Electric (1)

FB 006 BAZELE ELECTROTEHNICII

2

CUPRINS CAPITOLUL I CIRCUITE ELECTRICE

1.1 Obiective 1.2 Introducere 1.3 Circuitul electric 1.4 Efectul circuitului electric 1.5 Definitii 1.6 Producerea de tensiune electromotoare

CAPITOLUL II LEGEA LUI OHM; LUCRU MECANIC SI PUTEREA

2.1 Obiective 2.2 Introducere 2.3 Legea lui Ohm 2.4 Legile lui Kirchhoff 2.5 Lucrul mecanic, puterea, randamentul si energia

CAPITOLUL III SURSE DE TENSIUNE

3.1 Obiective 3.2 Introducere 3.3 Principiul de functionare al generatorului electric 3.4 Elemente constructive de baza ale unui generator 3.5 Tensiunea in curent alternativ 3.6 Acumulator acid cu plumb (element secundar)

CAPITOLUL IV CONDUCTOARE ELECTRICE

4.1 Obiective 4.2 Proprietati electrice


3

CAPITOLUL I

CIRCUITE ELECTRICE 1.1. OBIECTIVE: La sfarsitul acestui capitol, cursantul va fi capabil sa:

defineasca intensitatea curentului electric si unitatea de masura ; stabileasca sensul real si sensul conventional al curentului electric;

defineasca tensiunea electromotoare;

defineasca tensiunea electrica, specificand si unitatea de masura;

schiteze un element Volta si sa explice modul de producere a tensiunii electromotoare;

schiteze simbolul pentru o baterie cu un singur element si cu mai multe elemente.


4

1.2. INTRODUCERE Bazele electrotehnicii - studiaza fenomenele electromagnetice in legatura directa cu aplicatiile tehnice industriale intalnite in diferite ramuri distincte ale industriei. Termenul de "electricitate" provine din limba greaca, care inseamna chihlimbar (o rasina naturala), ce prin frecare cu o stofa de lina capata proprietatea de a atrage unele obiecte usoare. Teoriile avansate despre fenomenele electrice au fost acceptate datorita faptului ca au putut fi demonstrate. Mai multi oameni de stiinta cum ar fi: Coulomb, Faraday, Ohm, Lentz, Kirchhoff si altii au facut experimente descoperind astfel ca in anumite conditii date aceste fenomene sunt repetabile. Aceste observatii au condus la stabilirea unor reguli si legi care descriu aceste fenomene. Cunoscand acestea si modul cum poate fi produsa electricitatea, aceasta se poate utiliza chiar fara a fi determinata identitatea fundamentala a ei. ELECTRICITATEA Cea mai acceptabila teorie se bazeaza pe o particula cu sarcina negativa numita electron. Electronii sunt particule foarte mici, usoare si care sunt componente fundamentale in structura atomica la toate elementele. Sub influenta unei "presiuni electrice", particulele cu sarcini negative, pot fi determinate sa se deplaseze prin material intr-o anumita directie. Aceasta deplasare poarta numele de curent electric. Acesti electroni in miscare au o anumita energie, cu aceasta energie se poate produce un lucru mecanic util.

1.3. Circuitul electric Un circuit electric simplu este prezentat in figura 1, care reprezinta principalele componente pentru un circuit electric complet. Sursa este un generator care dezvolta o "presiune electrica", care n mod obisnuit se numeste diferenta de potential sau tensiune.


5

Conductorul electric este construit dintr-un material care nu opune rezistenta mare la trecerea electronilor (vezi Cap. 4). Consumatorul dintre punctele x si y este un rezistor. Diferenta de potential (presiunea electrica) dintre cele doua capete ale rezistorului se masoara cu voltmetru. Circulatia curentului electric este masurata cu ampermetru.

Componetele circuitului electric sunt:

-generatorul (sursa); -conductoarele (caile de circulatie) -rezistorul (sarcina)

Ampermetrul si voltmetrul sunt folosite numai pentru supravegherea circuitului. In cele mai multe cazuri, in jurul conductorului se utilizeaza un izolator pentru a preveni punerea in scurtcircuit a conductoarelor. Prin prezenta acestuia se evita realizarea contactului direct dintre conductoare, cat si dintre ele si corpurile din jur. Izolatoarele sunt realizate din materiale care nu permit trecerea curentului electric (exemplu: izolatia conductoarelor de la aparatele casnice, izolatorii de pe stalp la liniile electrice aeriene, etc). 1.4 EFECTUL CIRCUITULUI ELECTRIC Efectul circuitului electric este relativ simplu; de exemplu generatorul electric produce "presiunea electrica", t.e.m. Aceasta t.e.m. va determina un curent electric (deplasare de electroni prin circuit). Din cauza materialului utilizat, cat si a diametrului si a lungimii lui, rezistorul comparat cu o portiune din circuit, are o rezistenta mult mai mare la trecerea


6

curentului ceea ce va avea ca si consecinta o diferenta mare de tensiune la capetele rezistorului (cadere de tensiune). NOTA: Diferenta de potential (tensiune) se masoara cu un instrument numit voltmetru (montat in paralel cu sarcina). Curentul care circula se masoara cu un ampermetru montat in serie cu sarcina. 1.5 DEFINITII EEssttee iimmppoorrttaanntt ppeennttrruu ccuurrssaanntt ssaa iinntteelleeaaggaa uurrmmaattoorriiii tteerrmmeennii iinnaaiinnttee ddee aa ccoonnttiinnuuaa aacceesstt ccuurrss.. Circuitul electric Un circuit electric este un sistem simplu de conductoare si componente prin care circula un curent electric. Circuitul electric poate fi simplu ca n figura 1. sau complex (exemplu: Sistemul Energetic National). Tensiunea electromotoare (t.e.m) Tensiunea electromotoare t.e.m. este tensiunea (presiunea electrica) produsa de sursa. Sursa poate fi un acumulator sau un generator electric. Aceasta tensiune determina circulatia curentului electric intr-un circuit. Simbolul pentru t.e.m. este "e" sau "E", iar unitatea de masura este VOLTUL, "V". Intensitatea curentului electric "I" Intensitatea curentului electric este o marime care exprima sarcina electrica transportata de electronii care strabat sectiunea transversala a circuitului n unitatea de timp. Intensitatea curentului electric este o marime fundamentala a Sistemului International . Unitatea de masura a intensitatii curentului electric este amperul si se noteaza cu "A". Conventional s-a stabilit ca sensul curentului electric intr-un circuit sa fie de la borna pozitiva la cea negativa. In realitate deplasarea electronilor intr-un circuit este de la borna negativa la cea pozitiva.


7

Tensiunea "U" Tensiunea U dintre doua puncte ale unui circuit reprezinta diferenta de potential VM - VN intre acele doua puncte M si N; este o marime fizica ce mai poate fi egala cu catul dintre lucrul mecanic efectuat de camp la deplasarea unui corp incarcat intre cele doua puncte si sarcina electrica a corpului. Unitatea de masura a tensiunii este voltul si se noteza cu V.

q

LVVU NM ==

Observatie: Diferenta si asemanarea dintre "e" si "U": - ambele au aceeasi unitate de masura, VOLTUL, dar "e" este tensiunea pe

care o produce o sursa, iar "U" este tensiunea care apare intre doua puncte din circuit.

