Меню

Законы постоянного тока pdf

Основные законы постоянного тока

Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов по проводнику под действием сил электрического поля.

Электрический ток может быть постоянным и переменным.

Постоянным называют такой электрический ток, который с течением времени не изменяет своего направления и величины при прохождении по замкнутой электрической цепи.

Электрическая цепь. Простейшая электрическая цепь состоит из источника напряжения, потребителей и проводов, соединяющих источник напряжения с потребителями. Источниками напряжения могут быть гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и т. п., а потребителями — лампы накаливания, электронагревательные и электроизмерительные приборы, электродвигатели и т.п.

Источник электроэнергии, образует внутреннюю цепь, а все остальное — внешнюю цепь. При разрыве электрической цепи действие электрического тока прекращается.

Сила и плотность тока. Сила тока определяется количеством электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в одну секунду, т. е.

где I — сила тока в цепи, а;

Q — количество электричества, к;

Отношение величины тока I к площади поперечного сечения проводника s называется плотностью тока и обозначается буквой δ:

Площадь сечения проводников измеряется в мм 2 , поэтому плотность тока имеет размерность а/мм 2 .

Сопротивление и проводимость. По способности проводить электрический ток твердые вещества делятся на проводники, хорошо проводящие электрический ток, и непроводники, или диэлектрики. К проводникам относятся металлы и графит, к диэлектрикам — резина, эбонит, слюда и т, д.

Все проводники имеют сопротивление и проводимость.

Сопротивлением проводника R называется препятствие, оказываемое проводником электрическому току. Электрическое сопротивление проводника зависит от длины, поперечного сечения, температуры и материала. Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток. Наибольшим сопротивлением обладает нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца). Из нихрома изготовляют различные нагревательные элементы.

Наименьшее сопротивление имеют серебро, медь и алюминий, из них изготовляют проводники.

Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению проводника, т. е.

За единицу сопротивления (Ω-омега) принят ом. Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм 2 называется удельным и обозначается ρ(ро).

Электродвижущая сила. Электродвижущей силой называют энергию или работу, совершаемую источником тока, которая устанавливает и поддерживает разность потенциалов, вызывает электрический ток в цепи, преодолевая ее внешнее и внутреннее сопротивление. В генераторах электродвижущая сила возникает благодаря электромагнитной индукции, а в аккумуляторах — в результате химических реакций. При холостом ходе генератора электрический ток отсутствует, а электродвижущая сила равна разности потенциалов на его зажимах. Электродвижущая сила, как и напряжение, измеряется в вольтах, а энергия — в джоулях.

Закон Ома. Закон Ома — это один из основных законов электротехники. Он выражает соотношение между электродвижущей силой, сопротивлением цепи и током в ней. Согласно этому закону ток в цепи прямо пропорционален электродвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению всей цепи:

где I — сила тока в цепи, а;

E — электродвижущая сила источника энергии, в;

R — сопротивление внешней цепи, ом;

Для участка цепи закон Ома определяется по следующей формуле:

Соединения приемников электроэнергии. Приемники электрической энергии могут включаться в электрическую цепь последовательно, параллельно и смешанно. При последовательном соединении приемники электрической энергии включаются в цепь один за другим. Общее сопротивление такого соединения равно сумме отдельных сопротивлений приемников:

Ток во всех последовательно соединенных приемниках одинаков, т. е.

При параллельном включении приемники электроэнергии создают для тока три пути, по которым он может проходить. В этом случае ток, приходящий к точке, равен сумме токов, уходящих от этой точки:

Общая проводимость этой цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей:

Смешанное соединение приемников электроэнергии представляет собой совокупность последовательных и параллельных соединений.

Работа и мощность тока. Способность электрического тока совершать работу называют энергией электрического тока. Работа источника энергии зависит от напряжения, силы тока и времени, т. е.

где А — работа источника энергии, Вт сек или дж;

Кроме того, работу измеряют в ватт-часах, гектоватт-часах и киловатт-часах специальными приборами — счетчиками.

Мощностью называют работу, произведенную в единицу времени.

Ее подсчитывают по формуле:

За единицу мощности принимают работу тока в один ампер под напряжением один вольт за одну секунду. Такую единицу называют ваттом. Большие мощности измеряют в гектоваттах (1 гвт=100 вт) и киловаттах (1 квт=1000 вт). Соотношения между электрическими и механическими единицами мощности следующие: 1 л. с. = 736 вт; 1,36 л. с. = 1 кет.

