в банку, обеспечивает появление и хранение электрического тока. Электролит – это серная кислота, разведенная дистиллированной водой до плотности 1,25 – 1,27 г/ см3. Выведенные по краям АБ клеммы с обозначениями на них (+) или (-), дают возможность подключить к ним потребителей, не путая полярности. Аккумуляторные батареи маркируются следующим образом, например: 6СТ55П.

1. 6 – количество банок
2. СТ – батарея стартерного типа, с пусковым током более 200 А.
3. 55 – номинальная емкость в А/ч.
4. П – вид исполнения корпуса (пластмассовый).

Разряжать батарею более, чем на 50% нельзя, это приведет к необратимым процессам внутри нее. В процессе эксплуатации батарею необходимо подзаряжать (заряжать). При движении длительное (более 2 часов) время это происходит от работающего генератора. В стационарных условиях батарею можно зарядить с помощью специального зарядного устройства. Кроме того, при активном разряде и заряде батареи в электролите выкипает дистиллированная вода, которую необходимо доливать.

Генератор представляет собой электрическую машину, которая приводится в движение — вращение его ротора — от двигателя. Он предназначен для выработки электрической энергии постоянного тока при работе двигателя и обеспечения этой энергией всех потребителей. Это основной вид выработки и потребления электроэнергии. При превышении выработанной электроэнергии над потреблением избыток направляется на подзарядку АБ.

К ним относятся:

• Внешние световые приборы (ВСП)
• Система зажигания
• Система пуска двигателя
• Контрольно-измерительные приборы и освещение салона, багажника и капота.
• Стеклоочистители и стеклоомыватели.
• Дополнительные электрические устройства.

Внешние световые приборы
К ним относятся:

Габаритные огни – спереди белого цвета, сзади красного цвета, немигающие.

Освещение заднего номерного знака – белого цвета, сзади, включается вместе с включением габаритных огней.

Фары ближнего и дальнего света. Цвет белый. Включаются поочередно (сначала ближний, затем дальний), только после включения габаритных огней. Могут мыть отдельными, объединенными в одну блок-фару, а также быть совмещенными в одной лампе, с разными нитями освещения.

Световые указатели поворота. Оранжевого цвета, мигающие, расположены спереди, сзади и по бокам. Могут выполнять дополнительную функцию – аварийная сигнализация, когда мигают одновременно все шесть световых указателей поворота.

Фонари сигналов торможения – сзади, два, немигающих, красного цвета.

Фонари заднего хода – сзади, один или два белого цвета, немигающие. Дополнительно могут на некоторых автомобилях могут быть установлены противотуманные фары – спереди две, белого цвета, немигающие. Задний противотуманный фонарь, один, красного цвета, немигающий.
Система зажигания
Рабочая смесь в цилиндрах карбюраторного двигателя воспламеняется электрической искрой, которая проскакивает между электродами свечи зажигания. Воздушный промежуток между электродами свечи имеет боль-шое электрическое сопротивле-ние, поэтому между ними необходимо создать высокое напряжение, чтобы вызвать искровой разряд. Искровые разряды должны появляться при определенном положении поршней и клапанов в цилиндрах и чередоваться в соответствии с установленным по-рядком работы двигателя.

Эти требования обеспечиваются системой зажигания, состоящей из источников тока (аккумуляторная батарея и генератор), катушки зажигания, прерывателя-распределителя, конденсатора, свечей зажигания (по количеству цилиндров), выклю-чателя (замка) зажигания (имеет четыре положения), проводов высокого и низкого напряжения.

Замок зажигания, который имеет четыре положения: выключено, стоянка, зажигание, стартер. В замок зажигания вставляется ключ зажигания.

С помощью этого ключа зажигания можно выбрать режим использования автомобиля следующим образом.

В положении «выключено» ключ можно вынуть и вставить. Противоугонное (механическое) устройство включено. Автомобиль завести нельзя. Потребители электрической энергии по укороченной схеме, обеспечивающей потребности водителя при стоянке автомобиля, подсоединены к аккумуляторной батарее.

В положении «стоянка» на некоторых автомобилях ключ можно вынуть и вставить, а на некоторых это невозможно. Противоугонное (механическое) устройство выключено. Автомобиль завести нельзя. Потребители электрической энергии по укороченной схеме, обеспечивающей потребности водителя при стоянке автомобиля, подсоединены к аккумуляторной батарее.

В положении «зажигание» ключ вынуть нельзя. Это основное положение ключа, в котором он находится все время, пока работает двигатель. Автомобиль завести можно. Все потребители электрической энергии подсоединены, при неработающем двигателе к аккумуляторной батарее, а после пуска двигателя к генератору.

