32
Circuite de curent continuu Teoria lucrarii 1.Caracterizarea circuitelor electrice a. Definitie:Circuitele electrice liniare de curent continuu sunt sitemele fizice ce contin rezistoare liniare si surse de tensiune si/sau de curent avand paramentrii constanti in timp ca urmare toate marimile electrice asociate circuitelor(curentii si tensiunile laturilor) sunt continue,au valori constante in raport cu timpul b.Elemente componente: 1.Generatorul sau sursa electrica:este un element de circuit care transmite o anumita energie sarcinilor electrice.Generatorul produce si mentine tensiunea electrica necesara trecerii curentului electric prin circuit.Tensiunea produsa se numeste tensiune electromotoare.Energia generatorului-de origine mecanica,chimica,interna,etc.-se transforma in energie electrica cedata circuitului Reprezentare standardizata (generatorul de curent continuu) 2. Conductorii:sunt firele de legatura din circuit care au proprietatea de a conduce curentul de la sursa la consumatori(confectionate de regula din aluminiu sau cupru)

Circuite de Curent Continuu

Embed Size (px)

DESCRIPTION

fizica

Citation preview

Page 1: Circuite de Curent Continuu

Circuite de curent continuu

Teoria lucrarii1.Caracterizarea circuitelor electrice

a. Definitie:Circuitele electrice liniare de curent continuu sunt sitemele fizice ce contin rezistoare liniare si surse de tensiune si/sau de curent avand paramentrii constanti in timp ca urmare toate marimile electrice asociate circuitelor(curentii si tensiunile laturilor) sunt continue,au valori constante in raport cu timpul

b.Elemente componente:

1.Generatorul sau sursa electrica:este un element de circuit care transmite o anumita energie sarcinilor electrice.Generatorul produce si mentine tensiunea electrica necesara trecerii curentului electric prin circuit.Tensiunea produsa se numeste tensiune electromotoare.Energia generatorului-de origine mecanica,chimica,interna,etc.-se transforma in energie electrica cedata circuitului

Reprezentare standardizata(generatorul de curent continuu)

2. Conductorii:sunt firele de legatura din circuit care au proprietatea de a conduce curentul de la sursa la consumatori(confectionate de regula din aluminiu sau cupru)

Page 2: Circuite de Curent Continuu

3.Consumatori:sunt aparate,instalatii,masini,dispozitive destinate sa primeasca energie electrica si o transforma in energie utila de o anumita forma(luminoasa,acustica,calorica,etc)

Simboluri de consumatori

Bec Rezistor

Motor

2.Marimi cararcteristice

a)Tensiunea electromotoare (t.e.m.) a generatorului, E, [E]=1V(volt)

Definitie:Tensiunea electromotoare a unei surse este numeric egala cu lucrul mecanic efectuat de sursa pentru deplasarea unitatii de sarcina pozitiva de-a lungul intregului circuit.

q

LE

E=U+u U – cadere de tensiune pe circuitul exterior (tensiunea la bornele generatorului).u – tensiunea interna a generatorului

Page 3: Circuite de Curent Continuu

b)Rezistenta electrica, R, [R]=1 (ohm)

Definitie:Rezistenta electrica a unui conductor (rezistor) masoara proprietatea acelui conductor de a se opune la trecerea curentului electric

S

lR

unde: ρ -rezistivitatea elecrica

l – lungimea conductorului S – aria sectiunii conductorului

3.Fenomenul de curent electric: consta in miscarea ordonata fata de conductor a putatorilor de sarcina electrica,liberi in interiorul lui,aceasta datorandu-se aplicarii unei diferente de potential(tensiune electrica) de la o sursa electrica Curentul electric care transporta sarcini Δq egale in intervale de timp Δt egale se numeste curent electric stationar sau continuu

t

qI

.constt

qI

Intensitatea curentului electric, I, [I]=1A(amper).

Definitie: Intensitatea curentului electric este o marime care exprima sarcina electrica ce strabate sectiunea transversala a circuitului in unitatea de timp.

Dacă intensitatea curentului este constantă în timp, curentul se numeşte curent staţionar sau continuu.

