Как найти внутреннее сопротивление при коротком замыкании - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Что означает внутреннее сопротивление?
Внутреннее сопротивление источника тока .
Внутреннее сопротивление источника ЭДС
Закон Ома для полной цепи
Как измеряется внутреннее сопротивление
Зачем нужно знать внутреннее сопротивление
Расчет внутреннего сопротивления источника напряжения
Нахождение внутреннего сопротивления
Таблица удельных сопротивлений различных материалов
Когда «сопротивление бесполезно»
Измерение внутреннего сопротивления.
- Измерение внутреннего сопротивления методом переменного тока (а.с.)
  - Описание методики из ГОСТ
- Измерение внутреннего сопротивления методом постоянного тока (d.c.)
  - Описание метода из ГОСТ
Идеальный источник тока
Чему равно внутреннее сопротивление источника тока?
Как правильно пользоваться мультиметром: инструкция для чайников
- Потенциал
- Сила тока
- Сопротивление
- Измерение транзисторов

Что означает внутреннее сопротивление?

Поскольку ток в цепи нигде не прерывается, то и внутри источника он течет. В такой ситуации можно сказать, что любой источник обладает некоторым внутренним сопротивлением, препятствующим току. Это внутреннее сопротивление характеризует источник тока и обозначается буквой r.

Внутреннее сопротивление источника тока .

Пусть имеется простая замкнутая цепь, состоящая из источника тока (например, гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора с сопротивлением R. Ток в замкнутой цепи не прерывается нигде, следовательно, oн существует и внутри источника тока. Любой источник представляет собой некоторое сопротивление дли тока. Оно называется внутренним сопротивлением источника тока и обозначается буквой r.

В генераторе r — это сопротивление обмотки, в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.

Таким образом, источник тока характеризуется величинами ЭДС и внутреннего сопротивлении, которые определяют его качество. Например, электростатические машины имеют очень большую ЭДС (до десятков тысяч вольт), но при этом их внутреннее сопротивление огромно (до сотни Мом). Поэтому они непригодны для получения сильных токов. У гальванических элементов ЭДС всего лишь приблизительно 1 В, но зато и внутреннее сопротивление мало (приблизительно 1 Ом и меньше). Это позволяет с их помощью получать токи, измеряемые амперами.

Внутреннее сопротивление источника ЭДС

Дело все в том, что в аккумуляторе «спрятано» сопротивление, которое условно говоря, цепляется последовательно с источником ЭДС аккумулятора. Называется оно внутренним сопротивлением или выходным сопротивлением. Обозначается маленькой буковкой «r «.

Выглядит все это в аккумуляторе примерно вот так:

Цепляем лампочку

Итак, что у нас получается в чистом виде?

Лампочка — это нагрузка, которая обладает сопротивлением. Значит, еще больше упрощаем схему и получаем:

Имеем идеальный источник ЭДС, внутреннее сопротивление r и сопротивление нагрузки R. Вспоминаем статью делитель напряжения. Там говорится, что напряжение источника ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом сопротивлении.

На резисторе R падает напряжение UR , а на внутреннем резисторе r падает напряжение Ur .

Теперь вспоминаем статью делитель тока. Сила тока, протекающая через последовательно соединенные сопротивления везде одинакова.

Вспоминаем алгебру за 5-ый класс и записываем все то, о чем мы с вами сейчас говорили. Из закона Ома для участка цепи получаем, что

Закон Ома для полной цепи

Итак, последнее выражение носит название «закон Ома для полной цепи»

где

Е — ЭДС источника питания, В

R — сопротивление всех внешних элементов в цепи, Ом

I — сила ток в цепи, А

r — внутреннее сопротивление источника питания, Ом

Как измеряется внутреннее сопротивление

Для определения значения рассматриваемой характеристики применяются измерения во время прямого замыкания клемм, которое называют коротким замыканием. Как известно, если закоротить клеммы источника, между ними протечёт значительный ток. Часто это является следствием неосторожности и приводит к обгоранию изоляции и расплавлению провода.

При коротком замыкании сопротивление цепи становится минимальным. Точно измерив силу тока в этой ситуации и зная величину напряжения на клеммах при отсутствии нагрузки, можно определить внутреннее сопротивление источника питания. Для этого понадобится следующая формула:

r = U / I(зам), где

буквой r обозначено внутреннее сопротивление источника тока;
U — разность потенциалов на клеммах батареи без подсоединения к электрической цепи;
I(зам) — ток, который проходит при непосредственном замыкании клемм друг на друга.

Находить значение нагрузки таким образом не всегда возможно или целесообразно, поскольку короткое замыкание может стать причиной серьезной аварии.

Поэтому используются другие решения вопроса, как найти внутреннее сопротивление источника. Например, с помощью специальных измерительных приборов. Функцией измерения данного параметра снабжены оригинальные зарядные устройства iMax B6, ToolkinRC M8, M6, M600.

Зачем нужно знать внутреннее сопротивление

На первый взгляд может показаться, что наличие внутреннего сопротивления интересно только с теоретической точки зрения. На самом деле в некоторых ситуациях знать чему оно равно бывает жизненно важным.

Одна из таких ситуаций — определение работоспособности автомобильного аккумулятора. Его внутреннее сопротивление не является постоянным. Оно изменяется под воздействием различных факторов и влияет на напряжение на клеммах. Чтобы быть уверенным в работоспособности оборудования, нужно не только уметь найти его внутреннее сопротивление, но и знать, какая его величина соответствует норме.

На внутреннее сопротивление источника питания могут оказывать влияние такие факторы:

Температурные условия. Чем холоднее, тем с меньшей скоростью в аккумуляторе протекают химические процессы. Это приводит к увеличению внутреннего сопротивления и постепенному уменьшению напряжения на клеммах.
Срок службы аккумулятора. У новых устройств внутреннее сопротивление имеет минимальную величину. Постепенно оно начинает расти. Это связано с тем, что в аккумуляторе происходит необратимый химический процесс. В некоторых случаях он относительно медленный, а в других может быть довольно заметным. Последнее, например, относится к свинцово-кислотным аккумуляторам.
Емкость аккумулятора.
Иногда на устройство может оказываться механическое воздействие, из-за которого появляются внутренние обрывы.
Количество используемого электролита.
Ток, который создаётся батареей, зависит от нагрузки цепи. В зависимости от него меняется сопротивление.

Влияние большого количества факторов приводит к тому, что в качестве нормального можно рассматривать различные значения внутреннего сопротивления. Однако его стандартным увеличением за год принято считать 5%. Если эта норма превышена, значит, на исправность аккумулятора нужно обратить особое внимание.

При анализе стоит принимать во внимание не только те значения, которые указаны в технической документации. Необходимо учитывать и то, насколько интенсивно происходят изменения сопротивления со временем. Это даст более точную информацию об исправности батареи и поможет понять, чего нужно добиваться, чтобы обеспечить работоспособность оборудования.

Один из наиболее простых способов измерения внутреннего сопротивления можно продемонстрировать на следующем примере. Его применение возможно при условии, что ЭДС аккумулятора известна.

ЭДС (ℰ, единица измерения — вольты, В) — это электродвижущая сила источника питания, равная отношению работы сторонних сил по перемещению заряда от отрицательного полюса источника к положительному к величине этого заряда: ℰ=A/q. Если к источнику питания не подключена нагрузка, то ЭДС по своему значению равно напряжению на его клеммах.

Будет рассмотрена ситуация, когда ЭДС равна 1.5 В. Составляется электрическая цепь, в которой выходы аккумулятора присоединяются к электрической лампочке. Измеряется падение напряжения на ней и ток, проходящий через цепь. Они, соответственно, равны 1.2 В и 0.3 А.

Цифры, которые здесь приводятся, являются условными. При измерении мастер может выбрать другой тип электрической нагрузки, если сочтёт это необходимым.

По закону Ома можно определить сопротивление лампочки:

R = U / I = 1.2 / 0.3 = 4 Ом.

В этой формуле буквой R обозначается полное сопротивление цепи. Его можно выразить, как сумму r + R, где r — внутреннее и R — обычное сопротивление.

Тогда: R + r = ℰ / I

Из этой формулы определяется r = ℰ / I − R = 1.5 / 0.3 − 4 = 1 Ом.

Важным условием нахождения значения r является знание величины электродвижущей силы. Эта характеристика имеет максимальное значение у новых и хорошо заряженных батарей. Те, что уже долго были в использовании, могут иметь значительно меньшую ЭДС вследствие разряда, износа, который часто связан с необратимыми химическими процессами в аккумуляторе.

Для определения ℰ необходимо отключить любую нагрузку от клемм источника питания и подключить вольтметр или мультиметр в режиме измерения напряжения. Прибор покажет значение ЭДС. Почему — это легко понять. По закону Ома для полной цепи:

I = ℰ / (R + r),

так как вольтметр имеет сопротивление R→∞, то ток I≈0. Следовательно напряжение на клеммах равно ЭДС:

U = I·R = ℰ – I·r = ℰ.

Также следует упомянуть, что нулевым внутренним сопротивлением «r» обладает только идеальный генератор напряжения. Также существуют элементы с большим внутренним сопротивлением — это разные датчики, источники сигналов, а r=∞ обладает только идеальный источник тока. Помимо этого, существуют двухполюсники с отрицательным значением r, его можно получить в схемах с обратной связью и в элементах с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Расчеты применимы не только для аккумулятора, но и для любого другого источника тока, например, гальванической батареи, двухполюсника, петли фаза-нуль. Использовать эти знания можно для согласования источника и нагрузки, понижения высоких напряжений и минимизации шума.

Расчет внутреннего сопротивления источника напряжения

Реальные источники напряжения обладают собственным электрическим сопротивлением, которое называется «внутреннее сопротивление». Присоединенная на выводы источника нагрузка обозначается под названием «внешнее сопротивление» – R.

Батарея аккумуляторов генерирует ЭДС:

ε = E/Q, где:

Е – энергия (Дж);
Q – заряд (Кл).

Суммарная ЭДС аккумуляторного элемента является напряжением его разомкнутой цепи при отсутствии нагрузки. Его можно проконтролировать с хорошей точностью цифровым мультиметром. Разность потенциалов, измеренная на выходных контактах батареи, когда она включена на нагрузочный резистор, составит меньшую величину, чем ее напряжение при незамкнутой цепи, по причине протекания тока через нагрузочное внешнее и через внутреннее сопротивление источника, это приводит к рассеиванию энергии в нем как теплового излучения.

Внутреннее сопротивление аккумулятора с химическим принципом действия находится между долей ома и несколькими омами и в основном связано с сопротивлением электролитических материалов, используемых при изготовлении батареи.

Если резистор сопротивлением R подсоединить к батарее, ток в цепи I = ε/(R + r).

