- •Содержание
- •Г л а в а 6. Элементы и параметры электрических цепей переменного тока
- •Приложение
- •Введение
- •Электростатическое поле
- •1. Закон кулона
- •2. Напряженность электрического поля
- •3. Диэлектрическая проницаемость
- •Контрольные вопросы
- •Проводники в электрическом поле. Цепи постоянного тока. Токопроводящие материалы.
- •1. Электрический ток
- •2. Напряженность электрического поля, потенциал, напряжение и эдс
- •3. Электрическое сопротивление и проводимость
- •4. Закон ома
- •5. Законы кирхгофа
- •6. Соединение резисторов
- •7. Закон джоуля-ленца. Нагревание проводников.
- •8. Короткое замыкание и перегрузки. Тепловая защита.
- •9. Мощность
- •10. Электрические цепи с несколькими источниками энергии
- •11. Делитель напряжения
- •12. Потери напряжения и мощности в проводах
- •13. Передача электрической энергии по проводам
- •14. Токопроводящие материалы
- •Контрольные вопросы
- •Диэлектрики в электрическом поле. Изоляция электротехнических материалов. Диэлектрические материалы.
- •1. Строение диэлектрика.
- •2. Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация диэлектрика
- •3. Электрическая емкость. Конденсаторы.
- •4. Соединение конденсаторов
- •5. Энергия электрического поля конденсатора
- •6. Электрический пробой диэлектрика
- •7. Диэлектрические материалы. Изоляция электротехнических материалов.
- •Контрольные вопросы
- •Магнитное поле. Электромагнетизм и электромагнитная индукция. Магнитные материалы.
- •1. Магнитное поле в неферромагнитной среде. Основные понятия
- •2. Напряженность и индукция магнитного поля
- •3. Магнитный поток.
- •4. Индуктивность.
- •5. Магнитные свойства веществ. Магнитная проницаемость
- •Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Намагниченность.
- •7. Циклическое перемагничивание. Гистерезис.
- •8. Ферромагнитные материалы
- •9. Электромагнитные силы
- •10. Электромагнитная индукция
- •11. Вихревые токи
- •12. Эдс самоиндукции и взаимоиндукции
- •Контрольные вопросы
- •Линейные электрические цепи переменного тока
- •Основные определения
- •Сложение синусоидальных величин
- •Среднее значение синусоидальных величин
- •Контрольные вопросы
- •Элементы и параметры электрических цепей переменного тока
- •1. Цепь с активным сопротивлением
- •2. Электрическая цепь с индуктивностью
- •Резонанс напряжений
- •Параллельное соединение r, l, c – элементов
- •Контрольные вопросы
- •Трехфазные электрические цепи
- •Принципы построения трехфазных электрических цепей
- •Соединение звезда. Несимметричная нагрузка. Явление перекоса фаз
- •Нулевой провод
- •Мощность трехфазной системы
- •Контрольные вопросы
- •Нелинейные электрические цепи
- •Характеристики нелинейных электрических цепей и элементов
- •Электрическая цепь с нелинейным индуктивным элементом
- •Трансформаторы
- •Контрольные вопросы
- •Электрические машины переменного тока
- •Вращающееся магнитное поле
- •Устройство асинхронного двигателя
- •Принцип работы асинхронного двигателя
- •Регулирование числа оборотов асинхронного двигателя
- •Однофазные асинхронные двигатели
- •Синхронный генератор. Устройство и принцип работы
- •Синхронный двигатель. Принцип работы
- •Контрольные вопросы
- •Машины постоянного тока
- •Общие сведения
- •Устройство и работа генератора постоянного тока
- •Типы генераторов постоянного тока
- •Генератор с независимым возбуждением
- •Генератор с параллельным возбуждением
- •Генератор с последовательным возбуждением
- •Генератор со смешанным возбуждением
- •Двигатели постоянного тока
- •Контрольные вопросы
- •Переходные процессы в электрических цепях
- •Основные определения
- •2. Зарядка и разрядка конденсатора
- •3. Релаксационные колебания
- •4. Включение и выключение реальной индуктивной катушки при постоянном напряжении источника
- •5. Разрядка конденсатора на индуктивность
- •Контрольные вопросы
- •Современные способы получения электрической энергии. Виды силовых электростанций. Альтернативная электроэнергетика.
- •1. Тепловые электростанции (тэс)
- •Экологические проблемы тэс
- •2. Гидравлические электрические станции (гэс).
- •3. Гидроаккумулирующие электрические станции (гаэс)
- •4. Приливные электрические станции
- •5. Атомные электрические станции (аэс)
- •55Cs140→56Ba140→57La140→58Ge140→стабильное ядро;
- •37Rb94→38Sr94→39y94→40Zr90→ стабильное ядро.
- •Магнитогидродинамическое преобразование энергии (мгд-генераторы).
- •7. Термоэмиссионные генераторы
- •8. Солнечные электростанции
- •9. Электрохимические генераторы
- •10. Термоэлектрические генераторы
- •11. Геотермальные электростанции
- •12. Термоядерная энергетика
- •13. Водородная энергетика
- •14. Понятие о единой энергетической системе.
- •Контрольные вопросы
- •Атомно-молекулярная теория строения вещества
- •Структура и строение атома
- •Линейчатый спектр. Постулаты бора и квантование орбит
- •Корпускулярно - волновой дуализм нанообъектов. Волны де-бройля
- •Туннелирование
- •Классификация наноматериалов
- •8. Трехмерные наноматериалы
- •Размерные эффекты и свойства нанообъектов
- •Химические свойства наноматериалов
- •Тепловые свойства нанообъектов
- •Магнитные свойства нанообъектов
- •Функциональные и конструкционные углеродные наноматериалы.