1.6 PRODUCEREA DE TENSIUNE ELECTROMOTOARE Tensiunea electromotoare poate fi produsa prin mai multe metode, din care doua sunt mai des utilizate:

a) procese chimice b) inductie electromagnetica

1.6.1 Producerea de tensiune electromotoare Pilele electrice (bateriile) atat cele uscate cat si cele umede sunt capabile sa produca o t.e.m. datorita proceselor chimice. O baterie este formata n mod obisnuit din mai multe elemente (elemente de tip Volta) fig. 3.a) si 3.b). Elementul de tip Volta are doi electrozi (doua placi) din metale diferite, cufundati intr-o solutie. In figura 2 solutia apoasa sau electrolitul este in mod obisnuit un acid, iar cele doua placi pot fi facute din metale diferite.


8

In elementele de tip Volta t.e.m. este produsa datorita proceselor chimice ce au loc in element si care determina o diferenta de potential intre placa pozitiva (+) si cea negativa (-). Daca se conecteaza un bec electric intre cele doua placi va circula un curent electric de la placa pozitiva prin bec la placa negativa .In elementele de tip Volta t.e.m. este produsa datorita proceselor chimice ce au loc in element si care determina o diferenta de potential intre placa pozitiva (+) si cea negativa (-). Becul electric este un dispozitiv de conversie a energiei, acesta convertind energia electrica in energia calorica si lumina. Dupa scurgerea unei perioade de timp procesele chimice din elementul Volta devin ineficiente si producerea de t.e.m. se intrerupe. In unele elemente, procesele chimice pot fi reversibile prin reancarcarea si readucerea lor la starea de a putea produce din nou t.e.m. Aceste tipuri de elemente se numesc elemente secundare (acumulatoare). La autovehicule ca surse de siguranta sunt utilizate acumulatoare. Elementele la care procesele chimice nu sunt reversibile, si odata ce isi pierd capacitatea de a produce t.e.m. nu pot fi reincarcate, se numesc baterii - elemente primare (galvanice; exemplu: bateria de lanterna). Bateria de elemente Asa cum a fost mentionat in paragraful anterior o baterie este formata din unul sau mai multe elemente. Numarul de elemente este determinat de cerintele receptorului, exemplu: tensiune, curent, etc. Simbolurile electrice utilizate pentru reprezentarea unei baterii sunt prezentate in figura 3(a) si 3(b)

Utilizand simbolurile de mai sus, asa cum a fost mentionat, sensul conventional de circulatie a curentului este de la borna pozitiva, prin sarcina (receptor), la borna negativa. 1.6.2 Producerea t.e.m. prin fenomenul de inductie electromagnetica Daca exista o deplasare relativa intre un conductor electric si un camp magnetic se va induce o t.e.m. in acest conductor si in consecinta la capatul acestuia va


9

apare o diferenta de potential. Acest fenomen se numeste inductie electromagnetica (fig. 4). Deplasarea relativa dintre un camp magnetic si conductor poate fi realizata n doua moduri: - conductorul se mentine fix si deplasam magnetul - mentinem magnetul fix si deplasam conductorul

GENERATORUL ELECTRIC Un dispozitiv electric de producere a t.e.m. si care se bazeaza pe principiul fenomenului de inductie electromagnetica se numeste generator electric si are simbolul reprezentat in figura. Principiul de functionare va fi descris in capitolul Surse de tensiune.

Fig. 5 Simbolul generatorului electric


10

CAPITOLUL II

LEGEA LUI OHM.

LUCRUL MECANIC SI PUTEREA 2.1. OBIECTIVE: La sfarsitul acestui capitol, cursantul va fi capabil sa: enunte Legea lui Ohm si sa scrie ecuatia acestei legi;

explice care este diferenta dintre rezistivitate si conductivitate;

calculeze rezistenta echivalenta a rezistoarelor montate in serie, paralel si

mixt; enunte si sa scrie ecuatiile pentru Legea I si a II-a a lui Kirchhoff si sa

calculeze curentii dintr-un circuit complex; defineasca si sa numeasca unitatile de masura pentru:

- energia electrica - lucrul mecanic - puterea electrica defineasca randamentul;

precizeze doua din efectele nedorite ale randamentului scazut.


11

2.2 INTRODUCERE In prima parte a fost explicat pe scurt ce este un circuit electric, urmand ca acum sa studiem relatia cantitativa intre tensiune si curent intr-un circuit electric. In plus vom explica conceptul despre lucrul mecanic, putere si energie. 2.3. LEGEA LUI OHM In conductoare, purtatorii de sarcina, liberi, se gasesc intr-o miscare dezordonata din cauza agitatiei termice. Sub actiunea unui camp electric, respectiv a unei forte active rezultante medii, purtatorii de sarcina capata o viteza suplimentara ordonata. Pentru o portiune de curent de circui putem enunta Legea lui Ohm: Enunt: Tensiunea electrica la bornele unui circuit pasiv (fara surse) de curent continuu este egala cu produsul dintre intensitatea curentului si rezistenta circuitului. relatie ce exprima Legea lui Ohm Utilizand conductoare metalice de diferite lungimi si sectiuni, Ohm a constatat ca intre tensiunea dintre capetele conductorului si intensitatea curentului din conductor exista o relatie de proportionalitate:U~I. Daca la circuitul din figura, un rezistor cu valoarea rezistentei constanta se conecteaza cu o sursa de tensiune variabila, se poate observa ca, pentru toate valorile tensiunii aplicate la capetele rezistentei, urmatoarea relatie este adevarata: Tensiune/Curent = constanta

U=RI


12

De exemplu: Daca indicatiile de la voltmetru se impart la indicatiile de la ampermetru citirea facandu-se in acelasi timp, rezultatul va fi intotdeauna acelasi. Constanta de proportionalitate, pe care am notat-o cu R, este direct proportionala cu lungimea conductorului si invers proportionala cu aria sectiunii. Astfel, se poate scrie U=RI, unde:

00

>=S

lR

este rezistenta conductorului, si indica proprietatea materialului sau a dispozitivului de a se opune sau de a limita trecerea curentului prin circuitul electric Constanta de proportionalitate am numit-o rezistivitate In memoria celui ce a descoperit aceasta lege, unitatea de masura a rezistentei se numeste ohm ( ) Un conductor are rezistenta de un ohm cand o tensiune de un volt determina prin el un curent de intensitate de un amper.

de unde rezulta ca unitatea de masura pentru rezistivitate este m Marimea inversa a rezistivitatii, conductivitatea, /1= , are unitatea 1)( m si se defineste ca fiind proprietatea unui material de a lasa sa circule curent electric. Conductoarele au o conductivitate electrica foarte ridicata, iar izolatoarele foarte scazuta. In continuare se va prezenta un tabel care ilustreaza pe scurt marimile care intervin in Legea lui Ohm, unitatile de masura si simbolurile acestora:

MARIMEA UNITATEA DE MASURA

SIMBOLUL

Tensiune Volt (V) U

Curent Amper (A) I

Rezistenta Ohm ( ) R

0][][][0

>= SISISIS

lR


13

Ecuatiile care reprezinta relatiile dintre curent, tensiune si rezistenta se pot scrie acum folosind simbolurile si unitatile de masura:

1. RIU =/ [ ] [ ] =AV /

2. RIU = 3. RUI /= Exemple cu aplicatii ale legii lui Ohm.

1. La un generator electric care produce o tensiune de 100V este conectat un bec electric al carui filament este strabatut de un curent de 4A. Care este rezistenta filamentului?

