Источники электрической энергии в каждой местности различаются по способу её получения. Так, в степях целесообразнее использовать силу ветра или преобразовывать тепло после сжигания топлива, газа. В горах, где есть реки, строятся плотины и вода приводит в движение гигантские турбины. Электродвижущую силу получают практически повсеместно за счет других природных энергий.
Откуда берется питание потребителей
Источники электрической энергии получают напряжение после преобразования силы ветра, кинетического движения, потока воды, результата ядерной реакции, тепла от горения газа, топлива или угля. Широко распространены теплоэлектростанции, гидроэлектростанции. Постепенно сокращается количество атомных станций как не совсем безопасных для проживающих поблизости людей.
Может использоваться химическая реакция, эти явления мы наблюдаем в аккумуляторах автомобилей и бытовых приборов. Батарейки к телефонам работают по тому же принципу. Ветровики применяются в местах с постоянным ветром, где источники электрической энергии содержат в конструкции обычный генератор высокой мощности.
Для питания целого города порой одной станции недостаточно, и источники электрической энергии комбинируются. Так, на крышах домов в теплых странах устанавливаются солнечные батареи, которые питают отдельные помещения. Постепенно экологически чистые источники заменят станции, загрязняющие атмосферу.
В автомобилях
Аккумуляторная батарея на транспорте - не единственный источник электрической энергии. Цепи автомобиля спроектированы с таким расчетом, что при движении начинается процесс преобразования кинетической энергии в электрическую. Это происходит благодаря генератору, в котором вращение катушек внутри магнитного поля порождает появление электродвижущей силы (ЭДС).
В сети начинает протекать ток, заряжающий аккумуляторную батарею, длительность работы которой зависит от её ёмкости. Зарядка начинается сразу после старта двигателя. То есть энергия вырабатывается за счет сжигания топлива. Последние разработки автомобилестроения позволили использовать ЭДС источника электрической энергии для движения транспорта.
В электромобилях мощные химические батареи вырабатывают ток в замкнутой цепи и служат источником питания. Здесь наблюдается обратный процесс: ЭДС вырабатывается в катушках приводной системы, что заставляет колеса крутиться. Токи во вторичной цепи огромные, пропорциональные скорости разгона и весу автомобиля.
Принцип работы катушки с магнитом
Протекающий ток через катушку вызывает появление переменного магнитного потока. Он, в свою очередь, оказывает на магниты выталкивающую силу, которая заставляет рамку с двумя разнополярными магнитами крутиться. Таким образом, источники электрической энергии служат узлом для движения авто.
Обратный процесс, когда рамка с магнитом вращается внутри обмоток, за счет кинетической энергии позволяет преобразовывать переменный магнитный поток в ЭДС катушек. Далее в цепи установлены стабилизаторы напряжения, обеспечивающие требуемые показатели питающей сети. По этому принципу вырабатывается электричество в гидроэлектростанциях, теплоэлектростанциях.
ЭДС в цепи появляется и в обычной замкнутой цепи. Она существует до тех пор, пока к проводнику приложена разность потенциалов. Электродвижущая сила нужна для описания характеристики источника энергии. Физическое определение термина звучит так: ЭДС в замкнутой цепи пропорциональна работе сторонних сил, осуществляющих перемещение одиночного положительного заряда через всё тело проводника.
Формула E = I*R — сопротивление учитывается полное, складывающееся из внутреннего сопротивления источника питания и результатов сложения сопротивления питаемого участка цепи.
Ограничения на установку подстанций
Любой проводник, по которому течет ток, вырабатывает электрическое поле. Источник энергии является излучателем электромагнитных волн. Вокруг мощных установок, на подстанциях или вблизи генераторных устройств оказывается влияние на здоровье человека. Поэтому были приняты меры по ограничению строящихся объектов вблизи жилых зданий.
На законодательном уровне установлены фиксированные расстояния до электрических объектов, за пределами которых живой организм находится в безопасности. Запрещены постройки мощных подстанций вблизи домов и на пути следования людей. Мощные установки должны иметь ограждения и закрытые входы.
Высоковольтные линии монтируются высоко над постройками и выносятся за пределы поселений. Для исключения влияния электромагнитных волн в жилой зоне источники энергии закрываются заземленными металлическими экранами. В простейшем случае используется сетка из проволоки.
Единицы измерения
Каждая величина источника энергии и цепи описывается количественными значениями. Это облегчает задачу проектирования и расчет нагрузки под конкретное питание. Единицы измерения связаны между собой физическими законами.
Для величин источников питания установлены следующие единицы:
- Сопротивление: R — Ом.
- ЭДС: E — вольт.
- Реактивное и полное сопротивление: X и Z — Ом.
- Ток: I — ампер.
- Напряжение: U — вольт.
- Мощность: P — Ватт.
Построение последовательных и параллельных схем питания
Расчет цепи усложняется, если используется соединение источников электрической энергии нескольких типов. Учитывается внутренние сопротивление каждой ветви и направление тока через проводники. Для измерения ЭДС каждого источника в отдельности потребуется разомкнуть цепь и непосредственно на выводах питающей батареи замерить потенциал прибором — вольтметром.
При замкнутой цепи прибор покажет падение напряжения, которое имеет меньшую величину. Для получения необходимого питания часто требуется несколько источников. В зависимости от задачи может использоваться несколько видов соединений:
- Последовательное. ЭДС цепи каждого источника складывается. Так, при использовании двух батареек номиналом 2 вольта получают в результате подключения 4 В.
- Параллельное. Такой вид применяется для увеличения емкости источника, соответственно, наблюдается более продолжительное время работы от аккумуляторов. ЭДС цепи при таком подключении не изменяется при равных номиналах батарей. Важно соблюсти полярность соединения.
- Комбинированные подключения редко используются, но на практике встречаются. Расчет результирующей ЭДС производится для каждого отдельного замкнутого участка. Учитывается полярность и направление тока ветвей.
Омы питающей сети
Внутреннее сопротивление источника электрической энергии учитывается для определения результирующей ЭДС. В общем виде электродвижущая сила рассчитывается по формуле E = I*R + I*r. Здесь R - сопротивление потребителей, а r - внутреннее сопротивление. Падение же напряжения высчитывают по следующей зависимости: U = E - Ir.
Ток, протекающий в цепи, рассчитывают согласно закону Ома полной цепи: I = E/(R + r). Внутреннее сопротивление способно оказывать влияние на силу тока. Чтобы такого не происходило, источник подбирают под нагрузку по следующему правилу: внутреннее сопротивление источника должно быть намного меньше полного общего сопротивления потребителей. Тогда учитывать его величину совсем необязательно из-за малой погрешности.
Как измерить Омы питающей сети?
Так как источники и приемники электрической энергии должны быть согласованы, то сразу возникает вопрос: как измерить внутреннее сопротивление источника? Ведь омметром не подключишься на контакты с имеющимися на них потенциалами. Для решения вопроса используется косвенный метод снятия показателей — потребуются значения дополнительных величин: ток и напряжение. Расчет производится по формуле r = U/I, где U - падение напряжения на внутреннем сопротивлении, а I - ток в цепи под нагрузкой.
Падение напряжения измеряется непосредственно на зажимах источника питания. В цепь подключается резистор известного номинала R. До проведения замеров следует зафиксировать вольтметром ЭДС источника при разомкнутой цепи — E. Далее подключают нагрузку и фиксируют показания — U нагр. и тока I.
Искомое падение напряжения на внутреннем сопротивлении U = E − U нагр. В итоге рассчитываем искомую величину r = (E − U нагр.)/I.