Curentul electric care se stabileşte prin conductori şi semiconductori se numeşte curent de conducţie, cel din electroliţi se numeste curent de convecţie, cel ce apare în corpurile care se electrizează se numeste curent de polarizare, iar cel ce există în atomi datorită mişcării electronilor pe orbite se numeste curent molecular.

Page 4: Circuite de Curent Continuu

Puratori de sarcina electrica

Electronii: reprezinta particulele elementare incarcate cu cate o sarcina electrica de electricitatee negativa.Acestia se rotesc in jurul nucleului atomului alcatuind invelisul electronic

Ionii:sunt atomi sau grupari de atomi care pot avea exces de electroni,in acest caz fiind ioni negativi sau pot avea exces de protoni,in acest caz fiind ioni pozitivi

In conductoarele metalice purtatorii de sarcina fiind electronii liberi,curentul electric se numeste curent electronic.In lichide purtatorii de sarcina fiind ionii pozitivi sau negativi curentul electric se numeste curent ionic

Nucleu

Page 5: Circuite de Curent Continuu

3 Legile circuitelor electrice

a)Circuitul simplu

Un circuit electric simplu este format dintr-un generator,conductori si un rezistor

Legele lui Ohm

•Pentru o portiune de circuit:Intensitatea curentului electric ce trece pe o portiune de circuit este egala cu raportul dintre tensiunea electrica din acea portiune si rezistenta electrica a rezistorului. Intensitatea curentului electric care se stabileste pe o portiune de circuit este direct proportionala cu tensiunea electrica aplicata acelei portiuni si invers proportionala cu rezistenta electrica a portiunii respective.

R

UI

Page 6: Circuite de Curent Continuu

• Pentru intreg circuitul: Intensitatea curentului electric ce trece prin intreg circuitul este egala cu raportul dintre tensiunea electromotoare a sursei si rezistenta totala din circuit

Intesitatea curentului electric printr-un circuit simplu este direct proportionala cu t.e.m. din circuit si invers proportionala cu rezistenta totala a circuitului.

rR

EI

b) Circuitul ramificat(Reteaua electrica)

Un circuit ramificat este circuitul care contine mai multe generatoare si consumatoare.

•Nodul de retea este punctul unui circuit in care sunt interconectate cel putin trei elemente de circuit. •Ochiul de retea reprezinta portiunea de circuit formata dintr-o succesiune de laturi(cel putin doua) care formeaza o linie poligonala inchisa.La parcurgerea careia se trece prin fiecare nod o singura data.

O retea electrica este constituit urmatoarele elemente:

Legile lui Kirchhoff

Legea I pentru nodul de retea

Consideram un nod de retea in care se intalnesc cinci laturi .Curentii din fiecare latura transporta,intr-un interval de timp oarecare, ∆t, sarcinile electrice Q1,Q2 ,…,Q5..

Page 7: Circuite de Curent Continuu

Deoarece sarcina electrica:• nu poate fi creata,• nu poate sa dispara• nu se poate acumula in nod, Rezulta ca sarcina totala care iese din nod trebuie sa fie egala cu sarcina totala care intra in nod,

adica: Q2+Q3+Q5=Q1+Q4 .Impartind aceasta relatie la ∆t, se obtine: I1 +I4=I2+I3+I5 Acest rezultat se poate generaliza pentru orice nod in care se intalnesc orcate laturi.

Rezultatul este cunoscut sub denumirea de legea I a lui Kirchhoff.Legea I lui Kirchhoff:Suma intensitentilor curentilor care ies dintr-un nod este egala cu suma intensitatilor care intra in nodul respective.

Sau Suma algebrrica a intensitatilor curentilor care se intalnesc intr-un nod este nula.

0 kIFormula generala

Legea a-II-a(pentru ochiul de retea)

Din legea lui Ohm pentru intregul circuit rezulta:I(R+r)=E Aceasta relatie cuprinde in membrul stang suma tensiunilor pe rezistentele din circuit iar in membrul drept-tensiunea electomotoare din ochi.