Dupa ce s-a schitat circuitul, marcam sensul curentului si scriem parametrii cunoscuti. Se scrie legea lui Ohm: U=RI R=U/I R=100/4=25 Rezistenta filamentului este de 25 2. O plita electrica este conectata la o sursa electrica de 110V si ia un curent de 5A. Care este rezistenta plitei? Prezentand schema de mai jos si aplicand Legea lui Ohm:


14

U=RI R=U/I R=110/5=22 Rezistenta plitei este de 22 . 3. Un circuit a carui rezistenta este de 17 este conectat la o sursa a carei tensiune este de 117 V. Care va fi intensitatea curentului electric prin circuit?

Pentru determinarea tensiunii necesare scriem Legea lui Ohm: U=RI I=U/R I=117/17 = 6,9A Deci curentul in acest circuit este de 9A. 4. Ce tensiune trebuie sa se aplice la capetele unui rezistor care are o rezistenta de 50 , astfel ca prin aceasta rezistenta sa circule un curent de 3A?

Pentru determinarea tensiunii necesare scriem Legea lui Ohm U=RI U=50x3=150V Deci tensiunea necesara va fi de 150V.


15

Probleme pentru autocontrol. 1. Printr-un bec de semnalizare trece un curent de 3A, tensiunea de

alimentare fiind 12V. ce rezistenta are filamentul acestui bec? 2. Un consumator electric are nevoie de 25A, rezistenta consumatorului

fiind de 4,5 . Care va fi tensiunea necesara sursei? 2.3.1.Efectul rezistentei La trecerea curentului electric printr-un conductor sau un aparat electric au loc ciocniri intre electronii (atomii si moleculele) materialului conductor. Aceste ciocniri constituie o rezistenta trecerea curentului si in acelasi timp produc caldura. In anumite conditii aceasta caldura poate fi utila cum ar fi la radiatoare, plite electrice, etc. In alte cazuri, ca de exemplu la motoare, generatoare si transformatoare electrice, daca caldura nu se elimina printr-o anumita metoda de racire, atunci va duce la deteriorarea echipamentului. La fabricarea conductorilor electrici se are in vedere ca rezistenta acestora sa fie cat mai mica. Exista dispozitive cu destinatie speciala care au rezistenta variabila (in trepte sau continuu). Aceste dispozitive se numesc reostate si sunt utilizate la reglarea tensiunii sau a curentului dintr-un circuit electric. Reostatul este un dispozitiv a carui principala proprietate electrica o constituie rezistenta sa. 2.3.2. Legarea rezistoarelor in serie, paralel si mixt. Din paragraful anterior am vazut ca o retea electrica este formata dintr-o combinatie de mai multi consumatori ce pot fi legati intre ei in mai multe feluri Cele mai simple combinatii, ce se pot realiza cu mai multi rezistori dati, de rezistente cunoscute, sunt gruparea in serie si in paralel. Problema care se pune este aceea de a gasi un rezistor echivalent ca rezistenta electrica cu rezistenta gruparii date. Acest rezistor montat intre aceleasi doua puncte ca si grupare inlocuita va determina aceeasi cadere de tensiune U . In concluzie,mai multe rezistoare electrice pot fi conectate in serie, in paralel sau mixt, cu scopul de a se obtine un rezistor de rezistenta echivalenta Re a) Legarea in serie Sa consideram mai multe rezistoare R1, R2,, Rn, legate in serie ca in Fig.6, parcurse de acelasi curent de intensitate I si avand intre bornele extreme tensiunea U. Rezistenta echivalenta a unui rezistor echivalent, care legat in locul acestor rezistoare si aplicandu-i-se la borne aceeasi tensiune U, va face ca prin


16

circuit sa treaca un curent de aceeasi intensitate I, care conform legii lui Ohm - are expresia: I=U/Re

Pentru aceasta figura putem scrie: U1=R1I U2=R2I .. Un=RnI care inlocuite in relatia: U1+U2++Un=U, conduc la U=(R1+R2++Rn)I. Rezistenta echivalenta in serie va fi:

Re=U/I=R1+R2++Rn ==

n

k

kR1

=

=n

k

ke RR1

Prin urmare, in cazul legarii in serie a rezistoarelor, rezistenta echivalenta este egala cu suma rezistentelor rezistoarelor componente. Exemplul 1) La bornele unui generator electric cu o tensiune electromotoare de 120V si rezistenta interioara r = 0,4 este legat un cuptor electric cu rezistenta R = 3 . Cuptorul este alimentat prin doua conductoare a caror lungime este de 100m fiecare si rezistenta Rc = 0,0015 /m. Sa se calculeze intensitatea curentului electric din circuit. Re = 0,4 + (0,0015x100) + 3 + (0,0015x100) = 3,7 4 conductorul 1 conductorul 2 Curentul in circuit va fi: I = E/Re = 120/4= 30A


17

b)Legarea in paralel

La conectarea in paralel, tensiunea la bornele rezistoarelor fiind aceeasi (U), se pot scrie relatiile:

1

1R

UI =

1

1I

UR =

2

2R

UI =

2

2I

UR =

.

n

nR

UI =

n

nI

UR =

( )n

nRRR

IIII1

...11

...21

21 +++=+++= U

Rezistenta echivalenta este, conform Legii lui Ohm, urmatoarea:

E

n

eR

RRR

I

UR

1

)1

...11

(

1

21

=+++

==

sau

=

=n

k kE RR 1

11

Asadar, in cazul legarii in paralel (in derivatie) a rezistoarelor, inversul rezistentei echivalente este egal cu suma inverselor rezistentelor rezistoarelor componente. Exemplul 2 La bornele unui acumulator cu tensiunea electromotoare E = 15V sunt legate trei rezistente in paralel, R1 = 5 , R2 = 20 , R3 = 12 . Se cere sa se afle curentul total din acest circuit.


