Размыкание ключа в цепи

При всяком изменении силы тока в проводящем контуре возникает э.д.с. самоиндукции, в результате чего в контуре появляются дополнительные токи, называемые экстратоками самоиндукции. Экстратоки самоиндукции, согласно правилу Ленца, всегда направлены так, чтобы препятствовать изменениям тока в цепи, т.е. направлены противоположно току, создаваемому источником. При выключении источника тока экстратоки имеют такое же направление, что и ослабевающий ток. Следовательно, наличие индуктивности в цепи приводит к замедлению исчезновения или установления тока в цепи.

Рассмотрим процесс выключения тока в цепи, содержащей источник тока с э.д.с. E_i, сопротивление R и индуктивность L. Под действием внешней э.д.с. в цепи течет постоянный ток I_o =E/R (внутренним сопротивлением источника тока пренебрегаем).

В момент времени t = 0 отключим источник тока. Ток через катушку индуктивности начнет уменьшаться, что приведет к возникновению эдс самоиндукции E_s= –L(dI/dt), препятствующей, согласно правилу Ленца, уменьшению тока. В каждый момент времени ток в цепи определяется законом Ома I =E_s/R, или

где τ =L/R – постоянная, называемая временем релаксации, равная времени, в течение которого сила тока уменьшается в е раз.

Таким образом, в процессе отключения источника э.д.с. сила тока убывает по экспоненциальному закону (18.2) и определяется кривой 1 на рис. (19). Чем больше индуктивность цепи и меньше сопротивление, тем больше τ и, следовательно, тем медленнее уменьшается ток в цепи при ее размыкании.

При замыкании цепи помимо внешней э.д.с E возникает э.д.с самоиндукции E_s= –L(dI/dt), препятствующая, согласно правилу Ленца, возрастанию тока. По закону Ома IR = E + E_s или

IR = E –L(dI/dt). Введя новую переменную u = IR – E, преобразу- Рис.19. ем это уравнение к виду du/u = – dt/τ , где τ – время релаксации.

В момент замыкания (t = 0) сила тока I =0 и u = –E. Следовательно, интегрируя по u (от –E до IR–E) и t (от 0 до t), находим ln[(IR–E)/(–E)] = –t/τ, или

Таким образом, в процессе включения источника э.д.с нарастание силы тока в цепи задается функцией (18.3) и определяется кривой 2 на рис.19. Сила тока возрастает от начального значения I=0 и асимптотически стремится к установившемуся значению I_o= E/R. Скорость нарастания тока определяется тем же временем релаксации τ =L/R, что и убывание тока. Установление тока происходит тем быстрее, чем меньше индуктивность цепи и больше ее сопротивление.

Контур, содержащий индуктивность, нельзя резко размыкать, так как возникновение при этом значительных э.д.с. самоиндукции может привести к пробою изоляции и выводу из строя электрических приборов.

Трансформаторы.

Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции. Первые трансформаторы были сконструированы и введены в практику русским электротехником П.Н.Яблочковым (1847 – 1894) и русским физиком И.Ф.Усагиным (1855 – 1919). Принципиальная схема трансформатора показана на рис. 20.

Первичная и вторичная катушки (обмотки), имеющие соответственно n₁ и n₂ витков, укреплены на замкнутом железном сердечнике. Так как концы первичной обмотки присоединены к источнику переменного напряжения с э.д.с. E₁, то в ней возникает переменный ток создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Ф, который практически полностью локализован в

железном сердечнике и, следовательно, почти целиком

пронизывает витки вторичной обмотки. Изменение этого потока вызывает во вторичной обмотке появление э.д.с. электромагнитной индукции, а в первичной – э.д.с. самоиндукции.

По закону Ома, ток I₁, первичной обмотки определяется алгебраической суммой внешней э.д.с. и э.д.с. самоиндукции: I₁R₁=[E_i–d(n₁Ф)/dt], где R₁ – сопротивление первичной обмотки. Падение напряжения I₁R₁ на сопротивлении R₁, при быстропеременных полях мало по сравнению с каждой из двух э.д.с., поэтому E₁»n₁dФ/dt.