Page 8: Circuite de Curent Continuu

Legea a-II-a a lui Kirchhoff:Suma algebrica a tensiunilor dintr-un ochi de retea este egala cu suma algebrica a tensiunilor electromotoare din ochiul respectiv

kkk RIEFormula generala

4 Gruparea rezisorilor

a)Gruparea in serie

I=U/Re,U=U1+U2+U3

U1=R1I,U2=R2I,...,Un=RnIU=(R1+R2+…+Rn)I

Re=U/I=R1+R2+…+Rn=ΣRk,k=1,n

Page 9: Circuite de Curent Continuu

ObservatieFiind pe aceeasi latura,rezistoarele grupate in serie sunt parcurse de acelasi current. Consideram o portiune de circuit formata din trei rezistoare grupate in serie .Pentru calcularea rezistentei echivalente a acestei portiuni de circuit ,procedam astfef:Presupunem ca portiunea de circuit se conecteaza la un generator ce asigura la borne o tensiune oarecare, U .Aceasta furnizeaza energie circuitului , astfel incat puterea transmisa gruparii formate din cele trei tranzistoare este egla cu suma puterilor transmise fiecarui resistor in parte : P=P1+P2+P3

Deoarece intensitatea curentului este aceeasi prin cele trei rezistoare, se exprima puterile disipate pe acestea in functie de intensitate si rezistente:P1=R1I2P2=R2I2P3=R3I2Notam cu RS rezistorul echivalent gruparii date. Se cupleaza acesta un generator care asigura la borne aceeasi tensiune U (eventual acelasi generator). Fiind echivalent cu gruparea data, prin acest rezistor,curentul trebuie sa aiba aceeasi intensitate, I.Puterea primita de rezistorul echivalent este aceeasi,deci:P=RSI2Inlocuind se obtine:RS=R1+R2+R3

Acest rezultat poate fi generalizat pentru un numar oarecare de rezistoare grupate in serie.

Doua sau mai multe rezistoare sunt grupate (conectate) in serie daca sunt pe aceeasi latura a unui circuit electric.

Page 10: Circuite de Curent Continuu

Rezistenta unei grupari in serie: Rezistenta echivalenta a unui grupari serie de rezistori este egala cu suma rezistentelor fiecarui rezistor. Rezistenta echivalenta este egala cu suma rezistentelor fiecarui rezistor.

Gruparea serie poate fi utilizata la obtinerea unei valori mai mari a rezistentei electrice.

Rezistoarele fac parte din aceeasi latura.Rezistoarele sunt parcurse de acelasi curent electric.Rezistenta echivalenta este mai mare decat cea mai mare dintre rezistentelee

cuplate in serie.

Gruparea in paralel a rezistoarelor

Page 11: Circuite de Curent Continuu

Doua sau mai multe rezistoare sunt grupate in paralel daca sunt conectate intre aceleasi doua noduri ale unui circuit.

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

Aplicand prima lege a lui Kirchhoff unui nod de retea rezulta:

Rezistenta echivalenta este deci:

sau

Page 12: Circuite de Curent Continuu

5.Gruparea in serie a generatoarelor de curent continuu

Aplicand legea lui Ohm pentru fiecare sursa in parte se obtin relatiile

Tinand cont de egalitatea: prin insumarea relatilor de mai sus

se obtine:

(1)

Page 13: Circuite de Curent Continuu

Identificand relatia (1) pentru schema echivalentase obtin relatile de echivalenta

6 Gruparea in serie a rezistoarelor

Prin aplicarea legii lui Ohm pentru fiecare latura a circuitului,se obtin intensitatile curentilor din fiecare latura:

(1,n)

Page 14: Circuite de Curent Continuu

Din prima lege a lui Kirchhoff avem prin insumarearelatilor (1,n) obtinem

Identificand ultima relatie cu relatia: U=Ee – Ire, rezulta

si

Page 15: Circuite de Curent Continuu

7.Reostatul cu cursor

Un reostat se compune dintr-un tub din portelan pe care este infasurat un fir din manganina sau constantan,un capat al firului este conectat la o borna iar celalalt la cealalta borna a generatorului.Infasurarea este stransa spirele se lipesc unele de altele,iar la trecerea curentului ele se oxideaza,prin tratament termic si stratul de oxid obtinut devine un izolant suficient pentru a impiedica trecerea curentului dintr-o spira in spira vecina,evitandu-se astfel scurtcircuitul.