Внутреннее сопротивление – не постоянная величина. На него влияет род батареи (щелочная, свинцово-кислотная и т. д.), оно изменяется в зависимости от нагрузочного значения, температуры и срока использования аккумулятора. К примеру, у разовых батареек внутреннее сопротивление возрастает во время использования, а напряжение в связи с этим падает до прихода в состояние, непригодное для дальнейшей эксплуатации.

Если ЭДС источника – заранее данная величина, внутреннее сопротивление источника определяется, измеряя ток, протекающий через нагрузочное сопротивление.

Так как внутреннее и внешнее сопротивление в приближённой схеме включены последовательно, можно использовать законы Ома и Кирхгофа для применения формулы:

Из этого выражения r = ε/I — R.

Пример.

Аккумулятор с известной ЭДС ε = 1.5 В и соединен последовательно с лампочкой. Падение напряжения на лампочке составляет 1,2 В. Следовательно, внутреннее сопротивление элемента создает падение напряжения: 1,5 — 1,2 = 0,3 В. Сопротивление проводов в цепи считается пренебрежимо малым, сопротивление лампы не известно. Измеренный ток, проходящий через цепь: I = 0,3 А. Нужно определить внутреннее сопротивление аккумулятора.

По закону Ома сопротивление лампочки R = U/I = 1,2/0,3 = 4 Ом;
Теперь по формуле для расчета внутреннего сопротивления r = ε/I — R = 1,5/0,3 — 4 = 1 Ом.

В случае короткого замыкания внешнее сопротивление падает почти до нуля. Ток может ограничивать свое значение только маленьким сопротивлением источника. Сила тока, возникающая в такой ситуации, настолько велика, что источник напряжения может быть поврежден тепловым воздействием тока, существует опасность возгорания. Риск пожара предотвращается установкой предохранителей, например, в цепях автомобильных аккумуляторов.

Внутреннее сопротивление источника напряжения – важный фактор, когда решается вопрос, как передать наиболее эффективную мощность подсоединенному электроприбору.

Важно!

Максимальная передача мощности происходит, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки.

Однако при этом условии, помня формулу Р = I² x R, идентичное количество энергии отдается нагрузке и рассеивается в самом источнике, а его КПД составляет всего 50%.

Требования нагрузки должны быть тщательно рассмотрены для принятия решения о наилучшем использовании источника. Например, свинцово-кислотная автомобильная батарея должна обеспечивать высокие токи при сравнительно низком напряжении 12 В. Ее низкое внутреннее сопротивление позволяет ей это делать.

В некоторых случаях источники питания высокого напряжения должны иметь чрезвычайно большое внутреннее сопротивление, чтобы ограничить ток к. з.

Нахождение внутреннего сопротивления

Его можно находить двумя путями: рассчитать или измерить. Первым путём идут при работе с электрическими схемами, второй – выбирают, занимаясь с реальными устройствами.

Простой расчёт производится с использованием формулы Закона Ома для участка полной цепи:

Чтобы узнать силу тока, нужно напряжение ЭДС делить на сумму сопротивлений.

Выразив отсюда r, получают формулу для его вычисления:

где:

r – внутреннее сопротивление источника;
ε – ЭДС источника;
I – сила тока в полной цепи;
R – сопротивление в полной цепи.

Комплекс измерений этого параметра у настоящего устройства не подразумевает непосредственных замеров. Тестируются напряжения на нагрузочном сопротивлении в двух режимах тока: холостом и КЗ.

Так как не любой источник может выдержать даже кратковременный режим замыкания, берётся метод измерения без вычислений.

В схему включается внешнее сопротивление нагрузки в виде подстроечного резистора Rн. Выставляется такое значение, при котором падение напряжения на резисторе равнялось бы 1/2 U холостого хода. Тогда измеренное омметром Rн будет соответствовать внутреннему сопротивлению источника.

Таблица удельных сопротивлений различных материалов

Удельное сопротивление ρ, Ом*мм2/м	Удельное сопротивление ρ, Ом*мм2/м
Алюминий	0,028
Бронза	0,095 – 0,1
Висмут	1,2
Вольфрам	0,05
Железо	0,1
Золото	0,023
Иридий	0,0474
Константан ( сплав Ni-Cu + Mn)	0,5
Латунь	0,025 – 0,108
Магний	0,045
Манганин (сплав меди марганца и никеля – приборный)	0,43 – 0,51
Медь	0,0175
Молибден	0,059
Нейзильбер (сплав меди цинка и никеля)	0,2
Натрий	0,047
Никелин ( сплав меди и никеля)	0,42
Никель	0,087
Нихром ( сплав никеля хрома железы и марганца)	1,05 – 1,4
Олово	0,12
Платина	0.107
Ртуть	0,94
Свинец	0,22
Серебро	0,015
Сталь	0,103 – 0,137
Титан	0,6
Хромаль	1,3 – 1,5
Цинк	0,054
Чугун	0,5-1,0

Ответ: нить накаливания сделана из константана.

Когда «сопротивление бесполезно»

Электрический ток — умный и хитрый парень. Если у него есть возможность обойти резистор и пойти по идеальному проводнику без сопротивления, он это сделает. При этом с резисторами просто разных номиналов это не сработает: он не пойдет просто через меньшее сопротивление, а распределится согласно закону Ома — больше тока пойдет туда, где сопротивление меньше, и наоборот.

А вот на рисунке ниже сопротивление цепи равно нулю, потому что ток через резистор не пойдет.

Ток идет по пути наименьшего сопротивления.

Теперь давайте посмотрим на закон Ома для участка цепи еще раз.

Закон Ома для участка цепи

I = U/R

I — сила тока [A]

U — напряжение [В]

R — сопротивление [Ом]

Подставим сопротивление, равное 0. Получается, что знаменатель равен нулю, а на математике говорят, что на ноль делить нельзя. Но мы вам раскроем страшную тайну, только не говорите математикам: на ноль делить можно. Если совсем упрощать такое сложное вычисление (а именно потому что оно сложное, мы всегда говорим, что его нельзя производить), то получится бесконечность.

То есть:

I = U/0 = ∞

Такой случай называют коротким замыканием — когда величина силы тока настолько велика, что можно устремить ее к бесконечности. В таких ситуациях мы видим искру, бурю, безумие — и все ломается.

Это происходит, потому что две точки цепи имеют между собой напряжение (то есть между ними есть разница). Это как если вдоль реки неожиданно появляется водопад. Из-за этой разницы возникает искра, которую можно избежать, поставив в цепь резистор.

Именно во избежание коротких замыканий нужно дополнительное сопротивление в цепи.

Измерение внутреннего сопротивления.

Существует несколько методик измерения внутреннего сопротивления. Две из них прописаны в ГОСТ Р МЭК 61960-2007. Перед замером любым из приведенных ниже методов аккумулятор должен быть полностью заряжен. Испытания проводятся при температуре 20±5ºC.

Измерение внутреннего сопротивления методом переменного тока (а.с.)

С помощью этого метода измеряется импеданс, который на частоте 1000 Гц приблизительно равен сопротивлению.

Электрический импеданс (комплексное электрическое сопротивление) (англ. impedance от лат. impedio «препятствовать») — комплексное сопротивление между двумя узлами цепи или двухполюсника для гармонического сигнала.

Описание методики из ГОСТ

В течение одной – пяти секунд измеряем среднеквадратичное значение переменного напряжения Urms, возникающего при прохождении через аккумулятор переменного тока со среднеквадратичным значением Irms , следующего с частотой 1000 Гц. Внутреннее сопротивление Ra.c., Ом рассчитываем по формуле Ra.c.= Urms / Irms .

Irms (rms – Root Mean Square – среднеквадратичное значение).

Переменный ток должен иметь такое значение, чтобы пиковое напряжение не превышало 20 мВ.

Этот метод сложно воплотить в домашних условиях без специального оборудования. Популярный прибор YR1035 отлично справляется с измерениями с точностью 0,01 мОм. Зарядные устройства SKYRC MC3000 ,Opus BT-C3100V2.2, Liitokala Lii-500 также измеряют методом АС, но весьма с посредственной точностью.

Измерение внутреннего сопротивления методом постоянного тока (d.c.)

Этот метод возможно выполнить в домашних условиях с помощью обычных вольтметра и амперметра и пары подходящих нагрузочных сопротивлений. В качестве сопротивлений вполне можно использовать несколько автомобильных ламп накаливания или импровизированный резистор из нихромовой проволоки.

Описание метода из ГОСТ

Разряжаем аккумулятор постоянным током I1= 0,2 Iн. На десятой секунде измеряем значение напряжения U1 на клеммах аккумулятора.
Увеличиваем разрядный ток до значения I2=Iн. На следующей секунде измеряем значение напряжения U2 на клеммах аккумулятора.

Внутреннее сопротивление Rd.c., Ом рассчитываем по формуле Rd.c. = (U1-U2)/(I2-I1)

Iн – номинальный ток разряда аккумулятора.

Схема для измерения внутреннего сопротивления по методике постоянного тока (d.c.)

Сопротивление R1 и R2 подбирается таким образом, чтобы протекали токи I1 и I2 нужной величины. Ориентироваться нужно на номинальный разрядный ток аккумулятора.

Вольтметр необходимо подключать непосредственно на полюса источника, чтобы исключить влияние от падения напряжения на проводах .

Идеальный источник тока

Идеальный источник тока представляет собой активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах. Предполагается, что внутреннее сопротивление идеального источника тока бесконечно велико , и поэтому параметры внешней электрической цепи, от которых зависит напряжение на зажимах источника, не влияют на ток источника. Условные обозначения идеального источника тока приведены на рис. 1

Стрелка в источнике тока или знаки «+» и «—» указывают положительное направление тока i(t)

или полярность источника, т. е. направление перемещения положительных зарядов.

Сейчас принято обозначать источники тока буквой J, и чаще всего применяется нижнее условно графическое изображение.

Идеальный источник тока

По мере неограниченного увеличения сопротивления внешней электрической цепи, присоединенной к идеальном

у источнику тока, напряжение на его зажимах и соответственно мощность, развиваемая им, неограниченно возрастают.Поэтому идеальный источник тока, так же как и идеальный источник напряжения, рассматривается как источник бесконечной мощности.

Источник тока конечной мощности изображается в виде идеального источника тока с параллельно подключенным к его зажимам пассивным элементом который характеризует внутренние параметры источника и

Представляя собой теоретическое понятие, источник тока применяется в ряде случаев для расчета электрических цепей.

Некоторым подобием источника тока может служить устройство, состоящее из аккумулятора, соединенного последовательно с дополнительным большим сопротивлением Другим примером источника тока может являться пяти электродная усилительная электронная лампа (пентод). Имея внутреннее сопротивление несоизмеримо большее, чем сопротивление внешней электрической цепи, эти устройства отдают ток, почти не зависящий от изменения внешней нагрузки в широких пределах, и именно в этом отношении они аналогичны источнику тока.

Чему равно внутреннее сопротивление источника тока?