18

Rezistenta echivalenta Re se deduce din: 1/Re = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 = 1/5 + 1/20 +1/12 = (12 + 3 + 5)/60 = 20/60 = 1/3 Deci: Re = 3 Curentul total din circuit va fi: I = E / Re = 15/3 = 5A Exemplul 3: Sa se calculeze rezistenta echivalenta a doua rezistoare legate in paralel care au urmatoarele valori:

Rezistenta echivalenta va fi: Re = (R1 x R2) / (R1 + R2) = (3 x 6) / (3 + 6) = 18/9 = 2 Re = 2 b) Legarea mixta Daca rezistoarele sunt legate mixt, adica grupuri de rezistoare in paralel sunt legate in serie cu alte rezistoare rezistenta echivalenta se obtine din aproape n aproape. Se calculeaza mai intai o rezistenta echivalenta R'e pentru grupul de rezistente in paralel, apoi se calculeaza rezistenta echivalenta R"e pentru grupul in serie rezultat. Analog se rezolva si alte moduri de legare mixta (de exemplu grupuri de rezistoare n serie, legate n paralel cu alte grupuri de rezistoare).


19

: Exemplul 4 La bornele unui acumulator cu tensiunea electromotoare E = 15V si rezistenta interioara r = 0,45 sunt legate rezistoarele R1 = 0,8; R2 = 3; R3 = 6; R4 = 5; dupa schema din figura . Se cere sa se afle curentul in circuit.

AIR

UI

tot

R

RRRR

e

ee

17,29,6

15

95,638,045,07,2Re

7,211

30

5

1

6

11111

4,3

4,3434,3

===

=+++=

==

+=+=

2.4 Teoremele lui Kirchhoff In foarte multe situatii, instalatiile electrice nu sunt reprezentate prin circuite electrice simple, ci prin retele electrice complexe. Astfel, intelegand printr-o retea electrica un circuit cu ramificatii, sa consideram o retea electrica completa (nu are borne de acces cu exteriorul), N noduri (puncte de ramificatie), cu L laturi (portiuni neramificate marginite de doua noduri succesive) si cu O ochiuri (succesiunile de laturi care formeaza cate o linie inchisa). Laturile care contin surse de energie electrica (caracterizate prin tensiune electromotoare si rezistenta interna) se numesc laturi active, iar cele care nu au surse se numesc laturi pasive.


20

In general, prin rezolvarea unei retele intelegem determinarea intensitatii si sensurilor curentilor continui care trec prin cele L laturi. Acest calcul de retea se poate rezolva complet cu ajutorul celor doua teoreme ale lui Kirchhoff, care dau cele L ecuatii liniare si independente necesare pentru aflarea intensitatilor si sensurilor curentilor. In cazul retelelor de curent continuu, marimile se noteaza cu litere mari: R (rezistenta rezistoarelor), I (intensitatea curentului continuu), U (tensiunea), E (tensiunea electromotoare) si r (rezistenta interna a surselor). Aparatele care masoara aceste marimi sunt respectiv ohmetrul, ampermetrul si voltmetrul. Prima teorema a lui Kirchhoff

Teorema I a lui Kirchhoff se enunta astfel: Suma curentilor care intra intr-un nod este egala cu suma curentilor care ies din acel nod. Astfel pentru un nod ca in figura

Teorema I a lui Kirchhoff se scrie sub forma: I1 + I2 + I4 = I3 + I5 IK = 0 sau sub forma: I1 + I2 + (- I3) + (I4) + (- I5) = 0 Sub aceasta ultima forma, se considera pozitivi curentii care intra in nod si negativi curentii care ies din nod.


21

A doua teorema a lui Kirchhoff

Teorema a II-a a lui Kirchhoff se enunta astfel: Intr-o bucla (ochi) de retea suma algebrica a caderilor de tensiune este egala cu suma algebrica a tensiunii electromotoare ale surselor din acea bucla(ochi).

RkIk=Ek In reteaua din figura putem spune ca fiecare latura cuprinde rezistenta si surse de tensiune, iar curentii ce trec prin laturi sunt I1, I2, I3, I4, sensul lor putand fi oricare. Curentii ce trec prin rezistenta produc caderi de tensiune. Pentru stabilirea cu usurinta a semnelor ce trebuie atribuite tensiuilor electromotoare si caderilor de tensiune se procedeaza astfel: - stabilim intr-un mod oarecare sensul curentilor prin fiecare latura a conturului - in continuare stabilim prin circuit un sens oarecare parcurs, astfel putand

scrie atat tensiunile electromotoare din circuit, cat si cat si caderile de tensiune. In aceasta situatie intalnim urmatoarele situatii:

daca tensiunea electromotoare strabate sensul parcurs de la borna negativa la cea pozitiva are sens pozitiv (+), in caz contrar ea are sens negativ (-);

daca tensiunea electromotoare strabate sensul parcurs de la borna negativa la cea pozitiva are sens pozitiv (+), iar daca sensul curentului laturii este opus sensului de parcurgere, caderea de tensiune este negativa (-)

Obs./ Sensul de parcurgere al buclei poate fi ales oricum Pentru circuitul din figura de mai sus, conform Legii a II-a a lui Kirchhoff, rezulta

R1 I1 - E1 - R'2 I2 - E2 - R"2 I2 + E3 - R3 I3 + R4 I4 = 0


22

E1 + E2 - E3 = R1 I1 - R'2 I2 - R"2 I2 - R3 I3 + R4 I4 E = R I UK = 0 ; UK = RK IK - EK Mod de rezolvare a retelelor de curent prin metoda legilor lui Khirchhoff Pentru o retea cu n - noduri si l - laturi in care fiecare latura este parcursa de un curent si contine un rezistor, unele continand si forte electromotoare. Astfel rezulta ca numarul de curenti este l ;cunoscand valorile rezistentelor rezistoarelor si tensiunilor electromotoare, trebuie sa determinam curentii. notam cu I1, I2, ..... I l curentii in laturi; deoarece nu cunoastem sensul curentilor, acest sens se alege arbitrar se scrie Legea I a lui Khirchhoff pentru n-1 noduri si se obtin n-1 ecuatii

de forma

I = 0 (n-1 ecuatii) impartim reteua in l-n+1 ochiuri in care se scrie legea a II-a a lui Kirchhoff,

deci se obtin l-n+1 ecuatii de forma unor produse intre curenti si rezistente, de forma:

E=RI (l-n+1) Curentii se vor determina prin rezolvarea sistemului format din ecuatiile:

I=0 (n-1 ecuatii) E=RI (l-n+1 ecuatii) Conventii de semn: - tensiunile electromotoare parcurse in sensul lor pozitiv au semnul +, iar cele

parcurse in sens invers sensului lor pozitiv au semnul . - caderile de tensiune produse de curentii cu acelasi sens cu sensul de parcurs

au semnul +, iar cele produse de curenti de sens contrar sensului de parcurs au semnul -.


23

Exemple:

1. Pentru reteaua din figura se cunosc E1=48V, r1=1, R1=1, R2=R3=2. Sa se calculeze intensitatile curentilor prin laturi.