Положение «стартер» подпружинено так, чтобы после пуска двигателя ключ возвращался в положение «зажигание». После пуска отпущенный ключ возвращается в положение «зажигание», где находится все время, пока двигатель работает. Возврат ключа обязателен, так как скорость вращения стартера значительно меньше, чем скорость вращения маховика после пуска двигателя. Если маховик и стартер останутся в зацеплении, это может привести к выходу из строя стартера.

Поворот ключа на небольшой угол вызывает вращение стартера и пуск двигателя. Для того чтобы остановить двигатель ключ необходимо повернуть в положение «стоянка» или «выключено».
Система пуска двигателя
Она обеспечивает пуск двигателя с помощью стартера, приводящего во вращение маховик КШМ при обязательной подаче электрической энергии на катушку зажигания и далее по цепи. Если система пуска двигателя не обеспечивает его пуск по причинам, связанным с разряженностью АБ, двигатель можно запустить резервным способом. Таких способов может быть несколько:

• При помощи другой АБ
• При помощи нескольких лиц, толкающих автомобиль
• При помощи буксирующего автомобиля
• На спуске с толчка.

Контрольно-измерительные приборы
К ним могут быть отнесены КИП, устанавливаемые в стандартном исполнении:

• Спидометр
• Указатель уровня топлива
• Указатель температуры охлаждающей жидкости
• Указатель давления масла
• Указатель заряженности аккумуляторной батареи
• Лампа (лампы в виде стрелок) сигнализирующая о включении световых указателей поворота (мигает)
• Лампа, сигнализирующая о включении габаритных огней (ближнего света)
• Лампа, сигнализирующая о включении дальнего света
• Лампа, сигнализирующая о включении стояночного тормоза (мигает) и неисправности тормозной системы (горит).

Дополнительные электрические устройства
К ним можно отнести:

• Звуковой сигнал
• Освещение панели приборов управления
• Радиоприемник, магнитола и т.п.
• Электростеклопакет
• Выдвижные антенны и т.д.

Основные параметры постоянного тока

Определение
Постоянный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Основными параметрами электрического тока являются:

• Сила тока. Обозначается как I. Единица измерения — А (Ампер).
• Напряжение. Обозначается как U. Единица измерения — В (Вольт).
• Сопротивление. Обозначается как R. Единица измерения — Ом.

Сила тока

Сила тока показывает, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

I=qt..=ΔqΔt..=Nqet.

N — количество электронов, qe=1,6·10−19 Кл — заряд электрона, t — время (с).

Заряд, проходящий по проводнику за время t при силе тока, равной I:

q=It

Пример №1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи 0,2 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 2 минуты?

2 минуты = 120 секунд

q=It=0,2·120=24 (Кл)

Заряд, проходящий за время ∆t при равномерном изменении силы тока от I1 до I2:

Δq=I1+I22..Δt

Сила тока и скорость движения электронов:

I=nqeSv

n — (м–3) — концентрация, S (м2) — площадь сечения проводника, v — скорость электронов.
Внимание!
Электроны движутся по проводам со скоростью, равной долям мм/с. Но электрическое поле распространяется со скоростью света: c = 3∙108 м/с.

Сопротивление

Сопротивление металлов характеризует тормозящее действие положительных ионов кристаллической решетки на движение свободных электронов:

R=ρlS..

ρ — удельное сопротивление, показывающее, какое сопротивление имеет проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2, изготовленный из определенного материала. l — длина проводника (м), S — площадь его поперечного сечения.

Пример №2. Медная проволока имеет электрическое сопротивление 6 Ом. Какое электрическое сопротивление имеет медная проволока, у которой в 2 раза больше длина и в 3 раза больше площадь поперечного сечения?

Сопротивление первого и второго проводника соответственно:

R1=ρlS..

R2=ρ2l3S..

Поделим электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого:

R2R1..=ρ2l3S..÷ρlS..=ρ2l3S..·Sρl..=23..

Отсюда сопротивление второго проводника равно:

R2=23..R1

Напряжение

Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению положительного заряда:

U=Aq.

Пример №3. Перемещая заряд в первом проводнике, электрическое поле совершает работу 20 Дж. Во втором проводнике при перемещении такого же заряда электрическое поле совершает работу 40 Дж. Определить отношение U1/U2 напряжений на концах первого и второго проводников.

U1U2..=A1q..÷A2q..=A1q..·qA2..=A1A2..=2040..=12..