Внутреннее сопротивление источника тока r будет определяться формулой: r = ЭДС / I — R. Подставим данные из условия задачи: r = 10 В / 2 А — 4 Ом = 1 Ом. Ответ: источник тока имеет внутреннее сопротивление r = 1 Ом.

Как правильно пользоваться мультиметром: инструкция для чайников

Рассмотрим, как измерить несколько электрических характеристик.

Потенциал

Алгоритм для определения напряжения:

Установить режим в позицию ACV или DCV в предполагаемом интервале.
Черный провод подключить к коннектору СОМ, красный — к разъему VΩmA.
Наконечники щупов соединить с контактами цепи. Например, ввести в отверстия розетки или на полюса батарейки.
Провести измерение.

Высветившееся на дисплее число — величина напряжения в вольтах. Знак «минус» говорит о том, что полярность была нарушена. Если мультиметр поддерживает функцию удержания, значение можно зафиксировать кнопкой HOLD. Это удобно для большой цепочки измерений.

Сила тока

Эта характеристика измеряется только при последовательном подключении тестера в цепь и включенном питании. Большинство приборов дают возможность определить силу тока до 10 А, поскольку в быту большие значения используются редко.
Для проведения измерений в цепи устраивается разрыв. Дальнейшие действия по следующей схеме:

Черный щуп — в гнездо СОМ.
Красный — в разъем до 200 мА или 10А.
Наконечниками осторожно прикоснуться к контактам.
Считать с дисплея значение напряжения.

При работе с оголенными проводами необходимо соблюдать технику безопасности, чтобы не допустить удара током.

Сопротивление

Эту характеристику можно измерить без подачи питания. Исследуемый элемент просто замыкается между двумя щупами. Если проводимости нет, на экране высвечивается единица.
Последовательность действий:

Установить режим Ω, выбрав максимальный диапазон.
Щупы вставить в соответствующие коннекторы.
Проверить состояние — замкнуть щупы друг на друга. Должен появиться 0 или небольшое число, которое нужно учитывать при измерении сопротивления цепи.
Концы проводников набросить на контакты исследуемого объекта.
На экране появится сопротивление элемента или участка цепи.

Для точных измерений рекомендуется провести 2-3 попытки.

Измерение транзисторов

Для проверки исправности pn-переходов и определения коэффициента усиления:

Установить режим
Вставить ножки транзистора в разъем в соответствии с цоколевкой, соблюдая зоны PNP и NPN.
Отображением на дисплее будет значение усиления сигнала.

Диоды и простейшие транзисторы также измеряются при установленном режиме «диод». К базе подключается красный щуп (плюс), на эмиттер или коллектор черный (минус). При правильной полярности на экране высветится коэффициент передачи.

РазноеЧто такое фазное и линейное напряжение?

РазноеБлуждающие токи и способы борьбы с ними

Источник

Что такое внутреннее сопротивление источника питания

Содержание

1 Что такое внутреннее сопротивление
2 Как измеряется внутреннее сопротивление
3 Зачем нужно знать внутреннее сопротивление
4 Видео по теме

Любой источник тока, будь то генератор или гальванический элемент, обладает внутренним сопротивлением. Его величина характеризирует количество энергетических потерь, появляющихся при протекании тока через источник питания. Для генератора внутреннее сопротивление определяется сопротивлением обмоток статора, для аккумулятора — электродов и электролита. Для него используется та же единица измерения, что и для общего сопротивления цепи — Ом.

Что такое внутреннее сопротивление

В электрической цепи обязательно присутствует источник питания. Обычно, оценивая его параметры, указывают, какую разность потенциалов между клеммами он обеспечивает. Если говорить об идеальной модели источника питания, то можно предположить, что он способен обеспечить в электрической цепи любую мощность с учётом имеющейся разности потенциалов.

Реальные устройства в этом аспекте сильно отличаются друг от друга. Чтобы определить работоспособность аккумулятора важно знать, что такое внутреннее сопротивление. Обычно с течением времени и вследствие износа оно постепенно возрастает. Анализируя уровень и скорость того, как изменяется внутреннее сопротивление источника тока, можно принять решение о продолжении использования батареи или о необходимости её замены.

Сказанное следует пояснить на примере. Для запуска мотора автомобиля используется аккумулятор на 12 Вольт. Известно, что при этом сила тока может достигать 250 Ампер. Однако, если взять другой элемент питания с такой же разницей потенциалов, то вполне возможна ситуация, когда от него запуск мотора осуществить не получится.

В качестве примера такого источника можно рассмотреть несколько гальванических элементов, соединённых последовательно. Разница в двух рассматриваемых ситуациях определяется наличием различного внутреннего сопротивления.

Этот параметр для аккумулятора представляет собой сумму нескольких слагаемых: сопротивление каждого вывода, корпуса и используемого электролита. В некоторых источниках тока при этом могут учитываться дополнительные элементы, включённые в данную цепь.

Важно учитывать, что понятие омического сопротивления в этой ситуации неприменимо, поскольку требуется наличие в цепи только пассивных элементов. Когда создана замкнутая цепь, ток протекает не только по ней, но и внутри источника тока. Внутреннее сопротивление определяет величину потерь энергии в нём.

Его наличие в цепи можно проиллюстрировать ещё одним примером. Если на клеммах аккумулятора имеется 12 вольт, то на первый взгляд можно легко предсказать, какая сила тока будет при нагрузке 1 Ом. Очевидно, что нужно ожидать, что по цепи пройдёт ток, равный 12 Ампер.

На самом деле это утверждение не соответствует действительности: ток будет немного меньше — примерно 11.2 Ампера. Здесь нет никакого несоответствия физике. Ведь при расчёте дополнительно требуется учитывать сопротивление источника тока, из-за которого происходит расход энергии. Оно называется внутренним. Его можно мысленно представить как резистор, соединённый последовательно с источником тока.

Как измеряется внутреннее сопротивление

r = U / I(зам), где

буквой r обозначено внутреннее сопротивление источника тока;
U — разность потенциалов на клеммах батареи без подсоединения к электрической цепи;
I(зам) — ток, который проходит при непосредственном замыкании клемм друг на друга.

Находить значение нагрузки таким образом не всегда возможно или целесообразно, поскольку короткое замыкание может стать причиной серьезной аварии.

Поэтому на практике измерять внутреннее сопротивление источника питания с помощью короткого замыкания можно разве что только у маломощных аккумуляторов на 1,2В (при этом мультиметр должен находиться в режиме измерения тока до 20А). Для определения внутреннего сопротивления у мощных источников, таких как, автомобильный аккумулятор и подобных необходимо использовать активную нагрузку (например, лампу накаливания), а сам способ расчёта приведён в статье ниже.

Зачем нужно знать внутреннее сопротивление

На внутреннее сопротивление источника питания могут оказывать влияние такие факторы:

Температурные условия. Чем холоднее, тем с меньшей скоростью в аккумуляторе протекают химические процессы. Это приводит к увеличению внутреннего сопротивления и постепенному уменьшению напряжения на клеммах.
Срок службы аккумулятора. У новых устройств внутреннее сопротивление имеет минимальную величину. Постепенно оно начинает расти. Это связано с тем, что в аккумуляторе происходит необратимый химический процесс. В некоторых случаях он относительно медленный, а в других может быть довольно заметным. Последнее, например, относится к свинцово-кислотным аккумуляторам.
Емкость аккумулятора.
Иногда на устройство может оказываться механическое воздействие, из-за которого появляются внутренние обрывы.
Количество используемого электролита.
Ток, который создаётся батареей, зависит от нагрузки цепи. В зависимости от него меняется сопротивление.

ЭДС (ℰ, единица измерения — вольты, В) — это электродвижущая сила источника питания, равная отношению работы сторонних сил по перемещению заряда от отрицательного полюса источника к положительному к величине этого заряда: ℰ=A/q. Если к источнику питания не подключена нагрузка, то ЭДС по своему значению равно напряжению на его клеммах.

Сопротивление лампы накаливания сильно отличается в нагретом и холодном состоянии. Поэтому определять «R» с помощью мультиметра в режиме измерения сопротивления — неверно. Чтобы точно узнать сопротивление лампы накаливания необходимо померить ток, проходящий через неё и напряжение на лампе во включенном (нагретом) состоянии. Далее, по закону Ома можно вычислить искомую величину:

R = U / I = 1.2 / 0.3 = 4 Ом.

Тогда: R + r = ℰ / I

Из этой формулы определяется r = ℰ / I − R = 1.5 / 0.3 − 4 = 1 Ом.

Таким образом можно определять внутреннее сопротивление источника питания в безопасном режиме, не прибегая к короткому замыканию.

I = ℰ / (R + r),

так как вольтметр имеет сопротивление R→∞, то ток I≈0. Следовательно напряжение на клеммах равно ЭДС:

U = I·R = ℰ – I·r = ℰ.

Видео по теме

Источник

Электрической цепью называют обычно электрический контур по которому течет ток. Цепь может состоять к примеру из батарейки питающей лампочку, или из множества элементов соединенных между собой к примеру в вашем компьютере. Цепь может состоять из неограниченного количества элементов и ток всегда входит по одному контакту в начале цепи и выходит по одному контакту в конце цепи.

Для справки:

Многие люди называют обрыв цепи — коротким замыканием. Нужно четко понимать что короткое замыкание это по сути мостик (перемычка) для прохождения тока по кратчайшему пути в месте замыкания, в обход части элементов всей электрической цепи.

Обычно короткое замыкание имеет очень маленькое сопротивление — это приводит к протеканию большого по величине тока от источника питания (может вывести его из строя). Если провод питания напрямую соединяется с массой (возможен вариант замыкания плюса и минуса источника питания) обычно перегорает предохранитель, а если его нет, то может сгореть источник питания. Это и есть короткое замыкание.

Если что то включается и снова перестает работать когда вы двигаете элементы цепи, это называется обрыв цепи и обрыв происходит именно в тот момент когда прибор не работает. То есть ток не течёт и цепь не работает.

Движение тока и движение электрона в цепях постоянного тока

На картинке выше вы можете увидеть как протекает электрический ток и как движутся электроны. Как вы можете заметить электроны движутся от минуса (отрицательного контакта источника питания) к плюсу (положительный контакт). Так в действительности движется электрический ток. Большую часть времени люди считали что носителями заряда были положительно заряженные частицы, а значит они должны были двигаться от положительного к отрицательному контакту. Так обычно представляют себе обычное движение тока. Если вам проще представлять что ток течет от плюса к минусу, то в этом нет ничего страшного, это не меняет сути процесса.

В цепях с переменным током, полярность источника тока постоянно меняется, поэтому в такой цепи электроны движутся как в прямом так и в обратном направлении. В других статьях на нашем сайте мы еще поговорим о постоянном и переменном токе.

Всем привет. Я очень рад, что вы зашли на мой сайт. И сегодня, мы с вами, поговорим о том, что такое короткое замыкание и какие замыкания бывают.

Короткое замыкание – это соединение (соприкосновение) двух или нескольких точек (проводников) электрической цепи с разными потенциальными значениями.