Solutie: Reteaua are n=2 noduri (A si B) si l =3 laturi. In consecinta se vor scrie: n-1 = 1 ecuatii din teorema I a lui Kirchhoff si l - n + 1 = 2 ecuatii din teorema a II-a a lui Kirchhoff. Pentru curentii necunoscuti I1, I2, I3 se alege arbitrar sensul indicat prin sageti punctate. Din legea I scrisa pentru nodul A si apoi teorema a II-a pentru circuitele independente: BbaAB si BAdcB (parcurse n sensul indicat de litere) se obtine un sistem de trei ecuatii independente cu trei necunoscute: I1 + I2 - I3 = 0 I1 + I2 - I3 = 0 R1 I1 + R3 I3 = E1 sau 2I1 + 4I3 = 48 - R3 I3 - R2 I2 = - E2 4I3 + 3I2 = 19 Sistemul de ecuatii se rezolva printr-o metoda oarecare (de exemplu metoda substitutiei).


24

2.4. Lucrul mecanic, puterea, randamentul si energia

Lucrul mecanic Lucrul mecanic efectuat de o forta asupra unui corp, pentru a-l deplasa pe distanta d, este egal cu produsul dintre marimea fortei F si distanta d. L = F x d In Sistemul International (SI) unitatea de masura pentru lucrul mecanic este Joule-ul care reprezinta lucrul mecanic realizat prin deplasarea pe distanta de un metru a unui corp actionand asupra lui cu forta de 1N (Newton). 1N x 1m = 1J

Puterea electrica Puterea electrica este lucrul mecanic efectuat in unitatea de timp, de catre un cimp electromagnetic, pentru deplasarea cu viteza constanta a unei sarcini electrice.

P = L/t [P]SI = [L]SI/[t]SI [P]SI =J/s In onoarea omului de stiinta James Watt cu lucrarea sa "Conversia caldurii n energie mecanica" unitatea de masura pentru puterea electrica a fost numita Watt si are simbolul W. Puterea intr-un circuit electric poate fi determinata cu ajutorul urmatoarei

formule: P = U x I Puterea electrica disipata de un consummator de rezistenta electrica R, sub foma de caldura se poate scrie P = R I2 U = R x I I = U/ R P = U2/ R Prin definitie: 1W = 1V x 1A


25

Definitia puterii se mai poate scrie ca fiind energia dezvoltata in unitatea de timp.

P = E x I In practica se mai foloseste si 1 kWh=3,6x106J Pentru un circuit intreg cu rezistenta totala (R+r), puterea disipata sub forma de caldura se scrie:

P = I2(R+r)

Exemple: 1. Consideram un bec electric conectat la o sursa de tensiune de 120V. Filamentul lui este strabatut de un curent electric de 2A. Sa se calculeze puterea electrica disipata de bec. In aceasta problema, fiind date valorile tensiunii si a curentului, formula pentru determinarea puterii va fi: P = U I P = 120 x 2 = 240W Puterea disipata de bec este de 240W. 2. Care va fi puterea disipata de un rezistor de 19,2, fiind conectat la o sursa de tensiune 240V. Fiind date tensiunea si rezistenta, formula cea mai convenabila va fi: P = U2/ R P = 2402/19,2 = 3000W = 3KW Puterea disipata pe rezistor este de 3000W sau 3KW. 3. Un rezistor care are rezistenta de 10 este parcurs de un curent de 5A. Care este puterea disipata pe acest rezistor? Fiind date valorile rezistentei si a curentului, formula cea mai convenabila va fi: P = I2 R P = 52 x 10 = 250W Puterea disipata pe rezistor este de 250W.

Randamentul (eficienta) Randamentul unei marimi, al unui dispozitiv sau al unui proces, se defineste ca fiind raportul dintre marimea de iesire si marimea de intrare (putere, lucru mecanic, etc.)


26

Randamentul % = Marimea de iesire/Marimea de intrare x 100 In orice masina, dispozitiv sau proces, randamentul ideal ar fi in procent de 100%. Aceasta valoare ideala nu se poate atinge niciodata datorita pierderilor ce au loc. Daca pierderile sunt foarte mici, randamentul va fi aproape de 100%, iar daca pierderile sunt foarte mari randamentul va fi cu mult mai mic decat 100%. Exemple:

1. Puterea de intrare la un electromotor este de 9,3kW, iar puterea de iesire (la arbore) este de 10 Cp.

Sa se calculeze: a) - randamentul electromotorului b) - pierderile in electromotor

stiind ca 746Watti = 10Cp R: a) =Piesire/Pintrare x 100 =7460/9,3x1000x100=80,2% =80,2% b)Pierderi in motor=Pintrare-Piesire= =9,3x1000W 7460W =1840W = 1,84Kw

2. Motorul electric al unui compressor este conectat la o sursa a carei tensiune este de 380V. Puterea absorbita de la retea este de 60 kW.

Sa se calculeze:

a) puterea la arbore, stiind ca randamentul motorului este de 75% b) pierderile in motor

R: a) %=Piesire/Pintrarex100 75%=Piesire/60kWx100 Piesire=75x60kW/100=45kW Piesire=45kW

c) Pierderi in motor = Pintrare-Piesire=60kW-45kW=15kW Pierderi in motor=15kW


27

Exercitii:

1. Care este puterea (exprimata in Cp) la arboreal unui motor al carui randament este de 85% si care absoarbe un current de 8,6A la tensiunea de 220V. (R: 2,16Cp)

2. Care este randamentul unui motor a carui putere de antrenare este de 0,25 Cp si care absoarbe un current de 1,8A la tensiunea de alimentare de 117V. (1Cp=746W;R: 88,6%)

Energia electrica Pentru o centrala electrica principala surs de venit este energia electrica. Energia se defineste ca produsul dintre putere si timp si are aceiasi unitate de masura ca si lucrul mecanic Joule-ul. Deci unitatea de masura pentru energie este Joul-ul, iar pentru putere Joule/secunda (sau Wattul). W = P x t [W] = J/s x s = J; J = W x s Joule-ul este considerat ca fiind o unitate prea mica pentru a fi utilizata in relatiile comerciale pentru energia electrica si se va utiliza kWh. Exemple:

1. Sa se calculeze energia in kWh consumata de un incalzitor electric de 2kW care este conectat la reteaua electrica timp de 5 ore.

R: Energia in [kWh] = P x t E = 2kW x 5 = 10kWh E = 10kWh E = 2kW x 5 x 3600s = 2 x 103W x 5 x 3600= = 36 x 106 Joule E= 36 x 106 Joule

2. Puterea electrica luata de la retea de un motor electric este de 200kW, iar

puterea masurata la arbore este de 180kW.

Sa se calculeze: a)-costul energiei pierdute la functionarea motorului timp de 1000 ore, pretul energiei fiind de 40 lei kW.


28

b)-costul energiei pentru functionarea motorului timp de 1000 ore, presupunand ca are un randament de 100%.

R:

a)Pierderea = Pintrare - Piesire = 200 - 180 = 20kW Energia pierduta = 20kW x 1000 ore = 20 x 103 kWh Costul energiei pierdute = 20000kW x 40 lei = 800.000 lei

Costul energiei pierdute= 800.000 lei

b)Daca motorul are un randament de 100% Puterea la iesire va fi egala cu puterea la intrare.

