Электрическое сопротивление, законы Ома и Джоуля-Ленца

Электрический ток, электрическое напряжение, ЭДС,

Тема 1. Основные определения и законы

Введение.

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Ю.Е. Калугин

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ НА ЭКЗАМЕНЕ..115

Лекция 11. Международные аспекты экономической

теории………………………………………………………………………104

Методические рекомендации к организации……………………….114

самостоятельной работы студентов

КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ НА ЗАЧЕТЕ……116

ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ (ЗАЧЕТУ)…………………………..…….117

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………118

[1]Коуз Р. Проблема социальных издержек / Р. Коуз. Фирма, рынок, право. М.: Дело, ЛТД, 1993. С. 87.

Тексты лекций (Базовая часть)

Кыштым

Цель курса "Электротехника и электроника" является овладение основами теоретических и практических знаний в области электротехники и электроники.

Без знания основных законов электротехники и электроники, принципов работы электротехнических устройств и электронных приборов невозможно овладеть избранной профессией и стать полноценным бакалавром. Помимо того, следует иметь в виду, что электротехника и электроника являются теоретической базой для ряда других дисциплин, а именно автоматики, вычислительной техники, технологического оборудования и т. п. Теоретические методы, которые разработаны в электротехнике и электронике с успехом применяются и в других инженерных дисциплинах.

Существует электрическое поле — это особый вид материи, возникающий вокруг заряженных тел или заряда. Поле проявляется по силовому действию на другие заряды. По характеру действия различаются положительные и отрицательные заряды. Заряд обозначается (q), измеряется в кулонах (Кл)

Для энергетической характеристики каждой точки электрического поля вводится понятие «потенциал». Обозначается потенциал буквой , измеряется в вольтах (В).

Электрический потенциал – работа, которую нужно выполнить, чтобы перенести единицу заряда (1Кл) из данной точки в бесконечность или

Потенциал — скалярная величина.

Положительный заряд перемещается из точки с большим потенциалом в точку с меньшим потенциалом. Между двумя точками с равными потенциалами заряд перемещаться не будет. Для перемещения заряда между двумя точками электрического поля должна быть разность потенциалов в этих точках.

Разность потенциалов между двумя точками – напряжение

.

Кроме того, напряжение между двумя точками электрического поля характеризуется энергией, затраченной на перемещение единицы положительного заряда между этими точками, т. е.

.

В природе существуют особые материалы – проводники, которые отличаются тем, что в своем составе имеют «свободные» заряды. Свободные в том смысле, что под действием поля они могут двигаться.

Такой проводник с сечением S изображен на рис. 1. Пусть на концах его появится разность потенциалов , тогда под действием поля заряды придут в направленное движение. При этом через сечение S за промежуток времени Δt сместится Δq. Отсюда имеем:

1) явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или вакууме называется электрическим током.

2)интенсивность этого процесса определяется силой тока, измеряется в амперах (А)

Однако протекание тока быстро заканчивается, так как движущие заряды уравняют потенциалы и ток прекратится. Для того чтобы он существовал длительное время к проводнику подключают (снова с помощью проводников) источник тока. Этот источник тока за счет различных процессов (электрохимических, фотоэлектрических, вихревых) забирает заряды на концах проводника и переправляет навстречу электрическому полю. Такая работа источника квалифицируется как электродвижущая сила (ЭДС). За величину ЭДС принимается работа источника по перенесению единицы положительного заряда навстречу электрическому полю:

, измеряется в вольтах (В).

S

φ₁ φφ φ₂

Источник

тока

Рис. 1. Движение зарядов в проводнике и действие ЭДС

Рассмотрим еще один процесс.

Обычно проводники – металлы, имеющие кристаллическое строение. Узлы кристаллической решетки образуют положительные ионы, потерявшие электрон. При направленном движении электронов заряды испытывает взаимное притяжение (+ –), на это растрачивается часть энергии, то есть узлы кристаллической решетки отбирают часть энергии от движущихся электронов. Увеличение энергии ионов-узлов приводит к усилению их колебаний, что эквивалентно повышению температуры, следовательно, при протекании тока по проводнику, он нагревается.

Процесс рассевания энергии движущихся электронов на узлах кристаллической решетки называют электрическим сопротивлением. Обозначается R и измеряется в омах (Ом).