Источник

Основные понятия и законы постоянного тока — Электродинамика — Теоретический материал для подготовки к ЕГЭ

Электрический ток — направленное движение электрических зарядов. В разных веществах носителями заряда выступают элементарные частицы разного знака. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов. Количественно электрический ток характеризуют его силой. Это заряд, прошедший за единицу времени через поперечное сечение проводника:

Читайте также:  Схема простой электрической цепи постоянного тока

Закон Ома для участка цепи имеет вид:

Коэффициент пропорциональности R, называемый электрическим сопротивлением, является характеристикой проводника [R] = Ом. Сопротивление проводника зависит от его геометрии и свойств материала:

где l — длина проводника, ρ — удельное сопротивление, S — площадь поперечного сечения, р является характеристикой материала и его состояния. [ρ] = Ом∙м.

Проводники можно соединять последовательно. Сопротивление такого соединения находится как сумма сопротивлений:

При параллельном соединении величина, обратная сопротивлению, равна сумме обратных сопротивлений:

Для того чтобы в цепи длительное время протекал электрический ток, в составе цепи должны содержаться источники тока. Количественно источники тока характеризуют ихэлектродвижущей силой (ЭДС). Это отношение работы, которую совершают сторонние силы при переносе электрических зарядов по замкнутой цепи, к величине перенесенного заряда:

Если к зажимам источника тока подключить нагрузочное сопротивление R, то в получившейся замкнутой цепи потечет ток, силу которого можно подсчитать по формуле:

image96

Это соотношение называют законом Ома для полной цепи.

Электрический ток, пробегая по проводникам, нагревает их, совершая при этом работу:

image97

где t — время, I — сила тока, U — разность потенциалов, q — прошедший заряд.

Источник

Законы Постоянного Тока

Законы Постоянного Тока

В 1800 г. произошло событие огромного значения. Алессандро Вольта (1745-1827) изобрел электрическую батарею и впервые получил с ее помощью устойчивый поток зарядов. Это открытие знаменовало начало новой эпохи, полностью преобразившей нашу цивилизацию, — вся современная электротехника основана на использовании электрического тока.

Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. В различных средах электрический ток обусловлен движением различных зарядов, но за направление электрического тока условно выбрано направление движения положительных зарядов.

Постоянный ток в проводниках создается благодаря особым устройствам — источникам тока. Проводники — это такие тела, в которых имеются свободные частицы, обладающие электрическим зарядом, способные ускоряться и перемещаться под действием приложенных к ним электрических сил. Возьмем два тела, заряженных противоположными зарядами (рис. 44). Если их соединить проводником, то по нему пойдет ток. В результате выравнивания потенциалов ток прекращается.

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_2981.jpg

Для того чтобы движение зарядов не прекратилось, необходимо каким-то образом положительные заряды с тела В перенести снова на тело А. Такой перенос силы электростатической природы сделать не могут. Следовательно, для поддержания тока должны существовать силы не кулоновской природы. Силы неэлектростатического происхождения, способные разделить электрические заряды, называются сторонними силами .

Источник тока — это устройство, в котором происходит разделение электрических зарядов под действием сторонних сил.

Сторонние силы могут быть различной природы (магнитной, химической и др.).

Количественно электрический ток характеризуется силой тока. Сила тока (I) равна отношению заряда дельта q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени At, к этому интервалу времени. Сила тока — величина скалярная. При решении задач она может быть положительной или отрицательной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений обхода вдоль проводника принять за положительное. Сила тока I > О, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением обхода.

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_26614.jpg

В Международной системе единиц силу тока измеряют в амперах (А). Эту единицу устанавливают на основе магнитного взаимодействия токов.

ГОСТ 8.417-81 дает такое определение единицы силы тока:

«Ампер равен силе неизменяющего тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длины 1 м силу взаимодействия, равную 2 • 10 -7 Н».

Немецкий физик Г. Ом в 1826 г. обнаружил, что отношение разности потенциалов между концами проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока в цепи есть величина постоянная:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_18580.jpg

Эту величину R назвали электрическим сопротивлением. Единицей электрического сопротивления в СИ является ом (1 Ом). За единицу электрического сопротивления 1 Ом принято сопротивление такого проводника, в котором при разности потенциалов между его концами в 1 В течет ток силой в 1 А.

Читайте также:  Как магнит притягивает ток

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_19717.jpg

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_15528.jpg

Удельное сопротивление р — величина, численно равная сопротивлению проводника длиной 1 м и поперечным сечением 1 м 2 . Единица удельного электрического сопротивления ом • метр (Ом • м).