Разные потенциалы – это когда фаза и ноль в сети переменного тока, или плюс и минус в сети постоянного тока.

Теперь давайте рассмотрим, какие бывают виды короткого замыкания.

В однофазной сети может быть только два вида короткого замыкания:

1. фаза и ноль – это вид замыкания очень часто бывает в простых бытовых условиях. К примеру с наступление зимы становится холодно, и многие люди пытаются согреться с помощью электрических обогревателей.

Но мало кто обращает внимание на розетки, в которые включают эти самые обогреватели. Очень часто бывает, что розетки не рассчитаны на токи, которые потребляют обогреватели, или же часто в розетках может быть плохой контакт.

Из-за этого розетки и вилочки начинают греться. В следствии длительных нагревов разрушается изоляция проводов. И в один прекрасный момент два, уже оголевших, проводника могут соприкоснуться, и получится короткое замыкание.

2. фаза и заземление – это когда фазный провод, каким-то образом начинает контактировать с заземлённым корпусом любого электрического оборудования. Будь то электрический водонагреватель, светильник, станок и так далее.

Бывает ещё такое, что корпус может быть занулённым, тогда такое замыкание можно отнести к первому случаю.

А вот в ситуаций, при которых возникает короткое замыкание, может быть намного больше:

1. однофазное замыкание – фаза и ноль. Этот вид я уже описывал выше, так что переходим к следующему.

2. двухфазное – это когда соединились между собой две фазы. Часто случается на воздушных линиях электропередач. Такое явление, наверное, видел каждый человек в своей жизни. Когда на улице сильный ветер и начинает расшатывать провода, и получает не большой салют. На промышленных предприятиях такое замыкание часто случается в силовых цепях.

3. двухфазное и земля – такое, конечно, реже бывает, но всё равно случается. Пример, когда две фазы могут соединиться между собой, и одновременно контактировать ещё и с землёй.

4. трёхфазное – это когда все три фазы каким-то образом замкнулись между собой. Такое замыкание получится при падении или прикосновении, какого-то токопроводящего предмета ко всем трём фазам одновременно.

Какие могут быть последствия от токов короткого замыкания.

При коротком замыкании мгновенно возрастает ток, что приводит сильному нагреву и расплавлению металлов. Брызги этого металла разлетаются во все стороны, и всё это сопровождается яркой вспышкой и огнём. Что легко может привести к пожару и к очень серьёзным последствиям.

В обычных домашних условиях, если не правильно подобрать защиту от короткого замыкания, то реально можно потерять очень многое. Начиная от жилища и мебели, и заканчиваю своей и жизнью людей живущих с вами под одной крышей.

На предприятиях токи короткого замыкания могут привести к аварийным ситуациям, повреждению оборудования, ну и от этого так же могут пострадать люди. Но на предприятиях обычно используют несколько защит сразу, что практически исключает возникновению коротких замыканий.

Вот и всё что хотел сказать. Если у вас есть какие-то вопросы, то задавайте их в комментариях. Если статья была вам полезной, то поделитесь нею со своими друзьями в социальных сетях и подписывайтесь на обновления. До новых встреч.

С уважением Александр!

Короткое замыкание происходит, когда токоведущие части различных потенциалов или фаз, соединяются между собой. Замыкание может образоваться и на корпусе оборудования, имеющем связь с землей. Данное явление характерно также для электрических сетей и электрических приемников.

Причины и действие тока короткого замыкания

Причины возникновения короткого замыкания могут быть самыми различными. Этому способствует влажная или агрессивная среда, в которой значительно ухудшается . Замыкание может стать результатом механических воздействий или ошибок персонала во время ремонта и обслуживания.

Суть явления заключается в его названии и представляет собой укорачивание пути, по которому проходит ток. В результате, ток протекает мимо нагрузки, обладающей сопротивлением. Одновременно, происходит его увеличение до недопустимых пределов, если не сработает защитное отключение.

Однако, отключение напряжения может не случиться даже если присутствуют защитные средства. Такая ситуация складывается, когда место короткого замыкания сильно удалено и значительное сопротивление делает ток недостаточным для срабатывания защитных устройств. Тем не менее, этого тока вполне хватает для возгорания проводов и возникновения пожара.

В таких ситуациях большое значение имеют так называемые времятоковые характеристики, свойственные автоматическим выключателям. Здесь большую роль играет отсечка тока и тепловые расцепители, защищающие от перегрузок. У этих систем совершенно разное время срабатывания, поэтому, медленное действие тепловой защиты может привести к образованию горящей дуги и повреждению проводников, расположенных рядом.

Токи короткого замыкания оказывают на аппаратуру и электроустановки электродинамическое и термическое воздействие, что в конечном итоге, приводит к их значительной деформации и перегреву. В связи с этим, необходимо заранее производить расчеты токов короткого замыкания.

Как рассчитать ток короткого замыкания по формуле

Расчет данных токов, как правило, производится в случае необходимости проверки работы оборудования в экстремальных ситуациях. Основной целью является определение пригодности защитных автоматических устройств. Для того, чтобы правильно рассчитать ток короткого замыкания прежде всего, необходимо точно знать металл, из которого изготовлен проводник. Для расчетов также потребуется длина провода и его сечение.

Для определения удельного сопротивления необходимо знать показатель активного сопротивления Rп, значение которого состоит из удельного сопротивления провода, умножаемого на его длину. Значение индуктивного сопротивления Хп рассчитывается по показателю удельного индуктивного сопротивления, принимаемого, как 0,6 Ом/км.

Показатель Zt является полным сопротивлением фазной обмотки, установленной в трансформаторе со стороны низкого напряжения. Таким образом, своевременные предварительные расчеты помогут избежать серьезных повреждений электрооборудования, вызванных коротким замыканием.

Расчеты дают возможность точно определить, какой автоматический выключатель обеспечит наиболее эффективную защиту от замыканий. Однако, все необходимые измерения можно произвести с помощью специального прибора, который как раз и предназначен для определения этих величин. Для проведения замера, прибор подключается к сети и переводится в необходимый режим.

Защита сети от короткого замыкания

Расчет токов короткого замыкания (КЗ) необходим для выбора аппаратуры и проверки элементов электроустановок (шин, изоляторов, кабелей и т. д.) на электродинамическую и термическую устойчивость, а также уставок срабатывания защит и проверки их на чувствительность срабатывания. Расчетным видом КЗ для выбора или проверки параметров электрооборудования обычно считают трехфазное КЗ. Однако для выбора и проверки уставок релейной защиты и автоматики требуется определение и несимметричных токов КЗ.

Расчет токов КЗ с учетом действительных характеристик и действительных режимов работы всех элементов системы электроснабжения сложен. Поэтому для решения большинства практических задач вводят допущения, которые не дают существенных погрешностей :

трехфазная сеть принимается симметричной;

не учитываются токи нагрузки;

не учитываются емкости, а следовательно, и емкостные токи в воздушной и кабельной сетях;

не учитывается насыщение магнитных систем, что позволяет считать постоянными и не зависящими от тока индуктивные сопротивления всех элементов короткозамкнутой цепи;

не учитываются токи намагничивания трансформаторов.

В зависимости от назначения расчета токов КЗ выбирают расчетную схему сети, определяют вид КЗ, местоположение точек КЗ на схеме и сопротивления элементов схемы замещения. Расчет токов КЗ в сетях напряжением до 1000 В и выше имеет ряд особенностей, которые рассматриваются ниже.

При определении токов КЗ используют, как правило, один из двух методов:

метод именованных единиц – в этом случае параметры схемы выражают в именованных единицах (омах, амперах, вольтах и т. д.);

метод относительных единиц – в этом случае параметры схемы выражают
в долях или процентах от величины, принятой в качестве основной (базисной).

Метод именованных единиц применяют при расчетах токов КЗ сравнительно простых электрических схем с небольшим числом ступеней трансформации.

Метод относительных единиц используют при расчете токов КЗ
в сложных электрических сетях с несколькими ступенями трансформации, присоединенных к районным энергосистемам.

Если расчет выполняют в именованных единицах, то для определения токов КЗ необходимо привести все электрические величины к напряжению ступени, на которой имеет место КЗ.

При расчете в относительных единицах все величины сравнивают с базисными, в качестве которых принимают базисную мощность одного трансформатора ГПП или условную единицу мощности, например 100 или 1000 МВА.

В качестве базисного напряжения принимают среднее напряжение той ступени, на которой произошло КЗ (U
ср = 6,3; 10,5; 21; 37; 115; 230 кВ). Сопротивления элементов системы электроснабжения приводят к базисным условиям в соответствии с табл. 3.1.

Таблица 3.1

Средние удельные значения индуктивных сопротивлений

воздушных и кабельных линий электропередачи

Возможны следующие виды неисправностей электрических цепей — короткие замыкания (к. з.) и обрывы.

Короткое замыкание.
Под ним понимают соединение между собой «плюсовых» и «минусовых» проводников тока (проводов двух и более фаз сети переменного тока) помимо потребителя электрической энергии. К. з. возможны как в высоковольтных, так и в низковольтных цепях. Возникает к. з. как при непосредственном касании открытых (неизолированных) частей проводников, так и в результате повреждения их изоляции из-за пробоя ее вглубь или перекрытия электрической дугой по изоляционной поверхности. Возможно возникновение неполного к. з., когда в цепи к. з. оказывается включенной часть резистора или других потребителей.

Возникновение к. з. возможно вследствие плохого состояния изоляции токоведущих частей, их загрязнения, попадания посторонних металлических предметов (гаечные ключи, напильники, остатки проводов и т. п.) на токоведущие части, обрыва отдельных оголенных токоведущих частей (например, гибкого шунта), перенапряжения (атмосферные или коммутационные, т. е. вызываемые нарушениями принятой последовательности переключения цепей). У коллекторных электрических машин к. з. могут возникать вследствие нарушения коммутации, в том числе и при сильном боксовании колесных пар. К. з. внутри аккумуляторной батареи может возникнуть как из-за плохого состояния резиновых чехлов элементов, так и из-за избытка и подтекания электролита при перезаряде. Частным случаем, приводящим к к. з., можно считать потерю полупроводниковыми выпрямителями запирающих свойств.

Последствия к. з.
Во всех случаях протекания большого тока тепловое действие тока приводит к повреждению (выжиганию) деталей в месте возникновения к. з., а также повышенному нагреву их изоляции на всем участке, по которому такой ток протекал. В последующем возможно к. з. в другом месте этой цепи, особенно при повышенной влажности атмосферного воздуха. Наиболее серьезное возможное последствие к. з. — пожар.

Способы устранения короткого замыкания. Наиболее просто исключить поврежденный 1 элемент цепи — тяговый двигатель, вспомогательную машину, отдельный аппарат, а в критическом случае и целую секцию электровоза. Однако, в ряде случаев последствия к. з. можно уменьшить, сохраняя достаточную работоспособность электровоза, создав электрическую цепь в обход поврежденного участка или поставив (подложив) новую временную изоляцию взамен поврежденной, убрав с места к. з. посторонний предмет и т. п. Методы выявления места к. з. рассматриваются ниже.

