- •Электрические цепи постоянного тока
- •1. Электрический ток
- •2. Простейшая Электрическая цепь
- •3. Понятие Электродвижущей силы (эдс)
- •4. Сопротивление проводника
- •5. Закон Ома
- •6. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца
- •Зависимость напряжения источника от тока нагрузки
- •7. Двухпроводная линия электропередачи
- •Режимы работы
- •Максимальная мощность источника
- •8. Последовательное соединение потребителей
- •Электробезопасность
- •9. Параллельное соединение потребителей
- •10. Смешанное соединение потребителей
- •Расчет электрической схемы
- •Анализ электрической схемы
- •Делитель напряжения
- •11. Второй закон Кирхгофа
2. Простейшая Электрическая цепь
Электрический ток может длительно существовать только в замкнутой электрической цепи. Электрическая цепь – это совокупность устройств и объектов, образующих путь электрического тока. Элементом электрической цепи называется отдельное устройство, выполняющее в ней определенную функцию. Простейшая электрическая цепь (рис.2.1) содержит три основных элемента: источник электрической энергии 1, приемник электрической энергии (потребитель) 2 и соединительные провода 3. К вспомогательным относятся элементы защиты (предохранители, разрядники и т.д.), контроля (амперметры, вольтметры и т.д.), управления (переключатели, рубильники и т.д.).
Рис.2.1
Источник электрической энергии это преобразователь какого-либо вида неэлектрической энергии в электрическую:
- в цепях постоянного тока это аккумуляторы, гальванические элементы, термоэлектрогенераторы и т.п.;
- в цепях переменного тока это гидрогенераторы, турбогенераторы и т.п.
Трансформаторы, преобразователи частоты и выпрямители с одной стороны являются приемниками электрической энергии, а с другой источниками (они изменяют характеристики электрической энергии: величину напряжения, частоту и т.п.).
Приемник электрической энергии (потребитель) предназначен для преобразования электрической энергии, т. е. энергии электромагнитного поля в другой вид энергии:
а) механическую – электродвигатели переменного и постоянного тока;
б) тепловую – электропечи, сварочные аппараты;
в) световую – электрические лампочки, светодиоды;
г) химическую – аккумуляторы при зарядке и т.д.
Для передачи и распределения электрической энергии служат провода и кабели. В проводах и приемнике ток идет от плюса к минусу, а в источнике - от минуса к плюсу, завершая движение по замкнутому пути.
Вывод: Источник создает электромагнитное поле. Это поле, воздействуя на электрическую цепь, состоящую из проводов и потребителя, заставляет перемешаться свободные электрические заряды, находящиеся в проводах и потребителя. Тем самым создается ток. Если на каком-либо участке цепи нет зарядов, могущих перемещаться (есть участок, который не является проводником), то в такой цепи тока не будет, хотя электрическое поле будет действовать на этот участок цепи. Это будет означать разрыв цепи.
3. Понятие Электродвижущей силы (эдс)
Электрическая цепь содержит два участка: внешний и внутренний (рис.3.1). Внешний участок образует приемник и провода, внутренний участок - сам источник энергии.
Рис.3.1
Для того чтобы существовал ток в цепи, надо создать электрическое поле источника. Сторонние силы (Fст) разделяют разноименные заряды в источнике и создают два полюса источника - положительный и отрицательный.
При замыкании полюсов источника проводником в цепи возникает ток. Движение зарядов по внешней цепи осуществляется силами электрического поля источника (Fэ).
Основным условием длительного существования тока является то, что ток нигде не теряется. Сколько электрических зарядов вышло из какого-либо участка цепи, столько их и войдет в этот участок с противоположной стороны. Не может быть убыли или накопления электрических зарядов в каком-либо участке цепи.
Сторонние силы совершают работу по разделению разноименных зарядов, т. е. совершают работу по созданию электрического поля источника, и переносят заряды внутри источника. Полная работа сторонних сил равна энергии электрического поля плюс энергия, затраченная на перенесение зарядов внутри источника.
Величина, характеризующая способность источника вызвать электрический ток, называется электродвижущей силой (ЭДС).
Количественная оценка ЭДС определяется величиной работы, приходящейся на единицу заряда:
Если сторонние силы разделили заряд величиною Q кулонов и при этом совершили W1 джоулей работы, а на его перенесение внутри источника затратили W0 джоулей, то ЭДС источника:
= U+U0.
W = W1 + W0.
Изобразим источник, соединительные провода и приемник на рис.3.2.
Рис.3.2 |
Электродвижущая сила источника: E=U+U0. E = IR + IR0, где R – сопротивление внешнего участка цепи, R0 – внутреннее сопротивление источника (рис.3.2). |
U = IR = W1/Q — энергия электрического поля, приходящаяся на заряд в один кулон, расходуемая во внешней цепи. Эта составляющая ЭДС называется внешним падением напряжения или просто напряжением источника.
U0 = IR0 = W0/Q энергия, расходуемая сторонними силами на перемещение заряда в один кулон внутри источника, она называется внутренним падением напряжения.
За направление ЭДС принимается направление действия сторонних сил на положительный заряд. Это направление совпадает с направлением действия электрического поля на положительный заряд во внешнем участке цепи. Это же направление и принимается за направление электрического тока. Электроны же перемешаются в противоположном направлении.
При холостом ходе внутреннее падение напряжения равно нулю (нет переноса заряда внутри источника), поэтому ЭДС равна внешнему падению напряжения. В этом случае ЭДС характеризует электрическое поле источника в режиме холостого хода.
При нагрузке электрическое поле источника будет меньше, так как часть энергии сторонних сил будет тратиться на перемещение зарядов внутри источника, и только часть ее будет создавать электрическое поле. Это означает, что электрическое поле при нагрузке характеризуется напряжением источника.
Напряжение на участке цепи характеризует ту энергию, которая расходуется электрическим нолем на перемещение заряда в один кулон по данному участку цепи. Один вольт - это такое напряжение между двумя точками, когда между ними перемещается заряд в один кулон и при этом совершается работа в один джоуль.
Величина энергии, вырабатываемой за единицу времени, называется мощностью источника: |
= E·I . |
Основная единица измерения мощности – Ватт: 1 Вт = 1В·1А. Пользуются единицами киловатт (1кВт=1000 Вт), мегаватт (1 МВт = 106 Вт = 103 кВт).
Энергия источника рассчитывается по формуле:
W = Ри·t
1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 36·105 Вт·с = 1 Дж.
Пример. Если источником тока является аккумуляторная батарея, то при сопротивлении нагрузки 10 Ом и внутреннем сопротивлении 0,1 Ом и Е = 12В:
I |
U0 |
U |
Ри |
Рнагр |
12/(10+0,1) = 1,18 A |
1,18·0,1 = 0,118 В |
1,18 ·10 = 11,8 В |
14,257 Вт |
14,116 Вт |