Для металлов и сплавов зависимость удельного сопротивления от температуры в небольшом интервале температур вблизи комнатной выражается формулой:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_14781.jpgгде р 0 — удельное сопротивление при температуре t = 0 °С, а — температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления а — величина, равная отношению относительного изменения сопротивления участка цепи к изменению его температуры, вызвавшему это изменение сопротивления.

Выражение (3.10) есть закон Ома для участка цепи.

Сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению R:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_24164.jpg

Для создания постоянного тока в цепи необходим источник тока. Условно источник тока изображен на рис. 45. Сторонние силы, разделяя электрические заряды внутри источника, создают накопление их на полюсах. Если замкнуть полюсы источника проводами с нагрузкой, то по ней потечет ток. Участок цепи abed называют внешней частью цепи, участок ad — внутренней (рис. 46).

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_20040.jpg

Отношение работы, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного заряда по всей замкнутой цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой источника (сокращенно ЭДС):

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_6501.jpg

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_1650.jpg

Участок электрической цепи, не содержащей источников ЭДС, называется однородным. Участок электрической цепи, который содержит источники ЭДС, называется неоднородным.

В однородном участке цепи движение электрических зарядов обусловлено действием на них электрической силы. Электрическое поле, обусловливающее движение электрических зарядов в цепи, называется стационарным. Стационарное электрическое поле создается во внешней цепи зарядами полюсов источника тока и обусловливает движение зарядов в электрической цепи. Отличается от электростатического поля неподвижных зарядов тем, что оно существует внутри проводников.

Примером неоднородного участка цепи является схема зарядки аккумулятора, представленная на рис. 47.

В этой цепи «+» и «-» — полюса источника тока, реостат, регулирующий ток и аккумулятор (be). Участок цепи abc — неоднородный, так как содержит источник сторонних сил — аккумулятор. Уточним понятие «напряжение».

За напряжение принимается физическая величина, равная отношению работы всех сил, действующих на данном участке, к значению переносимого заряда:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_18448.jpg

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_20758.jpg

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_27591.jpg

где А — работа всех сил, действующих на данном участке цепи (электростатических и сторонних).

Если на участке действуют только электростатические силы, то е = 0, при этом понятие напряжения и разность потенциалов совпадают.

Закон Ома (3.11) можно для неоднородного участка цепи записать в виде:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_26647.jpg

Составим электрическую цепь по схеме (рис. 48). Для внешней части цепи АВ:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_20374.jpg

Внутренний участок цепи ВСА является неоднородным, следовательно, согласно (3.12):

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_1224.jpg

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_1650.jpg

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_11480.jpg

где r — внутреннее сопротивление источника тока. Сложив оба равенства (3.13) и (3.14), получим

Формула (3.15) выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

Из формулы (3.15) следует, что если R = 0, то напряжение между полюсами уменьшается до нуля, а сила тока достигает максимального значения (короткое замыкание).

r, то измеряя напряжение на полюсах источника, получим приближенное значение ЭДС источника.

При последовательном соединении проводников общее сопротивление равно сумме сопротивлений всех отдельных проводников: R = R 1 + R 2 + R 3 (рис. 49).

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_11667.jpg

При параллельном соединении проводников величина, обратная сопротивлению всего разветвленного участка цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлению каждого из параллельно соединенных проводников (рис. 50):

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_29647.jpg

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_2395.jpg

Измерение силы тока производится амперметрами. Для расширения пределов измерения силы тока параллельно амперметру присоединяют шунт. Если амперметр рассчитан на измерения тока I 0 , а необходимо измерить ток, равный пI 0 , то параллельно амперметру присоединяют сопротивление в (п — 1) меньше сопротивления амперметра:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_11512.jpg

Для увеличения пределов измерения напряжения вольтметром последовательно с вольтметром включают дополнительное сопротивление. Если вольтметр рассчитан для измерения напряжения U 0 , а необходимо измерить nU 0 , то дополнительное сопротивление в (п — 1) больше сопротивления вольтметра:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_5959.jpg

Для расчета электрических величин (I, U, R, r) в разветвленных электрических цепях, содержащих источники ЭДС, справедливы правила Кирхгофа.

Первое правило Кирхгофа относится к узлам: алгебраическая сумма всех токов, приходящих в точку разветвления (узел) и выходящих их нее, равна нулю.

