ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТНОЙ РАБОТЫ
§1. Законы постоянного тока
Электрический ток - это направленное движение электрических зарядов по проводнику под действием сил электрического поля. Электрический ток может быть постоянным и переменным.
Постояннымназывают такой электрический ток, который с течением времени не изменяет своего направления и величины при прохождении по замкнутой электрической цепи.
1.1 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.
1.2 Сила и плотность тока
Сила тока определяется электрическим зарядом, протекающего через поперечное сечение проводника в одну секунду, т. е.
где I - сила тока в цепи, А;
q - электрическим зарядом, Кл
t - время, с.
Отношение величины тока I к площади поперечного сечения проводника s называется плотностью тока и обозначается буквой j:
Площадь сечения проводников измеряется в м2 , поэтому плотность тока имеет размерность .
1.3 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.
Сопротивление однородного проводника:
,
где ρ - удельное сопротивление проводника, Ом мм2/м;
l - его длина, м;
S - площадь сечения, мм2.
Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению проводника, т. е. .
За единицу сопротивления принят Ом. Сопротивление в омах проводника длиной 1 м, сечением 1 мм 2 называется удельным и обозначается ρ.
Удельная проводимость:
,
где ρ – удельное сопротивление потребителя.
1.4 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. Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока.
Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами. Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле.
Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток. При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.
1.5 Закон Ома
Закон Ома - это один из основных законов электричества. Он выражает соотношение между электродвижущей силой, сопротивлением цепи и током в ней. Для участка цепи закон Ома определяется по следующей формуле:
Для полной цепи (с источником тока) закон Ома:
,
где ε - ЭДС источника,
r – его сопротивление (внутреннее сопротивление).
1.6 Соединения потребителей
Потребители электрической энергии (резисторы, лампочки и пр.) могут включаться в электрическую цепь последовательно, параллельно и смешанно.
При последовательном соединении потребителей включаются в цепь один за другим. Общее сопротивление такого соединения равно сумме отдельных сопротивлений потребителей:
R = R1 + R2 + R3 +...+ Rn
Ток во всех последовательно соединенных потребителях одинаков, т. е. I1 = I2 = I3 =…= I.
Напряжение на концах последовательного соединения равно сумме напряжений на отдельных потребителях: U = U1 + U2 + U3 +…
Рисунок 1 - Последовательное соединение резисторов
При параллельном включении сумма сил токов в отдельных потребителях, включенных в участок цепи, равна общей силе тока, подводимой к участку:
I = I1 + I2 + I3 +..
Напряжение на всех параллельно соединенных потребителях одинаково:
U1 = U2 = U3 =…= U
Общая проводимость этой цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей:
G = = + + …
Рисунок 2 - Параллельное соединение резисторов
Смешанное соединение потребителей электроэнергии представляет собой совокупность последовательных и параллельных соединений.
1.7 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.
А = UIt,
где А - работа источника энергии, Вт· сек или Дж;
U - напряжение, В;
I - сила тока, А;
t - время, сек.
Кроме того, работу измеряют в ватт-часах, киловатт-часах специальными приборами - счетчиками.
Мощностью называют работу, произведенную в единицу времени. Ее подсчитывают по формуле:
P = = UI.
За единицу мощности принимают работу тока в один ампер под напряжением один вольт за одну секунду. Такую единицу называют ваттом. В обычных резисторах работа тока, эквивалентна количеству теплоты выделившейся на этом резисторе за время t, что составляет содержание закона Джоуля - Ленца:
Q = I2Rt
В случае неподвижных металлических проводников, в которых не протекают химические реакции, мощность тока может быть выражена с учетом закона Ома для участка цепи в виде P = IR = IU = , мощность тока Р = I2R и работу тока A = Pt = I2Rt за время t.