Э.д.с. электромагнитной индукции, возникающая во вторичной обмотке,

Сравнивая выражения для E₁ и E₂, получим, что э.д.с., возникающая во вторичной обмотке,

где знак минус показывает, что э.д.с. в первичной и вторичной обмотках противоположны по фазе. Отношение числа витков n₁/n₂ показывающее, во сколько раз э.д.с. во вторичной обмотке трансформатора больше (или меньше), чем в первичной, называется коэффициентом трансформации.

Пренебрегая потерями энергии, которые в современных трансформаторах не превышают 2% и связаны в основном с выделением в обмотках джоулевой теплоты и появлением вихревых токов, и применяя закон сохранения энергии, можем записать, что мощности тока в обеих обмотках трансформатора практически одинаковы:

откуда, учитывая соотношение (19.2), найдем E₂ /E₁ = I₁/I₂ = n₂/n₁, т.е. токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числу витков в этих обмотках.

Если n₂/n₁>1, то имеем дело с повышающим трансформатором, увеличивающим переменную э.д.с. и понижающим ток (применяется, например, для передачи электроэнергии на большие расстояния, так как в данном случае потери на джоулеву теплоту, пропорциональные квадрату силы тока, снижаются). Если n₂/n₁

Вернуться на главную страницу. или ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Индуктивность, либо коэффициент самоиндукции (от лат. indactio — наведение, возбуждение) — является параметром электрической цепи, определяющий ЭДС самоиндукции, которая наводитсяв цепи при изменении протекающего по ней тока либо (и) ее деформации.

Термином «индуктивность» обозначают еще и катушку самоиндукции, определяющую индуктивные свойства цепи.

Самоиндукция — образование ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении в нем силы тока. Самоиндукция была открыта в 1832 году американским ученым Дж. Генри. Независимо от него в 1835 году это явление открыл М. Фарадей.

ЭДС индукции образуется при изменении магнитного потока. Если это изменение вызывается собственным током, то говорят об ЭДС самоиндукции:

.

где L — индуктивность контура, либо его коэффициент самоиндукции.

Индуктивность — является физической величиной, численно равной ЭДС самоиндукции, которая возникает в контуре с изменением силы тока на 1 А за 1 секунду.

Индуктивность, как и электроемкость, зависима от геометрии проводника — его размеров и формы, но не зависима от силы тока в проводнике. Таким образом, индуктивность прямого провода намного меньше индуктивности того же провода, свернутого в спираль.

Расчеты показывают, что индуктивность описанного выше соленоида в воздухе вычисляют по формуле:

.

где μ— магнитная постоянная, N — количество витков соленоида, l — длина соленоида, S — площадь поперечного сечения.

Также, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник, а именно от его магнитной проницаемости, определяющаяся при помощи формулы:

.

где L — индуктивность контура в вакууме, L — индуктивность контура в однородном веществе, которое заполняет магнитное поле.

Единица индуктивности в СИ – генри (Гн): 1 Гн = 1 В · с/А.

Токи замыкания и размыкания.

При каждом включении и выключении тока в цепи наблюдаются так называемые экстратоки самоиндукции (экстратоки замыкания и размы­кания), которые возникают в цепи из-за явления самоиндукции и которые препятс­твуют, согласно правилу Ленца, нарастанию или убыванию тока в цепи.

На рисунке выше показана схема соединения 2х одинаковых ламп. Одна из них подключена к источнику через резистор R, а другая — последова­тельно соединена с катушкой L с железным сердечником. При замыкании цепи первая лампа вспыхивает почти мгновенно, а вторая — с существенным опозданием. Это вызвано тем, что ЭДС самоиндукции в цепи этой лампы велика, и сила тока не сразу достигает своего максимального значе­ния.

При размыкании ключа в катушке L образуется ЭДС само­индукции, которая поддерживает первоначальный ток.

В итоге в момент размыкания через гальванометр течет ток (светлая стрелка), который направлен против начального тока до размыкания (черная стрелка). При этом ЭДС самоиндукции может быть намного больше ЭДС батареи элементов, что будет проявляться в том, что экстраток размыкания будет сильно превышать стационарный ток при замкнутом ключе.