Deci, Econsumata = 180 x 1000 = 180 x 103 kWh

Costul energiei in lei = 180 x 103 kWh x 40lei = 7.200.000 lei

Din exemplele de mai sus se poate aprecia care este efectul unui randament scazut si anume cheltuiala in plus pentru aceiasi cantitate de energie. Cheltuiala in plus nu se datoreaza numai pentru a compensa energia pierduta ci si pentru evacuarea caldurii produse datorita acestor pierderi.


29

CAPITOLUL III

SURSE DE TENSIUNE 3.1.Obiective: La sfarsitul acestui capitol, cursantul va fi capabil sa: numeasca elementele constructive ale unui generator electric de curent

alternativ; numeasca factorii care determina amplitudinea tensiunii produse;

defineasca frecventa, valoarea instantanee si valoarea efectiva;

explice modul de functionare al unui acumulator acid cu plumb; schiteze acest

acumulator; descrie masurile de protectia muncii in incaperea bateriilor de acumulatoare.


30

3.2. INTRODUCERE Tensiunile electrice in centralele electrice sunt obtinute din doua surse: generatoare electrice si surse electro-chimice (acumulatoare). Generatoarele electrice sunt utilizate pentru furnizarea energiei electrice la S.E.N. si prin acesta la consumatoriii industriali si casnici, iar acumulatoarele sunt utilizate ca sursa de siguranta care furnizeaza energie electrica la consumatorii care asigura oprirea in deplina siguranta a centralei. 3.3. PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE A GENERATORULUI ELECTRIC A fost explicat modul de producere a tensiunii electrice bazata pe principiul inductiei electromagnetice. In acest capitol se descrie in detaliu principiul de baza al functionarii unui generator electric simplu. Tensiunea indusa Cand o spira este rotita intr-un camp magnetic asa cum este aratat in figura de mai jos, in aceasta spira se va induce o tensiune.

Fig. 1 O spira rotita intr-un camp magnetic stationar Aceasta tensiune poate fi pusa in evidenta cu ajutorul unui voltmetru, care se conecteaza la capetele acestei spire:


31

Fig. 2 Componentele unui generator de current alternative Pentru culegerea tensiunii induse sunt utilizate perii si inele colectoare. Daca exista o deplasare relativa intre un conductor si campul magnetic, in acel conductor se va induce o tensiune, fenomen prezentat in cele doua figuri precedente. Deplasarea relativa a conducorului fata de campul magnetic care este stationar (constant) se realizeaza cu un motor primar (turbina). 3.4. ELEMENTELE CONSTRUCTIVE DE BAZA ALE UNUI GENERATOR Elementele constructive ale unui generator sunt prezentate in figura precedenta, astfel putem sa le enumeram:

a) camp magnetic stationar b) un conductor sub forma de spira numit bobina sau infasurare c) miscare de rotatie este asigurata de un motor primar (turbina) d) inelele colectoare construite de obicei din cupru sau bronz, care

de fapt sunt terminalele bobinei rotitoare. Trebuie tinut cont de faptul ca inelele colectoare sunt izolate atat intre ele cat si fata de arbore.

e) periile colectoare construite de obicei din carbon (praf de carbine, grafit, praf de cupru prin presare) si au rolul de a realize legatura dintre inelele colectoare si bornele principale ale generatorului electric.


32

3.5. TENSIUNEA IN CURENT ALTERNATIV Producerea unei tensiuni electromotoare alternative sinusoidale Tinand cont de Fig. 2 putem spune ca acel cadru dreptunghiular este bobinat cu N spire si se roteste cu o viteza constanta in jurul axului, intr-un camp magnetic perpendicular pe axa de rotatie. Extremitatile infasurarii cadrului sunt in legatura cu doua inele colectoare, montate pe axul sau de rotatie si izolate de acesta. Cu ajutorul a doua perii ce freaca pe inele se poate face legatura la un circuit exterior. La o rotatie completa a unei spire, reprezentata tot in Fig 2 se va produce o tensiune avand forma unei sinusoide ca in Fig.3.

Fig. 3 Variatia sinusoidala a tensiunii Ceea ce se poate observa este ca tensiunea produsa in orice moment depinde de pozitia spirei in campul magnetic (Fig 4). Tensiunea maxima indusa in spira este cand spira taie numarul maxim de linii de camp.in unitatea de timp; de exemplu cand spira este in centrul campului magnetic (in pozitia orizontala). In cazul cand spira nu taie liniile de camp magnetic la rotirea acesteia, latura de sus si cea de jos se deplaseaza parallel cu liniile de camp. Tot in Fig 4 este reprezentata variatia tensiunii de la zero la valoarea maxima, apoi scade pana la zero, dupa aceea creste pana la valoarea maxima negative si apoi scade la valoarea zero. Se observa ca variatia in sens negative a tensiunii are o valoare simetrica cu variatia in sens pozitiv. Aceasta tensiune se numeste tensiune alternative, deoarece alterneaza intre valori positive si valori negative. Deci curba de variatie a tensiunii generate in centralele electrice este o sinusoida.


33

Amplitudinea tensiunii produse este determinate de trei factori: - intensitatea campului magnetic - numarul de spire care taie liniile de camp magnetic - viteza la care sunt rotite spirele. Generatoarele de curent alternativ se construiesc dupa acest principiu, doar ca pentru a se obtine inductii magnetice intense, masina este construita dintr-un


34

rotor si un stator din materiale feromagnetice, prin care se inchide fluxul magnetic, iar infasurarea corespunzatoare cadrului cu N spire este executata in crestaturi dispuse la periferia interioara a statorului. In felul acesta nu cadrul se roteste, ci campul magnetic produs de catre electromagnet (rotor), care se roteste cu viteza n = rot/s, antrenat fiind de un motor primar(turbina). Principial, o sectiune transversala printr-un astfel de generator este data in schita de mai jos, unde spre simplificare s-a prezentat o singura crestatura ce contine un singur conductor.

OBSERVATIE

a) pentru o anumita viteza de rotatie si numar de spire tensiunea este proportionala cu intensitatea campului magnetic;

b) pentru o anumita intensitate a campului magnetic si numar de spire

tensiunea este proportionala cu numarul de spire;

c) pentru o anumita viteza de rotatie si intensitate a campului magnetic, tensiunea este proportionala cu numarul de spire.


35

Fig. 5 O perioada (ciclu) completa de variatie sinusoidala cu amplitudine maxima a lui U O sinusoida completa (00 3600) se numeste perioada(ciclu), notata cu T. Numarul de perioade complete pe secunda este denumit frecventa, iar unitatea de masura este Hertz-ul (Hz).