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_10695.jpg

Принято считать токи, подходящие к узлу, положительными, выходящие — отрицательными. I 1 и I 2 — величины положительные, I 3 и I 4 — величины отрицательные (рис. 51).

Второе правило относится к отдельным замкнутым контурам цепи: при обходе любого замкнутого контура в сложной электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжения на элементах цепи (включая и внутреннее сопротивление источника тока) равна алгебраической сумме ЭДС источников тока, имеющихся в этом контуре.

Читайте также:  Чем отличается трансформатор тока от силового трансформатора

Направление обхода каждого контура (по часовой стрелке или против нее) произвольное. Падение напряжения считается положительным, если выбранное заранее направление тока на этом участке между двумя узлами совпадает с направлением обхода контура, и отрицательным, если направление тока противоположно направлению обхода.

ЭДС считается положительной, если при обходе по контуру источник тока проходится от отрицательного полюса к положительному, и отрицательной — в противоположном направлении.

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_29316.jpg

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_16604.jpg

Если в результате решения задачи получают отрицательное значение для силы тока на каком-то участке, то это означает, что ток на этом участке идет в направлении, противоположном выбранному обходу контура.

Мостик Уитстона — одна из распространенных схем, предназначенная для точного измерения сопротивлений. Электрическая схема представлена на рис. 52.

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_27788.jpg

Четыре резистора с сопротивлениями R 1 , R 2 , R 3 , R 4 составляют «плечи» схемы. Участок цепи, содержащий гальванометр, сопротивление которого r г , представляет собой некий мостик, соединяющий точки D и С цепи.

Из первого закона Кирхгофа для узлов A, D, С следует:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_31073.jpg

Уравнение для узла В не даст ничего нового; в него войдут те же величины.

Из второго правила для контуров ADBMNA, ADCA, DBCD, приняв направление их обхода по часовой стрелке за положительное, получим

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_26958.jpg

Правые части двух последних уравнений равны нулю, так как последние два контура не содержат источников тока. Если известны ЭДС источника и все шесть сопротивлений участков цепи, то составленная система из шести уравнений позволяет вычислить все шесть значений сил токов в цепи.

Система этих уравнений существенно упростится, если, изменяя сопротивление резисторов, добиться, чтобы ток в мостике отсутствовал (I Г = 0). Это можно сделать, изменяя, например, сопротивление R 3 так, чтобы разность потенциалов на участках цепи BD и ВС была одинаковой. Тогда разность потенциалов между точками D и С будет равна нулю, а значит, будет равна нулю сила тока в мостике I Г . а В этом случае

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_22283.jpg

Разделив последние два уравнения друг на друга и учитывая написанные выше равенства для сил токов, получим

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_1510.jpg

Такую мостиковую схему применяют для измерения одного из неизвестных сопротивлений, входящих в «плечи» мостика, например R 4 . Тогда

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_25207.jpg

Видим, что для измерения неизвестного сопротивления R 4 достаточно знать лишь сопротивление R 3 и отношение R 1 /R 2 .

Обычно отношение R 1 /R 2 остается постоянным, а изменяем эталонное сопротивление R 3 . Точность измерения неизвестного сопротивления с помощью мостика определяется точностью эталонного сопротивления R 3 и точностью отношения R 1 /R 2 . Этот способ определения сопротивления дает меньшую погрешность, чем определение сопротивления резистора путем измерения силы тока и напряжения.

Работа сил электрического поля (или работа электрического тока) при протекании через проводник с электрическим сопротивлением R в течение времени t постоянного электрического тока I будет равна:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_21956.jpg

Мощность Р электрического тока равна:

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_10796.jpg

Единицей работы электрического тока в СИ является джоуль (1 Дж), единицей мощности — ватт (Вт):

zakoni_postoyannogo_toka_renamed_8813.jpg

Для расчета работы и мощности тока пригодны любые выражения из соотношений (3.16) и (3.17).

Если электрический ток протекает в цепи, где энергия электрического поля превращается только во внутреннюю энергию проводника (и его температура возрастает), то на основании закона сохранения энергии:

zakoni_postoyannogo_toka.jpg

Этот закон независимо друг от друга установили опытным путем Дж. Джоуль и X. X. Ленц. Он называется законом Джоуля-Ленца.

Источник



Тема 3.2. Законы постоянного тока

  • Все материалы
  • Статьи
  • Научные работы
  • Видеоуроки
  • Презентации
  • Конспекты
  • Тесты
  • Рабочие программы
  • Другие методич. материалы

Номер материала: ДБ-1569497

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Источник