Конспект по электротехнике на тему "Понятие об электрических цепях, электрический ток, сопротивление и проводимость. Закон Ома, работа и мощность"

Лекция №5

Тема 1. 2. Электрические цепи постоянного тока. Электрические измерения.

План

1.     Понятие об электрических цепях, электрический ток, сопротивление и проводимость. Закон Ома, работа и мощность

         1. Электрическая цепь это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока. Элементами электрической цепи являются: источник тока, нагрузка и проводники. Простейшая электрическая цепь показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Простейшая электрическая цепь.

         В состав электрической цепи могут входить и другие элементы, таки как устройства коммутации, устройства защиты.

Как известно, для возникновения тока необходимо соединить две точки, одна из которых имеет избыток электронов в сравнении с другой. Другими словами необходимо создать разность потенциалов между этими двумя точками. Как раз для создания разности потенциалов в цепи применяется источник тока. Источником тока в электрическойцепи могут быть такие устройства, как генераторы, батареи, химические элементы и т.д.

Нагрузкой в электрической цепи считается любой потребитель электрической энергии. Нагрузка оказывает сопротивление электрическому току и от величины сопротивления нагрузки зависит величина тока. Ток от источника тока к нагрузке течет по проводникам. В качестве проводников стараются использовать материалы с наименьшим сопротивлением (медь, серебро, золото).

         Важно, что для протекания тока в цепи, цепь должна быть замкнута!

         Типы электрических цепей

В электротехники по типу соединения элементов электрической цепи существуют следующие электрические цепи:

·         последовательная электрическая цепь;

·         параллельная электрическая цепь;

·         последовательно-параллельная электрическая цепь.

 

         Электрический ток.   Все металлы являются проводниками электрического тока. Они состоят из пространственной кристаллической решетки, узлы которой совпадают с центрами положительных ионов. Вокруг ионов хаотически движутся свободные электроны. В металлах электронная проводимость

         Электрическим током в металлах называется упорядоченное движение свободных электронов. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

         Электрические заряды могут двигаться упорядоченно под действием электрического поля, поэтому условием для существования эл. тока является наличие электрического поля и свободных носителей эл.заряда.

    Сила тока численно равна заряду, протекающему через данное поперечное сечение проводника в единицу времени.   Ток называется постоянным, если сила тока и его направление не изменяется с течением времени.

I = 1 Кл/с = 1 А,

 1 ампер (А) равен силе постоянного тока, при котором через любое поперечное сечение проводника за 1 с протекает 1 Кл электричества.        I = q₀ nvS                                        

    Силу тока в цепи измеряютамперметром. Условное обозначение в цепи.

         Работа и мощность тока. Электрический ток снабжает нас энергией. Она возникает за счёт работы электрического поля по передвижению свободных зарядов в проводнике. Рассмотрим участок цепи, по которому течёт ток I. Напряжение на участке обозначим U, сопротивление участка равно R. При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время Δt по цепи протекает заряд Δq = I Δt. Электрическое поле на выделенном участке совершает работу.  ΔA  = U I Δt  — эту работу называют работой электрического тока. За счёт работы на рассматриваемом участке может совершаться механическая работа; могут также протекать химические реакции. Если этого нет, то работа эл.поля приводит только к нагреванию проводника. Работа тока равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током:  — закон Джоуля — Ленца  

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена на данном участке:    P = IU  или

,

 Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

         Закон Ома для замкнутой цепи. Источник тока имеет ЭДС () и сопротивление (r), которое называют внутренним.          Электродвижущей силой (ЭДС) называется отношение работы сторонних сил по перемещению заряда qвдоль цепи, к значению этого заряда  (1В=1Дж/1Кл). Рассмотрим теперь замкнутую (полную) цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой  и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R.  (R+r) — полное сопротивление цепи.  Закон Ома для полной цепи записывается в виде   или 

         Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Вопросы для самопроверки:

1.     Перечислить основные элементы эл. цепи.

2.     Дать определение понятию « Электрический ток».

3.     Дать определение понятию « Сопротивление тока».

4.     Дать определение понятию « Проводимость».

5.     Объяснить закон Ома, выразить формулу для определения мощности.