1Hz = 1T/1s Frecventa din Sistemul Energetic National este de 50 Hz, ceea ce inseamna ca o perioada (ciclu) reprezentata in Fig. 3 se repeata de 50 de ori pe secunda. Tensiunea obtinuta de la generatorul de current alternativ isi schimba valoarea continuu. Valoarea tensiunii obtinute la un moment dat se numeste valoare instantanee. In practica nu este convenabil sa se lucreze sau sa se faca masuratori cu valori instantanee, asa ca s-a adoptat ca la marimile sinusoidale sa se masoare efectul real al marimii respective. Aceasta marime se numeste marime efectiva a tensiunii ( sau a curentului). Valoarea efectiva a tensiunii sau a curentului poate fi exprimata in functie de valoarea instantanee maxima a marimii sinusoidale. maxmax 707,02/ UUU =


36

Valoarea efectiva a intensitatii curentului alternativ este egala cu intensitatea unui curent continuu, care dezvolta aceeasi cantitate de caldura ca si curentul alternative trecand prin acelasi resistor (cu aceeasi rezistenta, in acelasi interval de timp). maxmax 707,02/ III =

OBS: In cazul circuitelor de curent alternativ valorile tensiunii si curentului, sunt intotdeauna considerate valori effective, cu exceptia cand exista specificatii. Exemple:

1. Intr-un circuit de c.a. valoarea maxima instantanee a tensiunii este de 169V. calculati valoarea efectiva a acestei tensiuni:

VUU 5,119414,1/169414,1/max === 2. Valoarea maxima instantanee a curentului dintr-un circuit de c.a. este de

14,14A. Sa se calculeze valoarea efectiva a curentului. VII 10414,1/14,14414,1/max ===

3. Valoarea instantanee maxima a curentului care strabate un resistor este de 25A la o tensiune maxima instantanee de 141,4V. Sa se calculeze puterea disipata pe acel resistor.

WIUUIP 763,1414,1/25414,1/4,141414,1/414,1/ maxmax ====

3.6. ACUMULATOR ACID CU PLUMB (element secundar) Un acumulator este un dispozitiv capabil sa inmagazineze energia electrica. In acest capitol vor fi prezentate numai acumulatoarele acide cu plumb, deoarece acest tip de acumulatoare este cel mai mult utilizat in centralele electrice. 3.6.1. Teoria de baza a acumulatoarelor acide cu plumb In Fig. 6 este prezentata schematic un acumulator. Aceasta consta din mai multe perechi de placi diferite (elemente), sau electrozi de baza intr-un electrolit format din acid sulfuric diluat cu apa demineralizata 50%. Cand un consumator este conectat la bornele acestui element, plumbul spongios si peroxidul de plumb care sunt materiale active, reactioneaza chimic si determina circulatia unui curent continuu care are sensul indicat de sageata. Curentul care circula prin consumator descarca elementul si tensiunea de la bornele lui va scadea treptat. De asemenea si densitatea electrolitului se va reduce.


37

Fig. 6. Schema unui element de acumulator acid cu plumb In figura urmatoare este aratat cum variaza tensiunea si densitatea in functie de timpul de descarcare al unui element

In Tabelul 1 sunt prezentate conditiile standard pentru un acumulator dintr-o centrala electrica. Cand tensiunea la bornele acumulatorului ajunge la 1,75 V descarcarea trebuie oprita si se face reincarcarea acestuia. Nr. crt.

Element incarcat

Element descarcat

1. Tensiunea la borne 2,15V 1,75V 2. Densitate 1,22 1,10 Se observa ca la constructia acumulatorului (fig 7) sunt prevazute separatoare si aerisiri. Aerisirea permite iesirea in atmosfera a gazelor eliberate datorita reactiilor chimice. Separatorul previne ca cele doua placi sa vina in contact si sa produca un scurtcircuit.


38

De subliniat faptul ca in realitate in centralele electrice exista baterii de elemente, formate din mai multe elemente legate in serie si se numesc baterii de acumulatori, instalate intr-o incapere speciala numita camera de acumulatori.

Fig. 7 Element de incarcare

3.6.2. Pericole din camera de acumulatori In camera de acumulatori este necesar ca periodic sa se execute lucrari de intretinere datorita diverselor pericole. Aceste pericole pot fi:

a) Pericolul electric. Legaturile intre elemente sunt facute de obicei din bare ceea ce poate duce la un scurtcircuit accidental sau electrocutare, situatie care duce la folosirea in camerele de acumulatori numai scule electroizolante.

b) Pericole chimice. Electrolitul (solutia de acid sulfuric) este foarte coroziv,

motiv pentru care in camerele de acumulatori se vor purta haine de protectie, masca de fata si sort.

c) Pericolul de explozie. La operatiunile de incarcare/descarcare

acumulatori se produc gaze de oxigen si hidrogen datorita electrolizei apei. Combinatia acestor fiind foarte exploziva, camera de acumulatori este prevazuta cu sistem propriu de ventilatie si sa fie eliminate toate sursele de scantei. Inainte de a intra in camera de acumulatori sistemul de ventilatie trebuie sa fie pus in functiune.


39

CAPITOLUL IV

CONDUCTOARE ELECTRICE 4.1.Obiective La sfarsitul acestui capitol, cursantul va fi capabil sa: explice care este motivul pentru care conductoarele electrice sunt

confectionate din cupru si aluminiu; stabileasca relatia dintre rezistenta, rezistivitate, lungime, sectiune la un

conductor electric; determine sensul liniilor campului magnetic din jurul unui conductor cand se

cunoaste sensul curentului; explice fenomenele care apar la doua conductoare apropiate strabatute de

curenti electrici.

.


40

4.2 INTRODUCERE Conductorul este considerat un material care are proprietatea de a conduce curentul electric. Exista profile diferite de conductoare, ele avand proprietati electrice si mecanice speciale. 4.3.Proprietati electrice: Conductivitatea - proprietatea conductorului de a lasa sa treaca usor curentul electric. - Argintul este cel mai bun conductor electric, dar acesta se utilizeaza in

cazuri speciale datorita pretului ridicat. - Cuprul are o conductivitate apropiata de cea a argintului, dar si utilizarea

acestuia este redusa datorita pretului. - Aluminiul, are o conductivitate mai mica decat a cuprului, dar datorita

pretului mai scazut se utilizeaza mai mult, in special la liniile electrice lungi (liniile electrice aeriene).

Toate conductoarele au o anumita rezistenta electrica de aceea la trecerea curentului electric de-a lungul conductorului va avea loc o cadere de tensiune data de tensiune (IR) si o incalzire data de putere (I2R). Este foarte important ca incalzirea si caderea de tensiune sa se mentina la o valoare cat mai mica. Sectiunea conductorului, pentru un curent dat, trebuie sa fie foarte bine aleasa deoarece o sectiune prea mica va duce la caderi de tensiune si incalziri foarte mari, iar pe de alta parte, o sectiune prea mare va ridica foarte mult costul. Rezistenta conductorului Asa cum s-a aratat si in capitrolul II Factorii care influienteaza rezistenta (R) a conductorului sunt: a) Lungimea conductorului (l) b) Sectiunea conductorului (S) c) Rezistenta specifica a materialului (rezistivitate) din care este facut

conductorul () - este constanta pentru un material dat. d) Temperatura de lucru a conductorului. Rezistenta R a conductorului se poate determina cu relatia:

S

lR =

Pentru orice conductor, rezistenta variaza direct proportional cu lungimea conductorului, invers proportional cu aria sectiunii transversale a conductorului si depinde de natura materialului conductorului.