Сколько киловатт нужно для дома. Таблица расхода электроэнергии

Наше современное общество не представляет свою жизнь без электричества. Оно плотно укоренилось в повседневной и производственной жизни человека двадцать первого века.

Электроэнергию используют не только для освещения улиц, жилых домов и других помещений. Сегодня электроэнергия нужна для питания телефона, компьютера, телевизора и еще многих бытовых приборов в наших домах, которые значительно облегчают жизнь современного человека.

Многие владельцы домов используют электроэнергию для отопления, хоть это и не самый дешевый вид отопления, но достаточно надежный и простой в эксплуатации.

Как люди в прошлом, так и современное общество не может существовать без электроэнергии. С каждым годом ученые разрабатывают все новые технологии, которые нуждаются в электропитании. Конечно, сегодня электрический ток используется более широко, чем раньше. Но через несколько десятков лет его потребление увеличиваться в несколько раз. Так, например, если лет 10 назад для дома или квартиры было достаточно 1,5 — 2 кВт электроэнергии, то сегодня этот показатель вырос до 15 кВт, практически в 10 раз.

Давайте попробуем разобраться, сколько киловатт нужно для дома в настоящее время.

Основные составные части электрической сети

Электроэнергетической сетью (Рис. 5) называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории.

Рисунок 5 — Электрическая сеть, и электроустановки для передачи и распределения электрической энергии

Все встречающиеся на практике схемы представляют собой сочетания отдельных элементов — фидеров, магистралей и ответвлений.

Электрические сети, в свою очередь, подразделяются на магистральные электрические сети и распределительные электрические сети.

К магистральным сетям относятся все высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), к распределительным – ЛЭП мощностью ниже 110 кВ. Виды электрических сетей представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 — Виды электрических сетей

Сети связаны между собой трансформаторными и распределительными подстанциями. Для обеспечения установленных требований, энергосистемы оборудуют специальными диспетчерскими пунктами, оснащёнными средствами контроля, управления, связи и специальными схемами расположения электростанций, линий передач и понижающих подстанций.

Электрические сети делятся по:

• напряжению;
• степени подвижности;
• назначению;
• роду тока и числу проводов;
• схеме электрических соединений:

а) разомкнутые (нерезервированные). Схемы разомкнутых сетей представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 — Схемы разомкнутых сетей: а — радиальные (нагрузка только на конце линии); б — магистральные (нагрузка присоединена к линии в разных местах)

б) замкнутые (резервированные) (Рис. 8).

Рисунок 8 — Схемы замкнутых сетей: а — сеть с двухсторонним питанием; б — кольцевая сеть; в — двойная магистральная линия; г сложнозамкнутая сеть (для питания ответственных потребителей по двум и более направлениям)

Магистральные схемы электроснабжения применяются в следующих случаях:

• а) когда нагрузка имеет сосредоточенный характер, но отдельные узлы ее оказываются расположенными в одном и том же направлении по отношению к подстанции и на сравнительно незначительных расстояниях друг от друга, причем абсолютные величины нагрузок отдельных узлов недостаточны для рационального применения радиальной схемы;
• б) когда нагрузка имеет распределенный характер с той или иной степенью равномерности.

По конструкции: электропроводки (силовые и осветительные), токопроводы — для передачи электроэнергии в больших количествах на небольшие расстояния, воздушные линии — для передачи электроэнергии на большие расстояния, кабельные линии — для передачи электроэнергии на далекие расстояния в случаях, когда сооружение ВЛ невозможно.

Наибольшее распространение для местных распределительных сетей получили радиальные, магистральные, смешанные (радиальномагистральные) и петлевые схемы.

При радиальной схеме электроснабжения каждая линия является как бы лучом, соединяющим узел сети (подстанцию, распределительный пункт) с единственным потребителем.

При магистральной схеме электроснабжения одна линия — магистраль — обслуживает, как указано, несколько распределительных пунктов или приемников, присоединенных к ней в различных ее точках.

Смешанные схемы распределительных местных сетей применяются при различном расположении потребителей относительно ЦП и сочетаются принципы построения как радиальной, так и магистральных схем.

К электрическим сетям предъявляются следующие требования: надежность, живучесть и экономичность.

Надежность — основное техническое требование, под которым понимается свойство сети выполнять свое назначение в пределах заданного времени и условий работы, обеспечивая электроприемники электроэнергией в необходимом количестве и надлежащего качества.

Живучесть электрической сети — это свойство выполнять свое назначение в условиях разрушающих воздействий в том числе и в боевой обстановке при воздействиях средств поражения противника.

Экономичность — это минимум затрат на сооружение и эксплуатацию сети при условии выполнения требований надежности и живучести.