Основные понятия. Любая электрическая цепь содержит: Рис

1 2 3 4 5 6 7

Электрические цепи

Понятие электрической цепи

Любая электрическая цепь содержит:

Рис. 1.

1) источник энергии;

2) потребитель энергии;

3) соединительные провода.

Источник энергии преобразует различные виды энергий в электрическую.

Например:

1) механическую в электрическую (электрические генераторы);

2) химическую в электрическую (гальванические элементы, аккумуляторы);

3) тепловую в электрическую (термопары);

4) энергию излучений в электрическую (солнечные батареи) и т. д.

Потребитель энергии преобразует электрическую энергию в другие виды энергий:

1) электрическую в механическую (электродвигатели, электромагниты);

2) электрическую в тепловую (электронагреватели, электрокалориферы);

3) электрическую в химическую (зарядка аккумуляторов, гальванические покрытия);

4) электрическую в энергию излучений (лампы, электрическая дуга) и т.д.

Соединительные провода соединяют между собой источник и приемник, образуя замкнутую цепь по которой течет электрический ток. Приемник и провода образуют внешнюю электрическую цепь, а источник энергии - внутреннюю.

Кроме названных элементов, электрическая цепь может содержать различные вспомогательные устройства:

1) коммутационные аппараты - для осуществления переключений в электрических цепях (рубильники, выключатели);

2) устройства защиты - для осуществления защиты цепей от аварийных режимов работы (предохранители, автоматические выключатели);

3) электроизмерительные приборы - для контроля за режимами работы в данной цепи (счетчики эл. Энергии, амперметры).

Понятие электрического тока, ЭДС и напряжения

Электрический ток - это упорядоченное движение электрических зарядов под действием сил электрического поля. Ток бывает постоянным и переменным. Постоянным называется электрический ток, который не изменяется во времени по величине. Если электрический ток изменяется во времени по величине или направлению, то такой ток называется переменным. На рисунке 2.2 показан график изменения электрического тока во времени t:

Рис. 2.

1) постоянный ток;

2) переменный ток.

Сила электрического тока I - это количество электричества Q (электрических зарядов), протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени t:

Единицей измерения силы тока является Ампер [A].

Сопротивление проводника характеризует его способность противодействовать протеканию электрического тока. Сопротивление зависит от материала проводника (его удельного сопротивления r) и его геометрических размеров (длины l и площади поперечного сечения F):

Единица измерения сопротивления - ом [Ом].

Как было показано раньше, электрический ток возникает под действием электрического поля, которое представляет собой особый вид материи, характеризующийся силовым действием на заряженные частицы, помещенные в это поле.

При перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, электрическое поле совершает работу. Отношение этой работы А к значению заряда q называется напряжением межу этими точками:

Единица измерения напряжения - Вольт [В].

Можно вывести понятие напряжения и из количественной характеристики электрического поля - потенциала j. Напряжением между двумя точками электрического поля называется разность потенциалов в этих точках (j₁ и j₂):

Электрические заряды перемещаются как по внешней электрической цепи, так и по внутренней (источника энергии). Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника энергии, совершают работу А_ВН. Отношение этой работы к значению заряда q, перемещаемого вдоль цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника энергии:

ЭДС, как и напряжение, измеряется в Вольтах [B].

Работа и мощность электрического тока

Работа А электрического тока на участке цепи с электрическим сопротивлением R за время D t равна:

где I - сила тока протекающего по участку цепи, А; U - напряжение на зажимах участка цепи, В.

Работа измеряется в Джоулях [Дж].

Мощность электрического тока Р равна отношению работы тока А ко времени D t, за которое эта работа совершена:

Мощность измеряется в Ваттах [Вт].

Основные законы электротехники

Закон Ома: если в замкнутой цепи действует ЭДС, то в цепи потечет электрический ток, и его величина прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна сумме всех сопротивлений замкнутой цепи:

где R_Н - электрическое сопротивление внешней нагрузки и соединительных проводов;

r₀ - внутреннее сопротивление источника энергии.

Выражение закона Ома для участка цепи записывается в виде:

где I - сила тока, протекающего по участку цепи;

U - напряжение, действующее на зажимах данного участка.

На основании закона Ома для полной цепи получим:

где U_Н=IR_Н - напряжение на зажимах источника энергии или падение напряжения на сопротивлениях внешней цепи;

U ₀= Ir ₀ - падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника энергии.

Это уравнение можно переписать в виде

то есть напряжение на зажимах источника всегда равно его ЭДС Е за вычетом падения напряжения U ₀ внутри самого источника.

Основной характеристикой источника энергии является внешняя или нагрузочная характеристика - зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки U = f (I).

Рис. 3