kitayteka.ru

Гальванический элемент

Контактная разность потенциалов между проводниками возникает при соприкосновении разнородных металлов. Напряжение в зоне контакта тем больше, чем дальше металлы отстают друг от друга в ряду электрохимических потенциалов. Здесь приведены значения этих потенциалов. Следует обратить внимание на то, что ток в зоне контакта возникает в результате осаждения одного контактирующего металла на поверхности другого. Аналогичный ток появляется между двумя проводниками из разнородных металлов, помещенных в электролит. Электролиты представляют собой химические вещества (соли и кислоты), растворы или расплавы которых проводят электрический ток. Электролитическая проводимость сопровождается переходом ионов металла в раствор с поверхности электродов. Такой переход называется электролизом, а сами электроды именуются анодом (положительный полюс) и катодом (отрицательный полюс). При растворении металла электродов образуются ионы, способные свободно перемещаться. При замыкании цепи катионы начинают двигаться к катоду, а анионы к аноду. В результате происходит процесс восстановления ионов металла на электродах.
Если два разнородных металла поместить в электролит, получим так называемый гальванический элемент. Между двумя электродами появится постоянное напряжение. На этом построен принцип работы всех батареек. Батарейки превращают химическую энергию в электрическую. Они представляют собой два разнородных материала, помещенных в один или два электролита, разделенных перегородкой. Напряжение батарейки зависит от того, из каких металлов выполнены электроды. Стартерная батарея автомобиля также является гальваническим элементом.

Магнетизм

Магнетизм или магнитная сила — еще одно явление, связанное с электричеством. Сила, с которой магнитное поле действует на предметы, не оказывая на них прямого механического воздействия, называется магнитной. Хорошо притягиваются в магнитном поле различные ферромагнетики, например, железо, никель и кобальт. Благодаря именно магнитной силе магниты притягиваются друг к другу разноименными полюсами и отталкиваются одноименными. Каждый магнит окружает магнитное поле, достигающее наибольшей силы на его концах. Абсолютно все магниты имеют два полюса — северный и южный. Эти названия обусловлены тем, что если магнит подвесить и отпустить, то его северный полюс всегда будет указывать на Север. Это явление связано с действием магнитного поля Земли. Если разбить магнит на несколько частей, каждая из них также будет иметь северный и южный полюса. Некоторые материалы легко намагничиваются, если их положить рядом с магнитом и несколько раз подвигать. Благодаря этим манипуляциям магнитные поля упорядочиваются и он намагнитится. Материалы, сохраняющие магнитные свойства длительное время, называют постоянными магнитами. Следует иметь в виду, что в результате нагрева постоянные магниты могут разрушиться и потерять свою магнитную силу.

Магнетизм и электричество

Закон электромагнитной индукции гласит, что любые изменения магнитного потока, пронизывающего проводник (чаще всего в качестве него выступает замкнутый контур или катушка) вызывают в нем появление электрического напряжения. Это правило работает также в отношении переменного электромагнитного поля, которое появляется в результате изменения напряжения источника тока. Если перемещение замкнутого контура в магнитном поле сопровождается изменением числа магнитный линий, прошедших сквозь него, в контуре возникнет электрическое напряжение. Оно будет существовать до тех пор, пока изменяется магнитный поток. Если изменяется направление силы магнитного потока на противоположное, то меняется на 180 град. и направление электрического тока в проводнике. В результате в проводнике появляется переменный ток. Правило электромагнитной индукции действует не только в отношении магнитного поля, созданного постоянным магнитом, но и в отношении поля, созданного электромагнитом. Вместо того чтобы перемещать электромагнит вперед-назад, его можно просто попеременно включать и отключать. Это также приведет к изменению магнитного потока и возникновению напряжения. В принципе любой проводник с током окружен магнитным полем и поэтому представляет собой электромагнит. Создаваемое им магнитное поле можно легко усилить, скрутив проводник в катушку и поместив внутрь этой катушки металлический сердечник. В электромагните расположение северного и южного полюсов зависит от направления тока. Так же как и в обычном магните, магнитное поле электромагнита достигает максимального значения по его краям.


Примечание: в начальный момент подключения катушки к источнику напряжения сила тока в ней нарастает не сразу, а постепенно благодаря явлению самоиндукции. Ток, протекающий в катушке, создает магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, приводит к появлению напряжения, которое направлено противоположно току и препятствует его нарастанию. Аналогичный эффект можно наблюдать в момент отключения источника тока. Изменение магнитного поля приводит к появлению напряжения, направление которого теперь совпадает с направлением тока. В результате величина напряжения зависит от быстроты включения и отключения цепи и зачастую превышает напряжение источника тока. Это напряжение называют импульсным.