Pe acest tub se deplaseaza un cursor realizat din lamele suprapuse din material arcuitor(bronz fosforos).Zona de contatct dintre cursor si rezistor este curatat de oxid

Ca limitator a intensitatii curentului,reostatul se leaga in serie in circuit.Miscand cursorul putem introduce mai multe sau mai putine spire in circuit si variem astfel variem intensitatea curentului prin circuit

Page 16: Circuite de Curent Continuu

8.Reostat ca divizoru de tensiune(Potentiometrul)

Tensiunea aplicata reostatului nu trebuie sa fie prea mare,a.i. intensitatea curentului sa nu depaseasca valoarea marcata pe placuta metalica(unde este marcata si rezist. reostat). Aparatul pe care-l uitilizam in acest caz se numeste potentiometru(reostat divizor de tensiune) Acesta nu va fi pus in serie,ca in cazul precedent,circuitul de utilizare fiind conectat la o borna la care este legat un fir de la generator si la borna c a cursorului.Se obtine astfel o tensiune Ucb care poate fi reglata intre 0 si valoarea maxima U a tensiunii aplicate la bornele potentiometrului

Page 17: Circuite de Curent Continuu

9.Energia si puterea electrica

a.Energia elecrica (W) a aparatului electric este egala cu lucrul mecanic (L) efectuat pentru transportul sarcinii electrice (q) Lucrul mecanic efectuat de fortele elecrice pentru transportul sarcinii q in c.c. este: L=Uq=UIt Acest lucru mecanic masoara energia care se transforma in circuit in intervalul de timp t,din energie electrica in alte forme de energie: W=UIt Asadar,energia electrica dezvoltata intr-un circuit de c.c. este proportionala cu tensiunea,cu intensitatea si cu durata de timp cosiderata(energia electrica nu este energia curentului electric,ci a campului electromagnetic din conductor. Pe intregul circuit inchis al unui curent continuu,alimentat de la un generator cu t.e.mE si rezistenta interna r,energia electrica dezvoltata de sursa va fi: W=EIt Aceasta energie provine din energiile neelectrice care in generator se transforma in energie electrica Energia electrica se masoara in J(Joule) in SI. 1J=1ws(watt-secunda) In practica se foloseste o unitate mai mare-kilowatt-ora 1kWh=1000 w*3600 s=3.6*10 j Folosind legea lui Ohm I=U/R obtinem: W=RI t=U t/R

6

2 2

Page 18: Circuite de Curent Continuu

b.Puterea electrica (P) reprezinta energia dezvoltata in unitatea de timp P=W/t Puterea electrica dezvoltata pe o portiune de circuit este: P=UI Puterea electrica dezvoltata de o sursa este:

P=EI Unitatea de masura a puterii electrice in SI este W (Watt) 1W=1J/1s

II Dispozitive experimentale

1.Tipuri de rezistoare si condensatoare

a) Rezistoare fixe:

b) Rezistaore variabile: reostate cu variatia rezistentei continua sau in trepte

Page 19: Circuite de Curent Continuu

Rezistorii se confecţionează din diferite materiale astfel ca să satisfacă un anumit grup de condiţii. Cel mai frecvent sunt întâlniţi rezistorii de sârmă, de carbon şi cei din pelicule metalice.

Rezistorii de carbon constituie un tip răspândit, fiind realizaţi din cărbune presat la cald. Se realizează cu toleranţe mari (5…20%). La exactităţi mai mari se depune un strat fin de carbon pe un suport ceramic. Rezistorii cu peliculă metalică se obţin prin depunerea unui strat foarte subţire de metal pe un suport izolant.

