Электрическая цепь и ее элементы

Страницы работы

Содержание работы

1.1.  Электрическая цепь и ее элементы

Электрическая цепь – совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении.

Простейшая электрическая цепь (рис. 1-1) состоит из источника энергии (гальванического элемента, аккумулятора, генератора), приемника энергии (электрической лампы, электронагревательного прибора, электродвигателя) и двух проводов, соединяющих зажимы источника и приемника энергии. Источ­ник энергии (или, короче, источник) преобразует механическую, химическую, тепловую или другого вида энергию в электромагнитную энергию, ко­торую для краткости часто называют просто электрической энергией; приемник энергии (или, короче, приемник), наоборот, превращает электрическую энергию в другие виды энергии: световую, тепловую, механическую и т. д. Источник энергии вместе с присоединенными к нему проводами и приемником образует замкнутый контур, вдоль которого происходит непрерывное движение электрических зарядов (электрический ток) и который называется электрической цепью. По отношению к источнику провода и приемник образуют так называемую внешнюю цепь.

Электрический ток - явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или в вакууме. Численно электрический ток равен скорости изменения заряда q в течение данного интервала времени t.

                                                                                                                                             (1.1.)

Постоянный электрический ток (в дальнейшем ток) - это неизменное и однонаправленное движение заряженных частиц (зарядов). При постоянном токе в течение каждого одинакового промежутка времени  переносится одинаковый заряд.

Поэтому ток , где q - весь заряд в кулонах (Кл) за время t (с). Из выражения (1.1.) получим единицу тока:  (ампер).

Непосредственной причиной возникновения электрического тока в цепи является электродвижущая сила (Э.Д.С.) источника энергии. Направление тока в цепи принято считать совпадающим с направлением ЭДС (на рис. 1-1 эти направления указаны стрелками). Тот зажим источника, через который ток «выходит» во внешнюю цепь, называется положительным (+), а тот зажим, через который ток из внешней цепи «входит» в источник, — отрицательным (—).

Таким образом, ток направлен во внешней цепи от (+) к (—), а внутри источника от (—) к (+). Как внешняя цепь, так и сам источник обладают сопротивлениями, величины которых зависят от материалов, форм и размеров проводников, образующих соответствующие участки электрической цепи.

Условное направление тока I во внешней (от источника энергии) цепи противоположно направлению движения потока электронов (электрон - частица, обладающая наименьшим отрицательным зарядом ( Кл, тогда 1Кл = электронов)), т. е. он протекает от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом, вызывая падение напряжения (в дальнейшем напряжение) на сопротивлении этого участка.

                                                                                                                                                (1.2.)

Потенциал электрический – работа, которую нужно выполнить, чтобы перенести единицу заряда (1Кл) из данной точки в бесконечность (где нет электрического поля).

,                                                                                                                                              (1.3.)

где - напряженность (вектор) электрического поля, численно равный отношению силы, действующей на заряженную частицу к её заряду, и имеет единицу (согласно этому определению): [Е] = [Н]/[Кл] = В∙А∙с/м∙А∙с = В/м (вольт на метр). Тогда напряжение - это работа, затрачиваемая на перенос единицы заряда (1Кл) из точки a в точку b поля напряженностью  по произвольному пути и равная линейному интегралу напряженности электрического поля

                              (1.4.)

Однозначно определяют только разность потенциалов между соответствующими точками, т. е. напряжение. Когда говорят о потенциале точки электрической цепи, то подразумевают разность потенциалов между этой точкой и другой (обычно заземленной), потенциал которой принимают равным нулю. Из определения (1.4) получают единицу напряжения (потенциала): [U] =[В/м][м] = В (вольт).

Таким образом, разница потенциалов есть напряжение – напряжение между двумя точками, обладающими различными потенциалами. Ведь если то их разность будет равна нулю. Следовательно, напряжение возможно только между двумя точками при условии, что потенциал точек будет различен. Само по себе напряжение в одной единственной точке не возможно.

От величин ЭДС и сопротивления всей цепи зависит величина или сила тока  в ней. Соотношение между этими тремя величинами выражается законом Ома, который играет в электротехнике очень большую роль, являясь основой ряда практических расчетов. Согласно этому закону ток I в цепи прямо пропорционален ЭДС Е и обратно пропорционален сопротивлению R всей цепи:

                                                                                                                                             (1.3.)

Закон Ома может быть применен не только ко всей цепи в целом, но и к любому ее участку, не содержащему источника энергии, в отдельности. В этом случае ЭДС в формуле (1.3.) должен быть заменен напряжением на участке U, а под R вместо сопротивления.

                                                                                                                                             (1.4.)

Чтобы создать у читателя конкретное представление об ампере и вольте, приведем следующие цифры. Человек начинает ощущать проходящий через его тело ток, когда он достигает 0,005 а. Если ток через тело человека достигает 0,05 а, он становится уже опасным для его жизни. Наиболее часто применяемые в быту лампы накаливания имеют ток порядка 0,25—1 а, бытовые нагревательные приборы — от 2 до 8 а; трамвайный вагон — до 100 а. Гальванические элементы дают большей частью напряжение немного более 1 в, свинцовый аккумулятор — около 2 в; городские осветительные сети обыкновенно имеют напряжение 127 или 220 в. Трамвай — порядка 600 в (между контактным проводом и рельсами). Распределение электрической энергии по территории города или сельского района производится чаще всего при напряжении порядка 6 600 в; линии, передающие электрическую энергию на большие расстояния, работают при напряжениях 35000, 110000 и 220000 вольт. Линии Куйбышев — Москва и Сталинград - Москва рассчитаны на напряжение 400000 в. Молния имеет напряжение, иногда превышающее 100 000 000 в.

Направленное движение зарядов через проводник само по себе невозможно, оно возникает под воздействием приложенного напряжения. Следовательно, можно считать, что напряжение первично, а ток вторичен.

Похожие материалы

Информация о работе