Обрыв цепи.
Причинами обрывов электрической цепи могут быть: механические повреждения (сильное натяжение или крутой перегиб провода, кабеля, шины, слабое закрепление их конца, частые колебания, например, межкузовных проводов), отгорание провода или выпаивание его из наконечника, сильное окисление контактов или попадание постороннего изолирующего предмета между ними. У аккумуляторной батареи обрыв цепи возникает при изломе перемычек или окисления контактов, вытекании электролита из элементов.

Перегорание предохранителя также можно считать обрывом цепи независимо от причины, его вызвавшей. Обрыв цепи возникает также при несрабатывании привод какого-либо аппарата, как вследствие снижения напряжения цепи управления, так и в случае механического повреждения, а также из-за снижения давления воздуха.

Последствия обрывов цепи носят иной характер, чем к. з., однако все-таки достаточно серьезны: не поднимается токоприемник, не включаются аппараты защиты цепей, не собираются цепи тяговых двигателей или вспомогательных машин. Во всех этих случаях поезд стоит, что приводит к сбою в движении поездов и косвенно создает угрозу безопасности их движения.

Способы устранения обрывов.
В высоковольтных цепях с большими токами восстановление оборванного участка, как правило, затруднительно из-за большой площади сечения проводов (шин, шунтов), поэтому чаще всего такой участок или отключают целиком или «обходят» за счет существующих параллельных цепей без каких-либо сложных переключений; лишь при наличии на электровозе переходных скоб, перемычек можно такой участок частично или полностью восстановить. Если обрыв вызван не замыканием контактов аппарата из-за неисправности его привода, их во многих случаях можно замкнуть принудительно.

При обрыве (нарушении) низковольтной цепи в зависимости от вил повреждения поступают различно; иногда достаточно только пошевелить и зачистить окислившийся или подгоревший контакт, в других случаях следует поставить перемычку, шунтируя оборванный участок. Если оборван или выпаян наконечник провода, то конец провода защищают и присоединяют к зажиму взамен снятого наконечника. Устанавливаемая перемычка должна иметь изоляцию по всей длине, за исключением ее концов, жилы которых перед присоединением должны быть тщательно скручены и зачищены. Площадь сечения токоведущей части перемычки должна соответствовать площади сечения провода, цепь которого нарушена. Если перемычка длинная, то ее следует закрепить в нескольких местах от колебаний и возможного касания как высоковольтных цепей, так и заземленных деталей.

Способы выявления повреждений электрической цепи. Многие нарушения цепей и неисправности аппаратов машинист или его помощник обнаруживают без каких-либо специальных приборов. При знании цепей и конструкции аппаратов и достаточной внимательности большинство неполадок быстро выявляют, наблюдая за измерительными приборами, сигнальными лампами и аппаратурой, размещенными в кабине. В более сложных случаях прозванивают цепи контрольной лампой или вольтметром, а в условиях депо и пунктах оборота — омметром.

Метод сопоставления признаков.
Для быстрого отыскания неисправности очень важно уметь сопоставить различные возникающие признаки, что возможно при прочных знаниях и повседневном систематическом изучении цепей и аппаратов. Сопоставление признаков — этот метод отыскания неисправностей ценен тем, что в условиях эксплуатации использование иных методов требует значительного времени, остановки электровоза и опускания токоприемника. Следовательно, возможность их применения обычно весьма ограничена.

К основным признакам, учитываемым и сопоставляемым при отыскании неисправностей, относят следующее:

Значение тока, фиксируемое по амперметру до и после появления неисправности;

Значение напряжения в сети и на двигателях;

Колебания стрелок приборов;

Положение рукояток контроллера и кнопок управления;

Скорость движения;

Показания сигнальных ламп;

Значение давления в пневматических магистралях;

Отключение аппаратов;

Внешние признаки (искрение, дым, запахи, изменение характера шума);

Напряжение на батарее или генераторах и др.

Особые случаи неисправностей электрических цепей
. Помимо явных обрывов и коротких замыканий в цепях, рассмотрим случаи, сходные по последствиям с ними, но несколько отличающиеся по причинам.

Соединение проводов друг с другом. Нарушение изоляции проводов приводит к соединению их токопроводящих жил. Чаще всего такие повреждения возникают в местах перегибов проводов, местах подсоединения их к аппаратам, возможно также взаимное касание наконечников соседних проводов у зажимов на рейках зажимов, оборванных шунтов, например, у контакторных элементов контроллера.

В высоковольтной цепи подобная неисправность обычно приводит к серьезным повреждениям, подобным тем, какие возникают при коротком замыкании. В низковольтных цепях соединение проводов обнаруживают по несвоевременному срабатыванию того или иного аппарата. Важно установить, какие провода соединились- питающие (плюсовые) или отводящие, заземляющие (минусовые).

Так, включение кнопки Кн1 ведет к возбуждению катушек 1 и 2, хотя нормально катушка 2 возбуждаться не должна. По включению аппарата, связанного с катушкой 2, судят о замыкании питающих проводов. Если место замыкания обнаружить затруднительно, то в зависимости от назначения аппарата 2 его либо включают постоянно, либо отключают или же, отключив катушку от неисправной цепи, подводят к ней питание от третьей цепи,
замыкаемой контактом С. Плавкая вставка предохранителя Пр1 обычно не перегорает, так как увеличение тока при параллельном подключении второй катушки невелико.

Возможно замыкание минусовых проводов, не вызывающее каких-либо отклонений от нормального режима.
Иногда может произойти замыкание проводов, приводящее к возбуждению, например, катушки 1при включении кнопки Кн1 даже в случае разомкнутого положения блок-контакта БК. Обнаружить такое взаимное соединение проводов трудно, поэтому часто к катушке присоединяют проводник и одновременно отсоединяют концы проводника, имеющего замыкание, от зажимов аппаратов, к которым он подключен. Если место соединения проводов обнаружено, то, чтобы их изолировать друг от друга, подкладывают резину, сухой картон и т. п.

Как видно из обоих примеров, взаимное соединение проводов цепи управления иногда не менее опасно, чем короткое замыкание.

Пониженное напряжение низковольтного источника электроэнергии (генератора или батареи). Оно приводит к отключению (или не включению) вначале отдельных, а затем и всех аппаратов с электромагнитным приводом, т. е. к разбору цепей; все такие приводы рассчитаны на наименьшее напряжение 35 В (радиостанция ЖР на 40-50 В). О пониженном напряжении основного источника тока узнают по показаниям вольтметра цепи управления и загоранию сигнальной лампы РОТ или ЗБ (на электровозах с ТРПШ), а в ночное время и по снижению накала ламп освещения и прожектора.

Пониженное давление воздуха. В пневматической цепи управления пониженное давление приводит к отключению (или не включению) вначале отдельных, а затем и всех аппаратов с пневматическим приводом. Такие неполадки происходят при неправильном переключении кранов магистрали управления перед отправлением с поездом. Их обнаруживают по разбору цепей на первом перегоне, а иногда тут же на станции. Наиболее серьезное последствие этого — сгорание контактов одного или нескольких контакторов, так как по мере снижения давления воздуха контакты контакторов медленно расходятся под током. Сильное снижение давления приводит также к опусканию токоприемника во время движения.

Заклинивание валов якорей (роторов) электрических машин. Такая неисправность приводит к значительному увеличению в них тока и срабатыванию защитных реле (перегрузки, тепловых) или сгоранию вставки предохранителя. Следует отметить, что увеличение тока может не вызывать срабатывания таких защитных аппаратов, как дифференциальные реле или реле заземления, поскольку в начале процесса изоляция проводов еще не перегрета и замыкания на корпус не возникает. Неоднократное срабатывание РП, ТРТ, сгорание предохранителя требует обратить внимание на характер работы электрической машины, защищаемой данным аппаратом.

У тяговых двигателей заклинивание якоря (колесной пары, зубчатой передачи) при большой скорости приводит к круговому огню по поверхности коллектора и перебросу дуги на остов, поэтому дополнительно срабатывают реле ДР и БВ на электровозе постоянного тока и РЗ и ГВ на электровозах переменного тока. Однако при малой скорости движения на электровозах постоянного тока срабатывания ДР и БВ не происходит, что дезориентирует машиниста, и он после неоднократного срабатывания защиты на высокой скорости переходит на движение с понижением ее. В результате на бандажах колес возможно появление выбоин, изоляция тягового двигателя будет пересушена, возможно повреждение колес.

Таким образом, если якорь (ротор) любой машины не вращается или частота вращения явно ниже нормы (на слух), электрическую цепь двигателя следует отключить, колесную пару на станции вывесить.

49
. Общий порядок действия при возникновении повреждений в электрических цепях и проверка цепей контрольной лампой.

Общий порядок действий
. При возникновении неисправности в электрических цепях можно рекомендовать машинисту следующий порядок действий: еще при движении сопоставить признаки повреждения, остановив поезд, соблюдая меры безопасности, произвести наружный осмотр аппаратов и машин, входящих в намечаемую

для проверки цепь; при необходимости проверить секвенцию; прозвонить цепи; определить степень и характер повреждения; по мере возможности устранить повреждение

Проверку электрических цепей контрольными приборами (лампами, вольтметрами, электрическими звонками, омметрами и т. п.) условно называют прозвонкой. Ее выполняют для определения места обрыва или короткого замыкания в электрических цепях, когда внешних признаков недостаточно.

Чаще всего прозвонку цепей на электровозе проводят с помощью контрольной лампы — обычной электрической лампы, рассчитанной на напряжение 50 В, с двухконтактным патроном «Сван» и двумя проводами. Эти провода изолированы, а концы их оголены и зачищены на длине 0,5-1 см. Длина одного провода не менее 1,5-2 м, а другого — 0,5 м. К короткому концу рекомендуется заранее припаять зажим типа «крокодил». Мощность лампы не превышает 15-25 Вт; при большей мощности сопротивление ее нити может оказаться значительно меньше сопротивления проверяемой цепи, и накал лампы не будет заметен.

Проверка цепей на обрыв
. Основные правила проверки: цепь должна быть по возможности собрана полностью, как это соответствует заводской схеме; проверяемую цепь условно разбивают на два примерно равные (по числу элементов: блок-контактов, зажимов и т. п.) участка; убедившись, что на одном из них обрыва нет, другой непроверенный участок также условно разбивают на два примерно одинаковых участка и т. д. Точкой таких делений может быть зажим на рейке, вывод у блок-контакта, катушка привода аппарата. Как» правило, такой метод при анализе длинных цепей дает наискорейший результат.

При проверках можно применять три метода: подавая напряжение на начало анализируемой цепи, подавая напряжение на один из проводов контрольной лампы, а с некоторыми предосторожностями и методом закорачивания отдельных участков перемычкой.