- •Получение углеродных наноструктур
- •Применение и использование наноматериалов в практической деятельности
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Сложение векторов.
- •Метод комплексных чисел
- •Расчет цепей методом узлового напряжения
9. Электрохимические генераторы
Химический источник тока (генератор) – это устройство, в котором химическая энергия напрямую превращается в электрическую. Основой работы химического генератора является химическая реакция взаимодействия окислителя и восстановителя. В процессе взаимодействия окислитель восстанавливаясь присоединяет электроны, а восстановитель, окисляясь отдает электроны.
Рассмотрим явления, происходящие при опускании цинкового (Zn) электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO4). Молекулы воды (H2O) стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (см. рис.163). В результате действия электростатических сил положительные
Рис. 163 Расположение электрических зарядов вблизи цинкового электрода.
ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент молекул воды. По мере перехода положительных ионов металла в раствор появляется и увеличивается отрицательный потенциал на цинковом электроде, препятствующий дальнейшему растворению цинкового электрода. При некотором потенциале электрода наступает динамическое равновесие, т.е. два встречных потока ионов ( от электрода в раствор и обратно) становятся одинаковыми. Этот потенциал называют электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.
1. Анод представляет собой цилиндр из цинка (Zn) , который служит оболочкой элемента.
2. Катод - графитовый стержень.
3. Активная масса (прессованная), содержит диоксид марганца (MnO2+ графитовая сажа +NH4Cl(хлорид аммония). Вся эта активная масса обернута полотном и перевязана ниткой.
4. Пространство между внутренней и наружной стенками цилиндра заполнено электролитической массой из муки и клееобразующих веществ + раствор NH4Cl+ цинковый порошок.
Сверху элемент заливается смолой для герметизации.
Напряжение порядка 1,5В.
Основным окислительно-восстановительным процессом является химическая реакция
Zn+ 2NH4Cl+ 2MnO2→Zn(NH4)2Cl2 +Mn2O3+H2O
т.е. работа элемента связана с растворением цинка и восстановлением диоксида марганца.
В конструкции сухого элемента отсутствуют жидкости и хрупкие стеклянные части. Со временем разрушается только цинковая оболочка.
Каждый окислительно-восстановительный процесс имеет начало и конец. Отработав определенное время, элемент истощается и его напряжение падает, один из электродов полностью растворяется. Например, растворяется цинковая оболочка и часть электролитной пасты может просочиться наружу.
Использовать в дальнейшем сухой элемент нельзя, хотя в нем еще есть металлы, соли, окислы и другие составные части.
Примером другой химической реакции является взаимодействие диоксида свинца (PbO2) и свинца в свинцовом аккумуляторе (применяемом в автомобилях), заполненном электролитом (25-30% водный раствор серной кислоты (H2SO4). При этом важным моментом является пространственное разделение процессов окисления и восстановления. Для этого создаются два электрода различной природы, погруженные в электролит. Электродами называют электронные проводники, имеющие вывод в аккумуляторе и контактирующие с электролитом.
Рассмотрим явления, происходящие при опускании свинцового (Pb) электрода в раствор серной кислоты (H2SO4) (рис.164). ИоныSO4 -2 стремятся окружить положительные ионы свинца в металле В результате действия электростатических сил положительные ионы свинца переходят в раствор серной кислоты. Этому переходу способствует большой дипольный момент ионаSO42-. По мере перехода положительных ионов металла в раствор появляется и увеличивается отрицательный потенциал на свинцовом электроде, препятствующий дальнейшему растворению свинцового электрода. При некотором потенциале электрода наступает динамическое равновесие, т.е. два встречных потока ионов ( от электрода в раствор и обратно) становятся одинаковыми. Этот потенциал называютэлектрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.
Рис.164 Схема гальванического элемента.
На отрицательном электроде окисляется свинец
Ион свинца переходит в электролит, взаимодействует с ионом SO4и осаждается на аноде в виде малорастворимого сульфата свинцаPbSO4.
На положительном полюсе восстанавливается диоксид свинца по схеме
PbO2+ 4H++ 2e→Pb2+ +2H2O
И образующиеся ионы Pb2+осаждаются на поверхности катода в видеPbSO4.
Суммарной реакцией является реакция типа
Pb+PbO2+ 4Н++2SO42-→ 2PbSO4+ 2H2O
В данной реакции восстановителем является - свободный металл, а окислителем - ионы четырехвалентного свинца Pb+4, входящие в состав диоксида свинца. Они обмениваются между собой электронами и образуются ионы двухвалентного свинцаPb+2. Различие в электродном материале, а значит и разность электродных потенциалов постепенно уменьшаются. Если этот процесс будет идти до конца, она исчезает совсем. Но этого мы не допустим. После работы в течение определенного времени аккумулятор надо зарядить.
При зарядке он играет роль потребителя электрической энергии. Подключим его к клеммам выпрямителя тока и заставим те же самые процессы протекать в обратном направлении. На одном электроде восстанавливается свинец с нулевой валентностью (металл), а на другом - четырехвалентный.
Свинцовый аккумулятор прост в эксплуатации и обладает устойчивым режимом работы. Его напряжение 2В. Конструируют аккумуляторные батареи, содержащие 2, 4, 6, 8 и более ячеек. Такие батареи используют в двигателях внутреннего сгорания, электромобилях и т.д. Удобно работать с такими батареями. Нет ни дыма, ни выхлопных газов.