41

Astfel rezulta urmatoarele situatii: Sectiunea (S) ct Lungimea (l) - rezistenta (R) - Lungimea (l) ct Sectiunea (S) - rezistenta (R) - Temperatura (T) - rezistenta (R) - Exemplu: Este necesar sa se confectioneze o rezistenta R de 20 din sarma de constantan cu rezistivitatea = 4,5 mm2/m si sectiunea S = 15mm2. Ce lungime trebuie sa aiba sarma? l = RxS/ = 20 x 15mm2/4,5 x mm2/m = = 300mm x m/4,5 x mm2 = 75m 4.3.1.Campul magnetic din jurul conductorului Cand un conductor este parcurs de un curent electric in jurul acestuia ia nastere un camp magnetic. Daca se cunoaste sensul curentului atunci se poate determina si directia liniilor de forta ale campului cu ajutorul unei reguli simple si anume regula mainii drepte.

Fig. 1 Conductor parcurs de un curent electric


42

Daca punem degetul mare in directia circulatiei curentului electric prin conductor apoi inchidem palma, celelalte degete ale mainii vor indica sensul liniilor de forta a campului magnetic. Nota: In sectiunea conductorului s-a stabilit conventional ca pentru sensul li

niilor campului magnetic sa se utilizeze urmatoarele simboluri. a) (+) - pentru curentul care are sensul de la observator spre pagina. b) () - pentru curentul care iese din pagina spre observator. Campul magnetic din jurul conductorului din figura 1 poate fi concentrat facand din acel conductor o bobina ca in figura 2.

Fig. 2 Campul magnetic intr-o bobina

Marind numarul de spire intr-o bobina se mareste numarul liniilor de forta ale campului magnetic. Se poate observa ca unul din capetele bobinei este marcat cu N (polul Nord) si celalalt cu S (polul Sud). Aceasta deoarece si la electromagnet ca si la magnetii permanenti va exista un pol nord si unul sud. In exterior sensul liniilor de forta ale campului magnetic va fi de la nord la sud, iar in interior de la sud la nord. Numarul liniilor de forta a campului magnetic al unei bobine poate fi marit foarte mult introducand n interiorul bobinei un material feromagnetic (fierul; aliaj fier-siliciu, etc.). In figura 3(a) sunt reprezentate liniile de forta ale campului magnetic pentru o bobina fara miez feromagnetic. In figura 3(b) sunt reprezentate liniile de forta ale campului magnetic intr-o bobina care are un miez din material feromagnetic.


43

De mentionat ca prin ambele bobine trece acelasi curent. Cresterea numarului de linii de forta se datoreaza numai caracteristicilor materialului feromagnetic. Daca curentul care strabate bobina este continuu atunci campul magnetic creat nu prezinta variatii. Daca curentul este alternativ campul magnetic va fi variabil.

4.3.2.Fortele exercitate asupra conductorilor in camp magnetic; forte electromagnetice Cand un conductor este strabatut de un curent electric in jurul lui se va naste un camp magnetic. Spatiul din jurul conductorului parcurs de curenti capata proprietati speciale caracterizate prin faptul ca transmit forte asupra altor conductoare parcurse de curenti electrici. Aceste forte se numesc forte electromagnetice. Presupunand ca avem campul uniform daca conductorul are lungimea (l) si este parcurs de curentul (I), iar directia curentului face cu liniile de forta a campului un unghi oarecare (fig. 4), forta electromagnetica este aratata de relatia

Fig.4 Regula mainii stangi pentru determinarea sensului fortei magneto-electrice unde: B - este inductia campului magnetic.


44

[B]=[F] /{[I] x [l]} = N/A x m = T (Tesla) Expresia inductiei magnetice intr-un camp aflat la distanta r de conductor se scrie:

B = I / 2r ,

unde: - permeabilitatea magnetica a mediului. Cand conductorul este perpendicular pe liniile de forta = 90, sin 90 = 1,

forta este maxima fiind data de relatia: lIBF =

Daca conductorul este paralel cu liniile de forta ale campului = 0, sin 0 = 0 , rezulta F = 0, adica asupra conductorului nu se exercita forte. Forta F este totdeauna perpendiculara pe planul format de conductor si liniile de forta care trec prin conductor. Pentru determinarea sensului fortei F se foloseste regula mainii stangi:

Se intinde mana stanga cu palma intinsa, degetul mare n unghi drept fata de celelalte degete, astfel curentul sa intre prin cot si sa iasa prin degete, iar liniile de forta ale campului magnetic sa intre prin palma; directia indicata de degetul mare arata sensul fortei F.

4.2.3 Forte intre conductoare parcurse de curenti; forte electrodinamice S-a aratat anterior ca daca un conductor parcurs de curentul I se gaseste intr-un camp magnetic, asupra conductorului se exercita o forta F. Este evident faptul ca aceeasi forta F se va exercita asupra conductorului cand campul magnetic este produs intre doua conductoare paralele. n acest scop se presupune ca doua conductoare de lungime (l) sunt situate la distanta (d) si sunt parcurse de curentii I1 si I2 (fig.1). Asupra conductorului parcurs de curentul I2 se va exercita forta: F = B1 I2 x l , sau:

F1 = x [(I1 I2 x l) / (2r)]

F2 = B2 I1 x l = x [(I1 I2 x l) / (2r)] = F1


45

Doua conductoare paralele parcurse de curent electric interactioneaza cu forta

F = [(I1 I2 x l) / (2r)

Tinand seama de regulile privitoare la stabilirea sensului campului parcurs de un curent (regula mainii drepte) si regula privind sensul fortei produse asupra unui conductor situat in camp magnetic (regula mainii stangi) se deduce: Daca curentii I1 si I2 au acelasi sens, fortele F sunt forte de atractie (fig. 2a) Daca curentii I1 si I2 au sensuri contrare, fortele F se resping.

Producerea fortelor electrodinamice foloseste ca principiu de functionare a unor aparate de masura denumite aparate electrodinamice. Asemenea forte apar in unele instalatii fara a avea un efect util. De exemplu, ele apar deosebit de puternic intre barele conductoarelor de curent in statiile electrice, in timpul scurtcircuitelor, datorita valorii mari a curentilor de scurtcircuit. Efectele pot fi indoirea barelor si/sau ruperea izolatoarelor care fixeaza aceste bare.


46

De asemenea aceste forte pot provoca deschiderea nedorita a unor intreruptoare si separatoare. Exemplu : Intr-o statie electrica, barele conductoare de curent sunt asezate la distanta r = 30cm. Distanta intre izolatoarele unei bare este de 2m, deci fiecare izolator sustine o lungime de bara de l = 2m. Se cere forta la care sunt supuse izolatoarele in timpul unui curent de scurtcircuit de 24000A. Solutie: Forta F a unei lungimi l = 2m a barei sau forta care revine unui izolator este: F = x [(I1I2x l)/(2r)] F = [4 x 10-27 x 24000 x 24000 x 2]/[2 x 0,3] = 768N. Deoarece sensul curentilor I1 si I2 este diferit, forta F este o forta de respingere

Electric (1)

Documents

Transcript of Electric (1)