Проверка низковольтной цепи на обрыв.
Предположим, что не включается какой-либо индивидуальный контактор, в цепи катушки привода которого имеется несколько блок-контактов (рис. 89). Если это контактор с электропневматическим приводом, то нажатием на кнопку вентиля проверяют исправность пневматической части привода, а также наличие сжатого воздуха. Включение аппарата при нажатии на его кнопку подтверждает, что пневматическая часть исправна. Затем проверяют исправность контрольной лампы, для чего ее провод с зажимом «крокодил» присоединяют к элементам низковольтной цепи, соединенным с плюсом аккумуляторной батареи, а другой — к корпусу электровоза. Загорание лампы указывает, что она исправна.

В качестве плюса в высоковольтной камере электровозов постоянного тока используют блок-контакты быстродействующего выключателя БВ-1 или БВ-2 и некоторых реле при включенной соответствующей кнопке; на электровозах BJI10 под напряжением находятся постоянно провода К50, К51, К53 и др. Минусом служит медная воздухопроводящая трубка или любая очищенная от краски часть каркаса высоковольтной камеры.

Рис.26. Схема прозвонки ЦУ контрольной лампой.

Пусть необходимо установить, где оборвана цепь катушки (рис. 26, а). Короткий провод исправной контрольной лампы присоединяют к «земле» (минусу), а длинным касаются точек, отмеченных на рисунке буквами.

Начнем проверку с середины цепи катушки, при этом будем считать контакты а-б контроллера включенными (но не известно, есть ли у них взаимный контакт); присоединяем длинный провод к выводу д катушки: если лампа загорается, цепь б-д исправна, если не загорается, то нет; если лампа загорелась, то касаемся вывода катушки е — загорание лампы тусклым светом — указывает еще раз на исправность цепи до катушки, а кроме того, и на исправность самой катушки и на отсутствие цепи от точки е до «земли» и т. д.

Если при касании точки д лампа не загорается, то присоединяем вывод лампы к точке в; если она горит, а при контакта г не горит, то, очевидно, нарушена цепь в блок-контакте в-г.

Проверим эту же цепь вторым методом, т. е. подав напряжение на вывод лампы (рис. 26, б). Если при касании точки д лампа горит тусклым светом, то цепь от дочки д до «земли» исправна; пересоединим вывод лампы на точку В, и лампа вновь горит тусклым светом, вывод — нарушена цепь на участке а-в. Продолжая анализировать, находим место повреждения (видимо, нарушен контакт а-б или обрыв в проводе б-в).

Проверим цепь третьим методом (без лампы). Присоединяем концы изолированного провода (на одном конце его зажим «крокодил» может быть присоединен к стержню отвертки с изолированной рукояткой) к точкам в-г (или е-и), привод аппарата Р срабатывает на включение — неисправный участок найден; возможно, удобнее соединить контакты б и д (когда контакты в-г находятся на другом конце электровоза, а точки б-д- поблизости).

Пользуясь этим методом, можно допустить такую ошибку: присоединив концы проверочного провода к точкам д-е или г-ж, в лучшем случае вызовем перегорание предохранителя, в худшем — получим ожоги руки или лица, т. е. не следует присоединять концы проводников к участкам цепи по разные стороны потребителя (катушки Р) катушка Р в данном случае имеет внутренний обрыв.

Этими методами могут быть проверены цепи катушек приводов всех низковольтных аппаратов любого электровоза, однако цепь катушки 4уд ГВ электровоза переменного тока можно проверить или третьим методом или, используя контрольную лампу, первым методом от кнопочного выключателя в кабине (сопротивление катушки 1140 Ом). Что касается цепи катушек высоковольтных реле, то их сопротивления очень различны и, кроме того, в их цепях в большинстве случаев имеются высокоомные резисторы, а не блок-контакты, поэтому использование указанных методов, как правило, затруднительно.

Проверка высоковольтной цепи на обрыв. Для проверки цепей с большими сопротивлениями контрольные лампы непригодны. Это относится к проверке исправности добавочных резисторов вольтметров, цепей защитного вентиля, реле боксования и повышенного напряжения, счетчика электроэнергии, поскольку они имеют сопротивления, в десятки, сотни и даже тысячи раз большие сопротивления контрольной лампы. Для проверки таких цепей используют омметры или другие специальные измерительные приборы.

Обрывы в силовой цепи тяговых двигателей или вспомогательных машин можно обнаружить и с помощью лампы, поскольку собственное сопротивление каждого элемента цепи и всей цепи в целом значительно меньше сопротивления лампы, даже если ее мощность не 15, а 50 Вт. На электровозах постоянного тока место обрыва уточняют уже описанным методом, искусственно присоединив плюс аккумуляторной батареи к началу проверяемой цепи. Можно применить и метод закорачивания участков.

Как уже указывалось, для более быстрого отыскания обрыва в длинных цепях начинают проверку с середины подозреваемого участка, чем сразу проверяют половину цепи. Ту половину, в которой обнаружен обрыв, в свою очередь делят примерно пополам.

Предположим, электровоз постоянного тока, на 1-й позиции главной рукоятки контроллера не трогается с места, хотя быстродействующий выключатель и крышевой разъединитель включены, валы реверсоров поворачиваются нормально и линейные контакторы включаются, лампа РПН горит; все эти признаки указывают на обрыв силовой цепи тяговых двигателей.

При опущенном токоприемнике, но включенном БВ, каким-либо проводником подают плюс на вводные зажимы дугогасительных катушек БВ или свободные зажимы шинного разъединителя (рис. 27, а). Затем, присоединив короткий провод контрольной лампы к «земле» (к корпусу), концом длинного провода касаются различных точек цепи, оставив главную рукоятку контроллера на 1-й позиции. Если в момент касания точки В лампа горит, а при касании точки Г нет, то, следовательно, обрыв произошел на участке цепи В-Г.

Рис.27. Схема прозвонки высоковольтеой цепи контрольной лампой.

Этот метод имеет следующий недостаток. При случайном восстановлении цепи в месте обрыва может произойти полное или частичное короткое замыкание аккумуляторной батареи. Поэтому чаще проверку производят вторым методом: подают напряжение на один провод контрольной лампы, а другим касаются различных точек цепи (рис. 27, б). В случае обрыва на участке В-Г лампа не будет гореть при касании ее проводом точки В и будет загораться при касании точки Г, поскольку эта точка присоединена к «земле» через остальную часть силовой цепи. В качестве точек присоединения провода лампы удобно использовать ножи отключателей двигателей.

Можно применить и другой метод. Присоединив контрольную лампу одним проводом к плюсу батареи, другим соединить ее с ножом шинного разъединителя и затем набирать позиции контроллером.

Если лампа загорится на одной из реостатных позиций последовательного соединения, то, значит, обрыв в пусковых резисторах (или их соединениях), а если лампа загорится после перехода на последовательно-параллельное соединение, то обрыв в обмотках тяговых двигателей; возможно также, что перегорел кабель, подходящий к линейным контакторам, к контактору 32-0, к одному из контакторных элементов реверсора, а также к выводам (со стороны «земли») последних по схеме тяговых двигателей.

Проверка цепей на короткое замыкание. В большинстве случаев защитный аппарат защищает не одну, а несколько электрических цепей, поэтому, получив тот или иной сигнал о его срабатывании или перегорании предохранителя, первыми действиями машиниста всегда будет:

а) выключение всех подозреваемых цепей;

б) восстановление защиты (замена предохранителя);

в) поочередное включение тех участков цепи, повреждение которых могло вызвать срабатывание защиты;

г) повторное срабатывание защиты при включении одной из цепей сужает зону поиска.

В некоторых случаях поиск можно прекратить, например, если срабатывает защита при включении одного из компрессоров; уточнение характера повреждения можно отложить до прибытия на одну из ближайших станций.

Неоднократно включая отдельные участки цепи, машинист наблюдает за изменением показания сигнальных ламп. Однако наличие даже большого числа сигнальных указателей (ламп, блинкеров-флажков) у аппаратов все же не всегда точно указывает место повреждения.

В большинстве случаев заземления одной из точек цепи тяговых двигателей, реверсоров, тормозных переключателей, резисторов ослабления возбуждения можно вести поезд дальше, закоротив блокировку РЗ в цепи удерживающей катушки ГВ и, отсоединив катушку переменного тока реле заземления; за действием электрооборудования наблюдение усилить.

На электровозах постоянного тока самый быстрый метод отыскания места короткого замыкания цепи тяговых двигателей следующий: выключают все ножи двигателей и, присоединив один провод контрольной лампы к плюсу батареи, вторым поочередно касаются всех выключенных ножей ОД (ОМ) сначала на одной секции, затем на другой (ВЛ10). Загорание лампы указывает на повреждение цепи того или иного двигателя.

Для дальнейшего уточнения места к. з. отключенный с обеих сторон участок делят на две части, подкладывая изоляцию или отсоединяя кабель. В рассматриваемом случае, если лампа загорается при касании проводом точки а, для дальнейшего уточнения места повреждения отсоединяют обмотки полюсов от 1 обмотки якоря (подкладывают изоляцию под контакты реверсора).

Поскольку в месте короткого замыкания значение переходного сопротивления может быть примерно таким же, что и у контрольной лампы, и даже выше, нить ее может не накаливаться до свечения, поэтому следует воспользоваться низковольтным вольтметром, установленным на распределительном щите. Для этого провод вольтметра отсоединяют от минуса батареи (корпуса электровоза), затем его наращивают и оголенным концом касаются токоведущих деталей того участка цепи, в котором подозревается короткое замыкание, (рис. 28).

В случае замыкания в низковольтных цепях перегорает предохранитель или срабатывает автоматический выключатель. До замены предохранителя (до восстановления выключателя) машинист отключает кнопку (тумблер), через который питалась поврежденная цепь. После замены предохранителя (включения; автомата) следует поочередно начать включать (и отключать) подозреваемые цепи; выявив такую цепь, ее более не включают, восстанавливают защиту и принимают какое-либо временное решение или начинают дальнейший поиск неисправности. Для этого подозреваемый участок делят на отдельные мелкие цепи, прокладывая изоляцию из электрокартона, плотной бумаги, отсоединяя наконечник провода и т. д.

Рис.28. Схема прозвонки участков цепи на К.З. контрольной лампой и вольтметром.

После этого контрольной лампой уточняют место повреждения. Если замыкание подозревают в проводе, связанном с межэлектровозными цепями, предназначенными для управления по системе многих единиц (а на восьмиосных электровозах ВЛ10, ВЛ10У — с переходящими из одного кузова в другой), то или разъединяют межэлектровозные кабели, или же отсоединяют все провода данного номера от зажима на рейке и прозванивают их отдельно (рис. 29), а затем, присоединив один провод контрольной лампы к «плюсу», другим поочередно касаются наконечников этих проводов. Загорание лампы полным накалом укажет на короткое замыкание цепи данного провода. Если лампа загорается неполным накалом, значит, провод нормально соединен с «землей» через катушку аппарата, включенного в цепь этого провода. Наконечник поврежденного провода изолируют, а остальные вновь закрепляют на зажиме рейки.