Переменный ток/постоянный ток

На практике встречаются два типа токов. Это постоянный ток, имеющий одно направление течения, и переменный ток, направление которого меняется с определенной частотой. Сферы применения переменного тока на автомобиле очень ограничены, он производится генератором в результате магнитной индукции, но затем в самом генераторе становится постоянным. Только постоянный ток питает бортовые потребители автомобиля. Существует также ток смешанного типа. Он представляет собой ток с постоянной составляющей в сигнале переменного.

Электромагнетизм и трансформация напряжения и тока

Движение электрических зарядов приводит к появлению магнитного поля. Проводники с током также создают магнитное поле. Если расположить два проводника параллельно друг другу и пустить через них ток в одном и том же направлении, проводники будут притягиваться друг к другу. В случае если ток будет иметь разное направление, проводники станут отталкиваться друг от друга. В принципе любой проводник с током образует магнитное поле. Действие магнитного поля можно усилить, поместив в катушку стальной сердечник. В результате получился электромагнит, расположение полюсов которого зависит от направления тока в нем. Как и в обычном магните, магнитное поле катушки усиливается при приближении к ее краям. Как было выяснено ранее, перемещение магнита или изменение магнитного поля, пронизывающего катушку, вызывает появление в ней электрического тока. Подобное явление носит обратимый характер: если ток протекает через катушку, это приводит к появлению переменного магнитного поля. На основе этих двух явлений построен трансформатор. Трансформатор — это устройство, которое осуществляет превращение энергии из одного вида в другой с помощью явления электромагнитной индукции. Чаще всего трансформаторы используют для преобразования напряжения. Это делается за счет разницы числа витков в его обмотках. Простейший трансформатор состоит из двух электрических проводников, которые называются первичной и вторичной обмотками. Если переменное напряжение подводится к первичной обмотке, в ней возникает электрический ток, который создает переменный магнитный поток. Этот магнитный поток, пересекая вторичную обмотку, вызывает в ней появление напряжения. В идеальном трансформаторе магнитный поток вторичной обмотки равен потоку в первичной. При этом отношение напряжений равно отношению числа витков в его обмотках, или иначе говоря, первичное и вторичное напряжения в расчете на один виток обмотки равны между собой.


Если пренебречь потерями, возникающими при передаче энергии через трансформатор, можно считать, что ток, протекающий во вторичной обмотке, обратно пропорционален отношению вторичного напряжения к первичному. Пусть к трансформатору с соотношением количества витков 25:2 подключена резистивная нагрузка мощностью 50 Вт. Тогда величина тока для первичной обмотки составит:
P = E·I (Мощность = ЭДС  сила тока) 50 Вт = 2 В  25 А.
Теперь учитывая трансформацию напряжения, получим значение тока для вторичной обмотки: 50 Вт = 25 В  2 А. По этой причине в трансформаторе обмотка высокого напряжения обычно имеет много витков и выполнена из провода малого сечения, а обмотка низкого напряжения имеет малое количество витков и сделана из толстого провода. Так как источник постоянного напряжения не создает переменного магнитного потока, дополнительного напряжения не возникает и электрический ток в трансформаторе может достичь очень высоких значений. На практике для ограничения тока через обмотку трансформатора, последовательно с ней подключают сопротивление. Это защищает трансформатор от перегрева и выхода из строя.
Трансформация напряжения находит практическое применение в высоковольтных катушках зажигания.

Электродвижущие силы

В магнитном поле возникает сила, которая действует на проводник с током. Направление этой силы определяется правилом правой руки: если большой палец указывает на направление тока, а указательный — на направление вектора магнитного поля, тогда средний палец покажет направление действия этой силы. Это означает, что проводник в магнитном поле будет перемещаться в направлении, которое зависит от вектора силовых линий магнитного поля и тока в проводнике. В примере проводник станет перемещаться в обе стороны, так как по нему проходит переменный ток. Если магнитное поле и проводник с током ориентированы определенным образом относительно друг друга, можно получить непрерывное вращение этого проводника в силовом поле.

Электродвигатель

Как упоминалось ранее: в электродвигателе происходит взаимодействие явлений магнетизма и электричества. Если проводник с током поместить в магнитное поле, проводник начнет перемещаться в нем так, чтобы покинуть поле. Направление его движения зависит от направления тока в проводнике. Если форма проводника будет U образной или в виде окружности, он начнет вращаться. Если поместить не одну, а несколько обмоток проводника в магнитное поле, получим тот же эффект, но вращающий момент увеличится. В этом и заключается принцип работы электродвигателя. Электродвигатель используется для перемещения или пуска, поэтому его можно рассматривать как приводной механизм. В автомобиле применяются приводы разных типов.