Rezistorii de sârmă sunt confecţionaţi prin înfăşurarea unei sârme pe un suport izolant. Metalul folosit este, de regulă, un aliaj cu rezistivitate relativ ridicată. Acest tip de rezistori se utilizează atunci când sunt necesare valori scăzute de rezistenţă electrică ( ohmi sau mai puţin), putere disipată mare sau exactitate ridicată.

Page 20: Circuite de Curent Continuu

c) Condensatoare:

Condensatoare ceramice folosesc ca material izolant intre placi o ceramica formata din oxizi,silicati ai diferitelor metale caolin,talc etc.

Page 21: Circuite de Curent Continuu

Condensatoare cu mica-folosesc ca dielectric un material dielectric foarte performant. Constructiv acestea se intalnesc sub forma plana sau multistrat.Armaturile sunt din argint,staniu,aluminiu. Variatia capacitatii cu temperatura este foarte redusa din cauza coeficientului de dilatare termica foarte redus la materialul mica si din cauza aderentei foarte bune a armaturilor(cea mai buna aderenta o are argintul) la acest material dielectric

Condensatoare variabile cu ax, dielectric aer sau dielectric poliester, nepolarizate . Capacităţi 10pF – 500 pF. Gabarit mai mare la condensatorul cu aer. Utilizare tipică: acord pe post în tehnica radio(în circuite rezonante).

Page 22: Circuite de Curent Continuu

Condensatoare polarizate „double layer” („supercondensatoare”) . Capacitate foarte mare(pînă la 1F), în volum mic. La încărcarea din surse de tensiune, cu rezistenţă internă mică, trebuie prevăzută limitarea curentului, deoarece regimul tranzitoriu durează mult, cu tensiune aproape zero pecondensator. Inductanţă proprie mare. Utilizare tipică: rezervă de energie pentru salvare de date sau alimentarea circuitelor de protecţie, cînd s-a întrerupt accidental sursa de alimentare

Condensatoare electrolitice în aluminiu, polarizate (figura 5.14). Dielectricul este un strat de oxid, creat pe suprafaţa aluminiului. Capacitate mare (0,47μF - 4700 μF). Toleranţă mare, realizare înfăşurată (nu auefect la frecvenţe mari). Prezintă fenomenul de erodare a dielectricului, dacă sînt folosite timp îndelungat la tensiuni prea mici (sau nu sînt folosite de loc). Depăşirea tensiunii maxime sau inversarea polarităţii pot duce la explozia condensatorului. Semnul „–„ în dreptul electrodului negativ. Utilizare tipică: filtrarea tensiunii redresate, cuplare între etaje (la frecvenţe audio).

Page 23: Circuite de Curent Continuu

Condensatoare electrolitice cu electrozi din tantal, polarizate (figura 5.15). Volum mai mic decît cele înaluminiu, la aceeaşi capacitate. Inductanţă proprie mult mai mică, stabilitate mai bună a capacităţii, zgomot mai mic, mai scumpe. Marcat electrodul pozitiv. Utilizare tipică: decuplare la frecvenţe mai mari,intrare în circuite audio, decuplare circuite digitale.

Condensatoare variabile semireglabile („trimer”), dielectric ceramic, nepolarizate Capacităţi 3pF – 40 pF. Utilizare tipică: reglarea fină a benzii în tehnica radio, ajustarea frecvenţei în oscilatoare.- Capacitate imprimată pe circuit (capacităţi mici, în circuite de frecvenţă mare, aparate de gabarit mic).

Page 24: Circuite de Curent Continuu

Condensatoare multistrat, nepolarizate Special concepute pentru inductanţă proprie neglijabilă şi raportul capacitate/volum mai mare decît precedentele. Dielectric ceramic sau plastic. Foarte bună stabilitate cu temperatura, lucrează la frecvenţe mari, sînt mai scumpe. Utilizare tipică: decuplarea frecvenţelor mari în circuite digitale.

Condensatoare cu polipropilenă metalizată, nepolarizate Ieftini, stabilitate foarte bună a capacităţii (la frecvenţe sub 100 kHz), toleranţa începe de la 1%, dependenţă slabă de temperatură. Inductanţă proprie mare (electrozi înfăşuraţi).