Если отсоединенным оказался провод, идущий к межэлектровозным соединениям, то управление одним электровозом (одной-двумя секциями) не нарушается, а если отсоединен провод, идущий к контроллеру в одной из кабин или от рейки зажимов к аппарату, то аппарат оставляют отключенным или его принудительно включают механическим способом. В отдельных случаях можно воспользоваться резервным проводами, имеющимися в пучках проводов или кондуитах.

Состояние предохранителей при необходимости выясняют, заменяя их или проверяют контрольной лампой. Для этого один провод лампы присоединяют к «земле» (рис. 30) Если при касании другим проводом одного колпачка предохранителя лампа загорается, а при касании другого не горит, то вставка предохранителя перегорела (кроме минусового предохранителя батареи). В случае, когда для проверки целости предохранителя его заменяют исправным, на время снятия и постановки предохранителей их цепь необходимо разомкнуть соответствующей кнопкой цепи управления, рубильником или выключателем.

На некоторых электровозах на РЩ имеются специальные зажимы в цепи лампы Л1 освещения РЩ, зашунтированные выключателем В (рис. 95). Вставив проверяемый предохранитель ПР в свободные зажимы и выключив выключатель В, по горению лампы Л убеждаются в исправности предохранителя.

Рис.29. поиск К.З. в низковольтной цепи.

Рис. 30. Проверка предохранителей.

Источник

Содержание

1 Как найти внутреннее сопротивление формула?
2 Как определить внутреннее сопротивление источника энергии?
3 Что называется внутреннее сопротивление?
4 Чему равно внутреннее сопротивление источника тока?
5 Как найти эдс формула?
6 Как определить силу тока при коротком замыкании?
7 Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора?
8 Что такое внутреннее и внешнее сопротивление цепи?
9 Как рассчитать мощность зная ток и напряжение?
10 Что такое сопротивление?
11 Какая буква обозначает сопротивление?

Как найти внутреннее сопротивление формула?

Нужно определить внутреннее сопротивление аккумулятора. По закону Ома сопротивление лампочки R = U/I = 1,2/0,3 = 4 Ом; Теперь по формуле для расчета внутреннего сопротивления r = ε/I — R = 1,5/0,3 — 4 = 1 Ом.

Как определить внутреннее сопротивление источника энергии?

Нахождение внутреннего сопротивления

Его можно находить двумя путями: рассчитать или измерить. Первым путём идут при работе с электрическими схемами, второй – выбирают, занимаясь с реальными устройствами. Простой расчёт производится с использованием формулы Закона Ома для участка полной цепи: I = ε / (r + R).

Что называется внутреннее сопротивление?

В электрической цепи, состоящей из источника тока и проводников с электрическим сопротивлением R, ток совершает работу не только на внешнем, но и на внутреннем участке цепи. Электрическое сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением.

Чему равно внутреннее сопротивление источника тока?

Как найти эдс формула?

На внутреннем участке цепи: Aвнутр=U1q , на внешнем участке цепи: Aвнеш=U2q. ЭДС источника тока равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи. 4. Если R растет, то I уменьшается.

Как определить силу тока при коротком замыкании?

Формула для измерения силы тока короткого замыкания: Iкз = E/r.
…
Сила тока при коротком замыкании участка цепи

-I – величина тока (его сила);
U – разность потенциалов (напряжение сети);
R – электрическое сопротивление.

Что такое внутреннее сопротивление аккумулятора?

Внутренее сопротивление аккумуляторов — параметр, позволяющий оценить «здоровье» аккумулятора … Омическое сопротивление является суммой сопротивлений сепараторов аккумулятора, электродов, положительного и отрицательного выводов, мостовых сварных соединений между элементами и электролита.

Что такое внутреннее и внешнее сопротивление цепи?

Сопротивление нагрузки, присоединенной к источнику тока, принято называть внешним сопротивлением, а сопротивление самого источника тока — внутренним сопротивлением. Внутреннее сопротивление обозначается буквой r.

Как рассчитать мощность зная ток и напряжение?

Формула расчета мощности электрического тока

Согласно закону Ома, сила тока(I) пропорциональна напряжению(U) и обратно пропорциональна сопротивлению(R), а мощность(P) рассчитывается как произведение напряжения и силы тока. Исходя из этого, ток в участке сети рассчитывается: I = P/U.

Что такое сопротивление?

Сопротивление — это величина, которая отражает противодействие движению тока в электрической цепи. Сопротивление измеряется в омах, для обозначения которых используется греческая буква омега (Ω).

Какая буква обозначает сопротивление?

Электрическое сопротивление характеризует способность электрического проводника препятствовать прохождению электрического тока. Электрическое сопротивление обозначается буквой R. Единицей сопротивления является ом (Ом). Сила тока I прямо пропорциональна напряжению U.

Источник

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

Темы кодификатора ЕГЭ: электродвижущая сила, внутреннее сопротивление источника тока, закон Ома для полной электрической цепи.
Сторонняя сила
Закон Ома для полной цепи
КПД электрической цепи
Закон Ома для неоднородного участка

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: электродвижущая сила, внутреннее сопротивление источника тока, закон Ома для полной электрической цепи.

До сих пор при изучении электрического тока мы рассматривали направленное движение свободных зарядов во внешней цепи, то есть в проводниках, подсоединённых к клеммам источника тока.

Как мы знаем, положительный заряд :

• уходит во внешнюю цепь с положительной клеммы источника;

• перемещается во внешней цепи под действием стационарного электрического поля, создаваемого другими движущимися зарядами;

• приходит на отрицательную клемму источника, завершая свой путь во внешней цепи.

Теперь нашему положительному заряду нужно замкнуть свою траекторию и вернуться на положительную клемму. Для этого ему требуется преодолеть заключительный отрезок пути — внутри источника тока от отрицательной клеммы к положительной. Но вдумайтесь: идти туда ему совсем не хочется! Отрицательная клемма притягивает его к себе, положительная клемма его от себя отталкивает, и в результате на наш заряд внутри источника действует электрическая сила $vec{F_E}$ , направленная против движения заряда (т.е. против направления тока).

к оглавлению ▴

Сторонняя сила

Тем не менее, ток по цепи идёт; стало быть, имеется сила, «протаскивающая» заряд сквозь источник вопреки противодействию электрического поля клемм (рис. 1).

Рис. 1. Сторонняя сила

Эта сила называется сторонней силой; именно благодаря ей и функционирует источник тока. Сторонняя сила $vec{F_{CT}}$ не имеет отношения к стационарному электрическому полю — у неё, как говорят, неэлектрическое происхождение; в батарейках, например, она возникает благодаря протеканию соответствующих химических реакций.

Обозначим через $A_{CT}$ работу сторонней силы по перемещению положительного заряда q внутри источника тока от отрицательной клеммы к положительной. Эта работа положительна, так как направление сторонней силы совпадает с направлением перемещения заряда. Работа сторонней силы $A_{CT}$ называется также работой источника тока.

Во внешней цепи сторонняя сила отсутствует, так что работа сторонней силы по перемещению заряда во внешней цепи равна нулю. Поэтому работа сторонней силы по перемещению заряда вокруг всей цепи сводится к работе по перемещению этого заряда только лишь внутри источника тока. Таким образом, $A_{CT}$ — это также работа сторонней силы по перемещению заряда по всей цепи.

Мы видим, что сторонняя сила является непотенциальной — её работа при перемещении заряда по замкнутому пути не равна нулю. Именно эта непотенциальность и обеспечивает циркулирование электрического тока; потенциальное электрическое поле, как мы уже говорили ранее, не может поддерживать постоянный ток.

Опыт показывает, что работа $A_{CT}$ прямо пропорциональна перемещаемому заряду . Поэтому отношение $A_{CT}/q$ уже не зависит от заряда и является количественной характеристикой источника тока. Это отношение обозначается :

$mathcal E = frac{displaystyle A_{CT}}{displaystyle q vphantom{1^a}}.$ (1)

Данная величина называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока. Как видим, ЭДС измеряется в вольтах (В), поэтому название «электродвижущая сила» является крайне неудачным. Но оно давно укоренилось, так что приходится смириться.

Когда вы видите надпись на батарейке: «1,5 В», то знайте, что это именно ЭДС. Равна ли эта величина напряжению, которое создаёт батарейка во внешней цепи? Оказывается, нет! Сейчас мы поймём, почему.

к оглавлению ▴

Закон Ома для полной цепи

Любой источник тока обладает своим сопротивлением , которое называется внутренним сопротивлением этого источника. Таким образом, источник тока имеет две важных характеристики: ЭДС и внутреннее сопротивление.

Пусть источник тока с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением подключён к резистору (который в данном случае называется внешним резистором, или внешней нагрузкой, или полезной нагрузкой). Всё это вместе называется полной цепью (рис. 2).

Рис. 2. Полная цепь

Наша задача — найти силу тока в цепи и напряжение на резисторе .

За время по цепи проходит заряд q = It . Согласно формуле (1) источник тока совершает при этом работу:

$A_{CT} = Eq = EIt.$ (2)

Так как сила тока постоянна, работа источника целиком превращается в теплоту, которая выделяется на сопротивлениях и . Данное количество теплоты определяется законом Джоуля–Ленца:

(3)

Итак, $A_{CT} = Q$ , и мы приравниваем правые части формул (2) и (3):

После сокращения на получаем:

Вот мы и нашли ток в цепи:

$I = frac{displaystyle mathcal E}{displaystyle R + r vphantom{1^a}}.$ (4)

Формула (4) называется законом Ома для полной цепи.

Если соединить клеммы источника проводом пренебрежимо малого сопротивления (R = 0) , то получится короткое замыкание. Через источник при этом потечёт максимальный ток — ток короткого замыкания:

$I_{K3} = frac{displaystyle mathcal E}{displaystyle r vphantom{1^a}}.$

Из-за малости внутреннего сопротивления ток короткого замыкания может быть весьма большим. Например, пальчиковая батарейка разогревается при этом так, что обжигает руки.

Зная силу тока (формула (4)), мы можем найти напряжение на резисторе с помощью закона Ома для участка цепи:

$U = IR = frac{displaystyle mathcal E R}{displaystyle R + r vphantom{1^a}}.$ (5)

Это напряжение является разностью потенциалов между точками и (рис. 2). Потенциал точки равен потенциалу положительной клеммы источника; потенциал точки равен потенциалу отрицательной клеммы. Поэтому напряжение (5) называется также напряжением на клеммах источника.

Мы видим из формулы (5), что в реальной цепи будет — ведь умножается на дробь, меньшую единицы. Но есть два случая, когда .

1. Идеальный источник тока. Так называется источник с нулевым внутренним сопротивлением. При r = 0 формула (5) даёт .