Приводы

На рисунке представлено несколько типов приводов и объясняется принцип их работы. Это позволит понять, как работает любой электропривод. Знание принципа работы облегчает поиск неисправностей. Приводы используются для преобразования выходных электрических сигналов в разные механические воздействия или для усиления выходного сигнала до требуемого уровня. Здесь применяются все рассмотренные ранее электромагнитные явления. На первом рисунке изображена электрическая катушка, которая преобразует напряжение до высокого значения. В примере представлена катушка зажигания, она создает очень высокое напряжение, необходимое для зажигания топливовоздушной смеси с помощью искры. На следующем рисунке изображено реле. Реле — это переключатель, работой которого управляет сравнительно небольшой ток. Оно размыкает и замыкает силовую цепь. Если ключ замкнут, ток, протекающий через катушку реле, создает магнитное поле, благодаря которому электромагнит притягивает подвижный контакт к неподвижному и силовая цепь замыкается. Если ключ разомкнут, магнитное поле исчезает и контакты размыкаются, силовая цепь разрывается. Еще одно устройство — реостат, который выполняет ряд функций. Реостат может быть включен в цепь последовательно с каким-либо устройством, например с лампой. Если его скользящий контакт сдвинут влево, реостат имеет небольшое сопротивление, поэтому по цепи протекает сравнительно большой ток и лампа загорается. При перемещении скользящего контакта реостата в правое положение, его сопротивление увеличивается, а ток уменьшается, и лампа начинает слабо мерцать. Реостат можно использовать не только для изменения яркости свечения лампы, но и для управления электродвигателем, показанным на нижнем рисунке. На правом нижнем рисунке изображен шаговый двигатель, который представляет собой привод ступенчатого типа. Он используется, например, для поворота вала привода дроссельной заслонки на определенный угол. Всякий раз как на одну из катушек подается напряжение, двигатель поворачивается вперед или назад на один шаг, в зависимости от полярности подключения питающего напряжения.

Широтно-импульсная модуляция

Помимо реостата применяется еще один способ управления напряжением. Это широтно-импульсная модуляция (PWM). PWM означает, что ток появляется и исчезает с определенной частотой. Известно, что для управления скоростью вращения электродвигателя необходим источник постоянного тока с изменяемым напряжением. Однако если взять электродвигатель с номинальным рабочим напряжением 12 Вольт и подключить к нему источник питания, двигатель начнет раскручиваться: он не среагирует мгновенно, поэтому ему потребуется некоторое время, чтобы достичь максимальной частоты вращения. Если отключить источник питания сразу после того, как двигатель достигнет максимальной скорости, он начнет останавливаться. Если быстро включать и отключать источник питания, скорость вращения двигателя будет находиться в диапазоне от 0 до максимальной. Именно это и делает блок управления PWM: он включает двигатель с помощью серии последовательных импульсов. Для управления скоростью вращения двигателя контроллер изменяет (модулирует) ширину импульсов — отсюда и название широтно-импульсная модуляция. Если, например, источник напряжения имеет 9 Вольт, скважность сигнала составляет только 10%, на выходе получается сигнал 0,9 Вольт. На рисунке приведен пример подключения к батарее лампы накаливания. Если подключать лампу к 9 вольтовой батарее на 50 мс, то она будет получать напряжение 9 Вольт. Но если отключить соединение на следующие 50 мс, напряжение ее питания составит 0 Вольт. В результате повторения этого цикла с частотой 10 раз в секунду, лампа будет светить вполнакала, так как подводимое к ней напряжение составит 4,5 Вольта, то есть 50% от 9 Вольт. В этом случае говорят, что скважность сигнала составляет 50%, а его частота — 10 Гц.
Обратите внимание, что время периода сигнала — величина постоянная, меняется лишь соотношение продолжительности включения и выключения.

Датчики

Чтобы получать информацию о режимах работы двигателя, применяются датчики. Электрические сигналы необходимы не только приводным устройствам, но и датчикам. В основе их работы лежат электрические явления. Датчики преобразуют физические характеристики работы двигателя и его систем в электрические сигналы. Для различных приводов и для датчиков используются различные свойства электричества. Например, с помощью явления магнитной индукции, реализованной в датчике угла поворота коленчатого вала, можно определить частоту вращения двигателя. Переменное сопротивление применяется для определения температуры и т. д. На нижнем левом рисунке изображено так называемое вибрационное реле. Если ток течет через катушку, создается магнитное поле, которое притягивает подвижный контакт реле к неподвижному и цепь замыкается. Как только ток пропадет, исчезает и магнитное поле, подвижный контакт приводится пружиной в открытое состояние, цепь размыкается. Данное реле может среагировать на постоянный магнит, если тот поместить рядом с контактами. На этом принципе работают датчики контроля уровня жидкости. На нижнем правом рисунке изображен резистор с переменным сопротивлением, благодаря которому определяется положение поворотного устройства, например, дроссельной заслонки.