В электрических цепях нам предстоит измерять три важнейших параметра: ток, напряжение и мощность.

Под режимом работы понимают числовые значение токов, напряжений и мощностей в схеме. Для измерения режима работы схемы в нее включают измерительные приборы.

Рис.3. Схема включения амперметра

Амперметр включается в цепь последовательно с участком, в котором нужно измерит ток. Другими словами амперметр включается в разрыв провода.

    Сопротивление амперметра должно быть как можно меньше, а в идеале равно нулю. Если же сопротивление амперметра больше нуля, то его включение вызовет уменьшение тока в цепи, поскольку оно прибавится к сопротивлению резистора R? Что увеличит общее сопротивление цепи. Это означает, что включение прибора привело к изменению работы цепи, что недопустимо. Подключение измерительного прибора не должно влиять на работу цепи.

    С током какой силы приходится сталкиваться в быту? Это легко определить по формуле,

I=P/U

    Для расчёта необходимо знать мощность потребителя, а также помнить, что напряжение в бытовой электросети составляет 220В.

    Так, для лампочки мощностью 100Вт, потребляемый ток равен:

I=P/U=100/220= 0,45А.

    Вольтметр подключается параллельно к участку, на котором нужно измерить напряжение. Как уже отмечалось, напряжение в наших домах и квартирах составляет 220 вольт. В высоковольтных линиях электропередач, которые можно увидеть в поле или в лесу, напряжение может составлять 6000 и более вольт. Но, в техники используются и более низкие напряжения. Например, напряжение питания сотового телефона составляет около четырёх вольт.

Рис.3. Схема включения вольтметра:

Сопротивление вольтметра должно быть как можно больше, а в идеале – быть бесконечно большим. В противном случае вольтметр покажет напряжение меньше, чем было в цепи до его подключения.

Попробуем разобраться в чем тут дело. Подключение вольтметра параллельно к резистору приводит к увеличению тока, потребляемого от источника ЭДС. В соответствии с графиком внешней характеристики (рис. 8), увеличение потребляемого тока приводит к уменьшению напряжения на нагрузке.

Для измерения потребляемой схемой мощности в схему включается ваттметр.

Рис.4. Схема включения ваттметра

В отличие от вольтметра и амперметра ваттметр имеет 4 вывода. Ваттметр должен реагировать на напряжение и на ток, что следует из формулы

P = U·I

Символом “*” (звёздочка) на схеме, и на самом приборе, обозначают генераторные зажимы. Они должны быть обращены в сторону генератора энергии, как и показано на рисунке.

Режимы работы источника ЭДС

Существуют три режима работы источника:

холостой ход (х.х),

режим нагрузки;

режим короткого замыкания (к.з).

Рассмотри эти режимы.

Холостым ходом называется режим, когда к зажимам (клеммам) источника не подключена нагрузка (рис.5). В режиме холостого хода источник не отдает своей энергии потребителю и не производит полезной работы.

Примером источника, находящегося в режиме холостого хода является  батарейка, к которой ничего не подключено. Режим х.х. безопасен для источника.

Единственная польза от этого режима состоит в том, что в режиме х.х. вольтметр покажет ЭДС источника. В записи это выглядит как формула: U=E.

Рис.5. Источник ЭДС в режиме холостого хода

Признаком режима холостого хода является ток в цепи, равный нулю. В самом деле, к зажимам источника нагрузка (потребитель энергии) не подключена (сравни с рис.1). Сопротивление между зажимами (клеммами) источника бесконечно велико. Следовательно, в соответствии с законом Ома, ток в цепи равен нулю.

Режимом нагрузки называется режим, при котором к источнику подключен потребитель. Источник отдаёт свою энергию нагрузке и в цепи протекает ток.

Рис.6. Источник ЭДС в режиме нагрузки

Признаком нагрузки является наличие тока в цепи. Есть ток - есть нагрузка, нет тока – холостой ход.