Приведем формулу электрического сопротивления длинного проводника

,

где l– длина проводника (м), S – сечение проводника (м²), ρ – удельное электрическое сопротивление (сопротивление проводника 1 м, сечением 1м²), значения удельного сопротивления для различных металлов можно найти в специальных справочных таблицах.

C сопротивлением связан и нагрев проводника при протекании по нему тока Количество выделенного тепла определяется законом Джоуля-Ленца: количества тепла, выделившееся в проводнике при протекании по нему тока, равно квадрату тока, сопротивлению и времени протекания, то есть в общем случае .

В свою очередь, данный закон обуславливает правило: если в какой либо части электромагнитного устройства выделяется тепло, то его можно отнести за счет существования электрического сопротивления.

Кроме того, электрическое сопротивление линейно связывает напряжение на концах проводника и ток по нему. Эту связь отражает закон Ома: ток в проводнике прямо пропорционален напряжению .

1.2. Электрические цепи и их классификации

Простейшее электромагнитное устройство, приведенное на рис. 1, состоит из источника, приемника и проводников электрической энергии. Эти элементы условно называют основными. Если происходящие процессы в таком устройстве могут быть описаны с помощью понятий ЭДС, напряжение и сила электрического тока, то их называют электрической цепью.

Источник эл. энергии преобразует другие виды энергии в электрическую. Сюда относят различные виды генераторов, аккумуляторы и др.

Приемник эл. энергии преобразуется эл. энергии в иные виды энергии. Сюда относя различные электробытовые приборы, инструменты и т. п.

Проводниками называют устройства для передачи эл. энергии от источника к потребителю. Как правило, это провода, кабели и др.

Часто в эл. цепях содержатся вспомогательные элементы, такие как измерительные приборы, приборы коммутации и т. п.

Электрические цепи записывают в виде схем, на которых показываются основные и вспомогательные элементы и их соединения. Наиболее распространены три вида схем: монтажные, принципиальные и замещения.

На монтажных схемах элементы цепи и их соединение показываются в виде рисунков или эскиза. Эта схема часто используется при соединении кабелей и проводов приборов или установок. Мы к ним прибегать не будем

Принципиальная схема определяет состав элементов входящих цепь и связь между этими элементами. С помощью принципиальной схемы получают детальное представление о принципах работы электрического изделия, установки.

Схема замещения — это схема, в которой реальные объекты и устройства замещаются идеализированными моделями. Эти схемы используют для облегчения расчетов. В схеме замещения электрические соединения между элементами такое же, как и в принципиальной схеме.

Все элементы эл. цепи на схемах указывают с помощью условных обозначений (исключение составляют монтажные схемы). Условные обозначения для электрических схем установлены стандартами системы ЕСКД. Условные обозначения некоторых основных элементов эл. цепи и приборов измерения будем приводить по мере изучения.

Линейные и нелинейные элементы цепи. Элементы электрической цепи делятся на линейные и нелинейные, в зависимости от их вольт-амперной характеристики. Вольт-амперная характеристика - это зависимость напряжения на зажимах элемента от тока в нем.

Если сопротивление R элемента не зависит от тока в нем, то такой элемент называют линейным, а его вольт-амперная характеристика представляет собой прямую линию. Электрическая цепь, содержащая только линейные элементы, называется линейной.

Если сопротивление R элемента зависит от тока в нем, то такой элемент называют нелинейным, а его вольт-амперная характеристика носит нелинейный характер. Электрическая цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент, называется нелинейной.

Простые и сложные цепи. Простыми электрическими цепями называют цепи, содержащие одни источник энергии. Цепь, содержащая два и более источника, называется сложной. Кроме того участок цепи, содержащий источник электрической энергии, принято называть активным, не содержащий — пассивным.

Топологические элементы цепи: ветвь, узел, контур. Участок электрической цепи от узла до узла, по которому проходит ток одного и того же значения и направления, называют ветвью.

Место соединения трех и более ветвей называют узлом. Узел электрической цепи на схеме отмечают жирной точкой. Если на схеме место скрещивания ветвей точкой не отмечено, это означает, что электрического соединения между ними в месте их пересечения нет.

Часть электрической цепи, образуемой несколькими ветвями, называют контуром. Контур замкнутый, если начальный и конечный узел один и тот же.