2. Разомкнутая цепь. Рассмотрим источник тока сам по себе, вне электрической цепи. В этом случае можно считать, что внешнее сопротивление бесконечно велико: . Тогда величина R + r неотличима от , и формула (5) снова даёт нам .

Смысл этого результата прост: если источник не подключён к цепи, то вольтметр, подсоединённый к полюсам источника, покажет его ЭДС.

к оглавлению ▴

КПД электрической цепи

Нетрудно понять, почему резистор называется полезной нагрузкой. Представьте себе, что это лампочка. Теплота, выделяющаяся на лампочке, является полезной, так как благодаря этой теплоте лампочка выполняет своё предназначение — даёт свет.

Количество теплоты, выделяющееся на полезной нагрузке за время , обозначим $Q_{polezn}$ .

Если сила тока в цепи равна , то

$Q_{polezn} = I^2Rt.$

Некоторое количество теплоты выделяется также на источнике тока:

$Q_{ist} = I^2rt.$

Полное количество теплоты, которое выделяется в цепи, равно:

$Q_{poln} = Q_{polezn} + Q_{ist} = I^2Rt + I^2rt = I^2(R + r)t.$

КПД электрической цепи — это отношение полезного тепла к полному:

$eta = frac{displaystyle Q_{polezn}}{displaystyle Q_{poln} vphantom{1^a}} = frac{displaystyle I^2Rt}{displaystyle I^2(R+r)t vphantom{1^a}} = frac{displaystyle R}{displaystyle R+r vphantom{1^a}}.$

КПД цепи равен единице лишь в том случае, если источник тока идеальный (r = 0) .

к оглавлению ▴

Закон Ома для неоднородного участка

Простой закон Ома U = IR справедлив для так называемого однородного участка цепи — то есть участка, на котором нет источников тока. Сейчас мы получим более общие соотношения, из которых следует как закон Ома для однородного участка, так и полученный выше закон Ома для полной цепи.

Участок цепи называется неоднородным, если на нём имеется источник тока. Иными словами, неоднородный участок — это участок с ЭДС.

На рис. 3 показан неоднородный участок, содержащий резистор и источник тока. ЭДС источника равна , его внутреннее сопротивление считаем равным нулю (если внутреннее сопротивление источника равно , можно просто заменить резистор на резистор R + r ).

Рис. 3. ЭДС «помогает» току:

Сила тока на участке равна , ток течёт от точки к точке . Этот ток не обязательно вызван одним лишь источником . Рассматриваемый участок, как правило, входит в состав некоторой цепи (не изображённой на рисунке), а в этой цепи могут присутствовать и другие источники тока. Поэтому ток является результатом совокупного действия всех источников, имеющихся в цепи.

Пусть потенциалы точек и равны соответственно и . Подчеркнём ещё раз, что речь идёт о потенциале стационарного электрического поля, порождённого действием всех источников цепи — не только источника, принадлежащего данному участку, но и, возможно, имеющихся вне этого участка.

Напряжение на нашем участке равно: . За время через участок проходит заряд q = It , при этом стационарное электрическое поле совершает работу:

$A_{POL} = Uq = UIt.$

Кроме того, положительную работу совершает источник тока (ведь заряд прошёл сквозь него!):

$A_{CT} = mathcal Eq = mathcal EIt.$

Сила тока постоянна, поэтому суммарная работа по продвижению заряда , совершаемая на участке стационарным электрическим полем и сторонними силами источника, целиком превращается в тепло: $A_{POL} + A_{CT} = Q$ .

Подставляем сюда выражения для $A_{POL}$ , $A_{CT}$ и закон Джоуля–Ленца:

Сокращая на , получаем закон Ома для неоднородного участка цепи:

(6)

или, что то же самое:

(7)

Обратите внимание: перед стоит знак «плюс». Причину этого мы уже указывали — источник тока в данном случае совершает положительную работу, «протаскивая» внутри себя заряд от отрицательной клеммы к положительной. Попросту говоря, источник «помогает» току протекать от точки к точке .

Отметим два следствия выведенных формул (6) и (7).

1. Если участок однородный, то . Тогда из формулы (6) получаем U = IR — закон Ома для однородного участка цепи.

2. Предположим, что источник тока обладает внутренним сопротивлением . Это, как мы уже упоминали, равносильно замене на R + r :

Теперь замкнём наш участок, соединив точки и . Получим рассмотренную выше полную цепь. При этом окажется, что и предыдущая формула превратится в закон Ома для полной цепи:

Таким образом, закон Ома для однородного участка и закон Ома для полной цепи оба вытекают из закона Ома для неоднородного участка.

Может быть и другой случай подключения, когда источник «мешает» току идти по участку. Такая ситуация изображена на рис. 4. Здесь ток, идущий от к , направлен против действия сторонних сил источника.

Рис. 4. ЭДС «мешает» току:

Как такое возможно? Очень просто: другие источники, имеющиеся в цепи вне рассматриваемого участка, «пересиливают» источник на участке и вынуждают ток течь против . Именно так происходит, когда вы ставите телефон на зарядку: подключённый к розетке адаптер вызывает движение зарядов против действия сторонних сил аккумулятора телефона, и аккумулятор тем самым заряжается!

Что изменится теперь в выводе наших формул? Только одно — работа сторонних сил станет отрицательной:

$A_{CT} = mathcal E q = mathcal EIt.$

Тогда закон Ома для неоднородного участка примет вид:

(8)

или:

где по-прежнему — напряжение на участке.

Давайте соберём вместе формулы (7) и (8) и запишем закон Ома для участка с ЭДС следующим образом:

Ток при этом течёт от точки к точке . Если направление тока совпадает с направлением сторонних сил, то перед ставится «плюс»; если же эти направления противоположны, то ставится «минус».

Повторим основные понятия и определения по теме «Закон Ома».

Напомним, что напряжение измеряется в вольтах.

Сила тока измеряется в амперах.

Сопротивление измеряется в омах. Эта единица измерения названа в честь Георга Симона Ома, открывшего взаимосвязь между напряжением, сопротивлением цепи и силой тока в этой цепи.

Основные определения, которые мы используем в решении задач:

Источник тока – это устройство, способное создавать необходимую для существования тока разность потенциалов.

Можно сказать, что источник тока действует, как насос. Он «качает» электроны по проводникам, как водяной насос воду по трубам. Эту аналогию можно продолжить. При этом источник тока совершает работу, за счёт химических реакций, происходящих внутри него.

Если эту работу разделить на переносимый источником заряд q (суммарный заряд всех проходящих через источник электронов), то мы получим величину, которую называют электродвижущей силой или сокращённо ЭДС.

Измеряется эта ЭДС, как и разность потенциалов, в вольтах и имеет примерно тот же смысл.

По определению, сила тока равна отношению суммарного заряда электронов, проходящих через сечение проводника, ко времени прохождения. Измеряется сила тока в амперах (А).

Свойство проводника препятствовать прохождению по нему тока характеризуется величиной, которую назвали электрическим сопротивлением – R. Проходя через проводник, электрический ток нагревает его.

Сопротивление измеряют в омах (Ом).

Сам источник тока тоже обладает сопротивлением. Такое сопротивление принято называть внутренним сопротивлением источника r (Ом).

Именно немецкому учёному Георгу Ому удалось установить, от чего может зависеть электрическое сопротивление проводника. Проведя многочисленные эксперименты, Ом сделал следующие выводы:

Сопротивление проводника тем больше, чем больше его длина.
Сопротивление проводника тем больше, чем меньше его толщина или площадь поперечного сечения.

Кроме того, Ом выяснил, что каждый материал обладает своим электрическим сопротивлением. Величина, которая показывает, каким сопротивлением будет обладать проводник единичной длины и единичной площади сечения из данного материала, называется удельным электрическим сопротивлением: (Ом*мм²/м). Эта величина справочная. Таким образом, получается, что электрическое сопротивление проводника равно:

Рассмотрим задачи ЕГЭ по теме «Закон Ома» для полной цепи.

Задача 1. На рисунке приведён график зависимости напряжения на концах железного провода площадью поперечного сечения 0,05 мм² от силы тока в нём. Чему равна длина провода? Ответ дайте в метрах. Удельное сопротивление железа 0,1 Ом*мм²/м.

Решение:

Из закона Ома для проводника или участка цепи без источника следует:

$displaystyle I=frac{U}{R};$

$displaystyle R=frac{U}{I}.$

По графику: при

Из формулы сопротивления выражаем и находим длину проводника:

Ответ: 10.

Задача 2. Через поперечное сечение проводников за 8 с прошло 10²⁰ электронов. Какова сила тока в проводнике? Ответ дайте в амперах.

Решение:

По определению силы тока:

$displaystyle I=frac{q}{t}.$

Заряд всех электронов: где е — модуль заряда электрона, $e=1,6cdot 10^{-19}$ Кл.

Тогда $displaystyle I=frac{Ncdot e}{t}=frac{10^{20}cdot 1,6cdot 10^{-19}}{8}=2 A.$

Ответ: 2.

Задача 3. Идеальный амперметр и три резистора общим сопротивлением 66 Ом включены последовательно в электрическую цепь, содержащую источник с ЭДС равной 5 В, и внутренним сопротивлением r=4 Ом. Каковы показания амперметра? (Ответ дайте в амперах, округлив до сотых.)

Решение:

По закону Ома для полной цепи:

Тогда $displaystyle I=frac{5}{66+4}=0,07 A.$

Ответ: 0,07.

Задача 4. ЭДС источника тока равна 1,5 В. Определите сопротивление внешней цепи, при котором сила тока будет равна 0,6 А, если сила тока при коротком замыкании равна 2,5 А. Ответ дайте в Ом, округлив до десятых.

Решение:

Сила тока короткого замыкания определяется следующим образом:

Отсюда выражаем и находим внутреннее сопротивление источника:

При внешнем сопротивлении, не равном нулю, сила тока в цепи определяется законом Ома для полной цепи:

Отсюда выражаем сопротивление резистора и находим его:

Ответ: 1,9.

Задача 5. На рисунке изображена схема электрической цепи, состоящей из источника постоянного напряжения с ЭДС 5 В и пренебрежимо малым внутренним сопротивлением, ключа, резистора с сопротивлением 2 Ом и соединительных проводов. Ключ замыкают. Какой заряд протечет через резистор за 10 минут? Ответ дайте в кулонах.

Решение:

Выражаем время в секундах: t = 10 минут = 600 с.

Определяем силу тока по закону Ома для полной цепи:

Внутреннее сопротивление пренебрежимо мало, поэтому r = 0.

По определению силы тока:

$displaystyle I=frac{q}{t}.$

Отсюда Кл.

Ответ: 1500.

Если вам нравятся наши материалы — записывайтесь на курсы подготовки к ЕГЭ по физике онлайн

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими материалами.
Информация на странице «ЭДС. Закон Ома для полной цепи» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к экзаменам.
Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена:
08.05.2023

Источник