Когда проектируется любая схема, определяется номинальный (расчетный, нормальный) ток. Превышение этого тока называется перегрузкой. Режим перегрузки недопустим, т.к приводит к выходу из строя источника ЭДС.

    Коротким замыканием называется режим, когда зажимы источника соединяются проводником, сопротивление которого равно нулю (рис.7). Короткое замыкание возникает из-за повреждения изоляции проводов или из-за персонала, допустившего ошибку при сборке электрической схемы.

    Сравните схемы на рис. 7 и на рис. 6. На рис. 7 пунктиром показано ошибочное соединение. Термин "короткое замыкание" используется потому, что в этом случае ток проходит мимо нагрузки, по кратчайшему пути, возникшему вследствие повреждения изоляции или ошибки при сборке схемы.

Рис.7. Источник ЭДС в режиме короткого замыкания

Короткое замыкание – это аварийный режим, опасный для источника ЭДС. В режиме короткого замыкания, когда сопротивление нагрузки R=0, ток в цепи многократно возрастает в соответствии с формулой:    

Ток короткого замыкания превышает номинальный в 10 – 1000 раз. Проходящий по проводам ток выделяет в них теплоту, от чего провод нагревается. Количество теплоты определяется по формуле:

Видно, что количество теплоты зависит от тока в квадрате. При коротком замыкании ток сильно возрастает, провода и источник перегреваются, возможно возгорание. Поэтому короткое замыкание совершенно недопустимо.

Заметим, что если источник маломощный, то короткое замыкание не особенно опасно. Например, для пальчиковой батарейки. Она не может дать большой ток. При коротком замыкании батарейки она лишь немного нагреется и разрядится. Напротив, автомобильный аккумулятор способен создать ток силой в сотни ампер. Такой ток вызовет сильный нагрев проводов. Вероятность возгорания проводов при коротком замыкании очень велика.

Для защиты от последствий короткого замыкания применяются предохранители.

Простейшим типом предохранителя являются плавкие предохранители. В них находится тонкая проволочка, которая почти мгновенно плавится при резком увеличении тока. Цепь обрывается, короткое замыкание устранено. В схеме на рис.7 показан плавкий предохранитель F.

На каждом плавком предохранителе указан ток, который он выдерживает, не расплавляясь. Если предохранитель сгорел, его следует заменять точно таким же, предварительно найдя и устранив причину, вызвавшую срабатывание предохранителя.

Пример 2. Расчёт простейшей цепи в режиме короткого замыкания для источника ЭДС

Рассчитать величину тока короткого замыкания для пальчиковой батарейки и для автомобильного аккумулятора. Сделать вывод об опасности режима короткого замыкания.

Определить величину тока короткого замыкания для:

а) пальчиковой батарейки с параметрами: ,

б) автомобильного аккумулятора с параметрами: ,   

Решение:

Определим ток короткого замыкания для батарейки и для аккумулятора:

а)

б)

    Как видим, для батарейки ток короткого замыкания невелик (1,5А) и не представляет опасности. Для аккумулятора этот ток достаточно велик (252А). Неизбежен сильный нагрев проводов, по которым проходит ток короткого замыкания. Возможно возгорание.

Пример 3. Расчёт простейшей цепи в режиме нагрузки

Найти напряжение в бортовой сети автомобиля в момент включения стартера, если ЭДС аккумулятора равно 12,6В, а его внутреннее сопротивление r₀=0,05Ом. Стартер автомобиля потребляет 100 А.

Решение:

1) В момент включения стартёра, он является нагрузкой для аккумулятора автомобиля. Найдём сопротивление стартёра (сопротивление нагрузки). Преобразовав закон Ома для полной цепи, запишем:

Найдем напряжение на нагрузке:

Результаты расчёта показывают, что в режиме нагрузки напряжение на аккумуляторе автомобиля существенно уменьшается. Причины этого рассмотрены ниже.