Page 25: Circuite de Curent Continuu

Condensatoare cu polistiren (stiroflex), nepolarizate Dielectric din polistiren, calitate foarte bună la frecvenţe joase. Nu este folosit la frecvenţe înalte, din cauză că este înfăşurat, deci are inductanţă proprie mare. Electrozi din aluminiu, terminale fixate mecanic, la înfăşurare. Utilizare tipică: filtre pe frecvenţe joase, circuite de temporizare.

Condensatoare cu poliester metalizat, nepolarizate Ieftini, toleranţă 5-10%, inductanţă proprie mare (electrozi înfăşuraţi).

Page 26: Circuite de Curent Continuu

2 Montajele in aval si in amonte a instrumentelor de masura

a) Montajul in aval

Cuvantul “aval” indica pozitia voltmetrului care se afla dupa ampermetru In acest caz voltmetrul masoara exact tensiunile de la bornele fiecarei rezistente iar ampermetrul masoara un curent de o intensitate I egala cu suma intensitatilor IR si Iv ce trec prin rzistorii R1,R2,R3 si respectiv prin voltmetru.

Din prima lege a lui kirchoff rezulta: I=IR+Iv Daca Rv rezistenta interna a voltmetrului atunci:

iar valoarea exacta a rezistentei va fi:

Valoarea aproximativa a rezistentei este:

Page 27: Circuite de Curent Continuu

Eroarea acestei metode este:

Montajul aval este preferabil pentru masurarea rezistentelor mici in comparatie cu rezistenta voltmetrului,in coditiile curentilor intensi prin ampermetru

b) Montajul “amonte”

Cuvantul “amonte” indica pozitia voltmetrului care se afla inaintea ampermetrului In acest caz ampermetrul masoara intensitatea curentului ce trece prin rezistor,iar voltmetrul masoara o tensiune U mai mare decat tensiunea UR de la bornele acestuia.

Valoare exacta a rezistentei este

Daca RA este rezistenta ampermetrului atunci:

Eroarea acestui tip de masurare este

Page 28: Circuite de Curent Continuu

Montajul “amonte” este preferabil pentru masurarea rezistentelor mari,

3. Reostatul cu cursor

Daca comutam pe pozitia inchis intrerupatorul k,becul va lumina iar in functie de reostatul Rc,va lumina mai putenic daca rezistenta Rc este minima si va lumina slab cand rezistenta Rc are valoarea cea mai mare

Page 29: Circuite de Curent Continuu

4.Potentiometrul

Daca cursorul este astfrl incat C este aproape de punctul B becul din stanga montajului va lumina tare iar cel din dreapta slab iar cand C tinde la A,invers

III Determinari experimentale

1.Legea lui Ohm

U 1.1v 2.1v 3.9 v

I 1.1 A 2.3 A 4A

R 1 Ω 0.91Ω 0.99 Ω

Rmed=0.96 A

Page 30: Circuite de Curent Continuu

U 2.1v 6v 9.2 v

I 0.9 A 2.3 A 4A

R 2.33 Ω 2.6 Ω 2.3 Ω

Rmed=2.41 Ω

U 1.9 v 4.2 v 7.9 v

I 1 A 2.2 A 3.9A

R 1.9 Ω 2.91Ω 2.02 Ω

Rmed=2.27 Ω

Page 31: Circuite de Curent Continuu

Caracteristica curent-temsiune

2.Protejarea instrumentelor de masura

a. Protejarea Ampermetrului(Rezistorul de sunt)

Page 32: Circuite de Curent Continuu

Obserbatie:Prin suntarea ampermetrului se extinde domeniul de masurare al acestuia(rezistorul de sunt se conecteaza in paralel cu ampermetrul)

IA=0.31AI=2.8A n=9.03n=I/IA

b.Protejarea voltmetrului(rezistorul aditional)

Ra=(n-1)Rvn=U/UvU=9 v n=2Uv=4.5 v

Observatie: prin conectarea rezistorului aditional in serie cu voltmetru,se extinde domeniul de masurare al acestuia