Индуктивность характеризует инерционность цепи по отношению к из­менению в ней тока, и ее можно рассматривать как электродинамический аналог массы тела в механике, являющейся мерой инертности тела. При этом ток I играет роль скорости тела.

Ключ (переключа́тель, выключа́тель) — электрический коммутационный аппарат или устройство, применяется для замыкания и/или размыкания электрической цепи или группы электрических цепей.

Содержание

Терминология [ править | править код ]

Выключателем может называться коммутационный аппарат, не имеющий собственного названия, имеющий как минимум два фиксированных положения своих контактов («включено» и «отключено») и способный изменить это положение под действием внешних воздействий на другое положение контактов («включено» или «отключено») на малый или большой промежуток времени.

Варианты исполнения [ править | править код ]

Механические ключи [ править | править код ]

Механические ключи служат для непосредственного управления цепью; рычаг механического ключа изготовлен из диэлектрика и, обычно, напрямую связан с токоведущими частями ключа. Применяются, обычно, в случаях, когда не требуется отделять управляемую цепь.

• выключатели освещения и бытовых приборов;
• пакетные выключатели;
• тумблеры (переключатели характерной конструкции с приводом рычажно-пружинного исполнения);
• переключатели различных конструкций: галетные, клавишные, движковые и др.;
• кнопки: с самовозвратом, фиксирующиеся, с зависимой фиксацией.

Электромагнитные ключи [ править | править код ]

Электромагнитные ключи служат для дистанционного управления цепями, для управления высоковольтными цепями (в случаях, когда опасно управлять напрямую механическим ключом), для создания гальванической развязки между устройством управления и нагрузками, для синхронного управления несколькими цепями от одного сигнала.

Для защиты управляющей цепи от импульса самоиндукции, возникающей при снятии напряжения с обмотки, параллельно ей включают диод в направлении, обратном полярности управляющего напряжения. Данный способ неприменим при использовании обмотки, питаемой переменным током.

Электронные ключи [ править | править код ]

В электронных ключах и ключевых схемах применяются различные электронные приборы В неуправляемых электронных ключах:

В управляемых электронных ключах:

Транзисторный ключ — токовый ключ, выполненный на одном или нескольких транзисторах, работающих в ключевом режиме. Изменение электропроводности транзистора, обусловливающее переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его управляющий электрод управляющего напряжения определённой полярности и уровня.

Работа электронных ключей основана на ключевых свойствах транзисторов. Например, ключи на биполярных транзисторах включённых по схеме с общим эмиттером работают следующим образом. При подаче на базу транзистора сигнала низкого уровня («логический 0») относительно эмиттера транзистор закрыт, ток через транзистор не идёт, при этом на коллекторе транзистора будет всё напряжение питания нагрузки. При подаче на базу транзистора сигнала высокого уровня «логической 1», транзистор открывается и в цепи коллектор-эмиттер возникает ток. Напряжение между коллектором и эмиттером становится малым, при этом все напряжения питания нагрузки оказывается приложенным к нагрузки.

Также возможно использование полевых транзисторов. Принцип их работы схож с принципом работы электронных ключей на биполярных транзисторах. Ключи на полевых транзисторах потребляют меньшую мощность управления, однако быстродействие их обычно ниже по сравнению с биполярными.

В ключевом режиме могут работать как обычные (полевые и биполярные) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме (IGBT-транзисторы).

Классификация [ править | править код ]

Выключатели и ключи можно классифицировать следующим образом:

1. по числу фиксированных положений контактов:
2. двухпозиционные («включен» и «отключен»):
3. с нормально-замкнутыми контактами;
4. с нормально-разомкнутыми контактами;
5. многопозиционные (как правило, переключатели, имеющие более двух фиксированных положений своих контактов);
6. по рабочему напряжению:
7. низковольтные ( до 1000 вольт );
8. высоковольтные ( выше 1000 вольт );
9. по рабочему току;
10. по отключаемому току короткого замыкания;
11. по способу управления приводом:
12. местного управления (как правило, выключатели, имеющие ручной привод);
13. дистанционного управления (выключатели, имеющие, помимо ручного, ещё и механический привод. Здесь стоит отметить, что не все виды выключателей можно включить или отключить вручную);
14. по типу привода:
15. выключатели с ручным приводом;
16. выключатели с пневматическим приводом;
17. выключатели с электромагнитным приводом;
18. выключатели с электромеханическим приводом;
19. выключатели с механическим приводом;
20. выключатели с магнитным приводом (геркон);
21. автоматические выключатели (которые, помимо ручного привода, имеют один или несколько приводов, приводимых в действие расцепителями автоматической защиты);
22. по способу установки:
23. открытого исполнения (то есть, выключатели, допускающие установку на открытом воздухе без защиты от атмосферных осадков);
24. закрытого исполнения (то есть, выключатели, которые не допускается устанавливать на открытом воздухе);
25. по степени влагозащищённости, пылезащищённости и защиты от проникновения посторонних предметов (IP) и взрывозащищённости;
26. по климатическому исполнению;
27. по наличию или отсутствию дугогасящих устройств:
28. без специальных устройств дугогашения (как правило, слаботочные выключатели и переключатели или выключатели, в которых наличие дугогасящих устройств конструктивно не предусмотрено, например рубильники, разъединители);
29. со специальными устройствами дугогашения (выключатели предназначенные для отключение цепей с большим током, в том числе и экстратоков при возникновении короткого замыкания, при отключении которых велик риск образования электрической дуги);
30. по способу гашения дуги или по виду дугогасящих устройств:
31. воздушные выключатели:
32. с дугогасительными камерами магнитного дутья;
33. с дугогасительными камерами газового дутья;
34. масляные выключатели:
35. с дугогасительными камерами магнитного дутья;
36. с дугогасительными камерами масляного дутья;
37. маломасляные выключатели;
38. вакуумные выключатели;
39. по характеру дугогасящей среды:
40. воздух;
41. элегаз;
42. вакуум;
43. трансформаторное масло;
44. по материалу и исполнению коммутирующих контактов:
45. цельнометаллические контакты;
46. медные;
47. латунные;
48. серебряные;
49. цельнометаллические контакты с покрытиемдрагоценных металлов:
50. с серебряным покрытием;
51. с золотым покрытием;
52. металло-керамические контакты:
53. контакты, изготовленные из сплава технического серебра с гранулированным керамическим наполнителем методом порошковой металлургии;
54. жидкие контакты:
55. ртутный контакт. Например, в выключателях, реагирующих на изменение положения в пространстве, жидким контактом является капля ртути, которая, попадая между электродами, замыкает электрическую цепь (газовое реле);
56. контакты, замыкание которых выполняет любая токопроводящая жидкость. Например, в датчиках уровня, вода при смачивании электродов замыкает электрическую цепь.

Бытовой выключатель [ править | править код ]

Бытовой выключатель — это двухпозиционный коммутационный аппарат с нормально-разомкнутыми контактами, предназначенный для работы в сетях с напряжением до 1000 вольт , не предназначенный для отключения токов короткого замыкания, без специальных устройств дугогашения, местного управления, с ручным приводом.

Остальные характеристики этого выключателя, такие как рабочий ток, степень влаго-, пыле- и взрывозащищённости (IP), климатическое исполнение, способ установки, материал контактов — определяются производителем и зависят от конкретной модели.

Более того, для бытового выключателя актуально конструктивное исполнение:

• для внутренней установки (встраиваемым в стену, для скрытой проводки);
• для внешней установки (устанавливаемым на стену, для открытой проводки).

В основном применяются для включения и выключения освещения (люстр, плафонов). Для этой же цели в продаже появились выключатели с плавным управлением освещённости: светорегуляторы, диммеры, триммеры.

Акустический выключатель [ править | править код ]

Акустический выключатель — электрический выключатель, управляемый звуком.

Типы акустических выключателей:

1. выключатели, реагирующие на шум. Такой выключатель включает свет при появлении шума в помещении. Применяется в подъездах и коридорах для экономии электроэнергии;
2. выключатели, реагирующие на хлопок. Такой выключатель применяется в квартирах, удобен для применения в спальнях;
3. выключатели, реагирующие на слова. Такой выключатель реагирует на определённое слово или тон голоса.

“>