ЗАКОН ОМА ДЛЯ НЕОДНОРОДНОГО УЧАСТКА ЦЕПИ.ЗАКОН ОМА ДЛЯ ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ.

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 6Следующая ⇒

Электрический ток - упорядоченное движение нескомпенсированного электрического заряда. Если это движение возникает в проводнике, то электрический ток называется током проводимости. Электрический ток могут вызвать кулоновские силы. Поле этих сил называют кулоновским и характеризуют напряженностью Е_кул.

Движение зарядов может возникнуть и под действием неэлектрических сил, называемых сторонними (магнитные, химические). Е_ст - напряженность поля этих сил.

Полная работа по перемещению заряда на участке цепи:

А=А_кул ±А_ст.

Разделим обе части последнего уравнения на величину перемещаемого по данному участку заряда.

А/q=А_кул/q±А_ст/q.

V=А_кул/q - разность потенциалов на участке цепи.

Напряжением на участке цепи называется величина, равная отношению суммарной работы, совершаемой при перемещении заряда, к величине заряда. Т.е. НАПРЯЖЕНИЕ НА УЧАСТКЕ ЦЕПИ - ЭТО СУММАРНАЯ РАБОТА ПО ПЕРЕМЕЩЕНИЮ ПО УЧАСТКУ ЕДИНИЧНОГО ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЗАРЯДА.

U=A/q. [U]=В.

ЭДС на данном участке называется величина, равная отношению работы, совершаемой неэлектрическими источниками энергии при перемещении заряда, к величине этого заряда. ЭДС - ЭТО РАБОТА СТОРОННИХ СИЛ ПО ПЕРЕМЕЩЕНИЮ ЕДИНИЧНОГО ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЗАРЯДА НА УЧАСКЕ ЦЕПИ.

e=А_ст/q. [e]=В.

Сторонние силы в электрической цепи работают, как правило, в источниках тока. Если на участке цепи имеется источник тока, то такой участок называется неоднородным.

U=V+e(1).

Напряжение на неоднородном участке цепи равно сумме разности потенциалов на концах этого участка и ЭДС источников в нем. При этом перед ЭДС ставят знак +, если направление тока совпадает с направлением действия сторонних сил, т.е. от минуса источника к плюсу.

Eсли на интересующем нас участке нет источников тока, то в этом и только в этом случае напряжение равно разности потенциалов.

e=О=> U=V.

В замкнутой цепи для каждого из участков, образующих замкнутый контур, можно написать:

U₁=V₁+e₁, U₂=V₂+e₂, U₃=V₃+e₃.

Т.к. потенциалы начальной и конечной точек равны, то

V₁+V₂+V₃=O.

Следовательно, U_замкн=U₁+U₂+U₃=e₁+e₂+e₃ (2),

т.е. сумма падений напряжений в замкнутом контуре любой электрической цепи равна сумме ЭДС.

Разделим обе части уравнения (1) на длину участка.

U/L=V/L ± e/L, где U/L - напряженность суммарного поля, e/L - напряженность стороннего поля.

Е=Екул ± Ест.

Для однородного участка цепи I=V/R.

Плотность тока j=I/S, R=rL/S, V=E_кулL. =>

jS=E_кулLS/L, значит j=E/r - закон Ома для однордного участка цепи в дифференциальной форме. ПЛОТНОСТЬ ТОКА В ОДНОРОДНОМ УЧАСТКЕ ЦЕПИ ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРОВОДНИКЕ.

Если на данном участке цепи действует кулоновское и стороннее поле (неоднородный участок цепи), то плотность тока будет пропорциональной суммарной напряженности поля:

j=E/r, => I/S=U/Lr, U=IrL/S=IR. Значит,

I=U/R.

Закон Ома для неоднородного участка цепи: СИЛА ТОКА В НЕОДНОРОДНОМ УЧАСТКЕ ЦЕПИ ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА НАПРЯЖЕНИЮ НА ЭТОМ УЧАСТКЕ И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА ЕГО СОПРОТИВЛЕНИЮ.

I=(V±e)/R.

Если направление Е_ст и Е_кул совпадают, то ЭДС и разность потенциалов имеют одинаковый знак.

В замкнутой цепи V=О, т.к. начальные и конечные точки совпадают Þ j₁=j₂.

Отсюда:

I=e/(R+r),

где R - сопротивление внешней части цепи, r - сопротивление внутренней части цепи (т.е. источников тока).

СИЛА ТОКА В ЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА ЭДС ИСТОЧНИКОВ И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА ПОЛНОМУ СОПРОТИВЛЕНИЮ ЦЕПИ.

ПРАВИЛА КИРХГОФА.

Для рассчета разветвленных электрических цепей применяют правила Кирхгофа.

Точка цепи, в которой пересекаются три и более проводников называется узлом. По закону сохранения заряда cумма токов, приходящих вузел и выходящих из него равна нулю. I = O. (Первое правило Кирхгофа). АЛГЕБРАИЧЕСКАЯ СУММА ТОКОВ, ПРОХОДЯЩИХ ЧЕРЕЗ УЗЕЛ РАВНА НУЛЮ.

Ток, входящий в узел, считается положительным, выходящий из узла отрицательным. Направления токов в участках цепи можно выбирать произвольно.

Из уравнения (2) следует, что ПРИ ОБХОДЕ ЛЮБОГО ЗАМКНУТОГО КОНТУРА АЛГЕБРАИЧЕСКАЯ СУММА ПАДЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ РАВНА АЛГЕБРАИЧЕСКОЙ СУММЕ ЭДС В ЭТОМ КОТУРЕ, - (второе правило Кирхгофа).

Направление обхода контура выбирается произвольно. Напряжение на участке цепи считается положительным, если направление тока на этом участке совпадает с направлением обхода контура. ЭДС считается положительной, если при обходе по контуру источник проходится от отрицательного полюса к положительному.

Если цепь содержит m узлов, то можно составить m - 1 уравнение по первому правилу. Каждое новое уравнение должно включать в себя хотя бы один новый элемент. Полное число уравнений, составленных по правилам Кирхгофа, должно совпадать с числом участков между узлами, т.е. с числом токов.

РАБОТА И МОЩНОСТЬ В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. ЗАКОН ДЖОУЛЯ - ЛЕНЦА.

Для создания электрического тока в проводнике, на его концах создается и поддерживается разность потенциалов. Значит при перемещении по проводнику электрических зарядов совершается работа, за счет энергии источника тока. A=Vq. По определению силы тока I=q/t.

Т.е. A = VIt.

Используя закон Ома для участка цепи,

A=I²Rt=V²t/R.

Проводник при прохождении по нему электрического тока нагревается. Если в цепи нет других преобразований энергии, то вся знергия источника преобразуется в тепловую энергию, т.е. A = Q. Отсюда, Q=I²Rt.

ЗАКОН ДЖОУЛЯ - ЛЕНЦА: КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ВЫДЕЛЯЮЩЕЕСЯ В ПРОВОДНИКЕ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ПО НЕМУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО КВАДРАТУ СИЛЫ ТОКА, СОПРОТИВЛЕНИЮ ПРОВОДНИКА И ВРЕМЕНИ ПРОХОЖДЕНИЯ ТОКА. Выделение теплоты в металлическом проводнике при прохождении по нему электрического тока связано с взаимодействием свободных электронов, создающих ток, и положительных ионов кристаллической решетки металла, в результате которого амплитуда колебаний ионов увеличивается, что ведет к возрастанию внутренней энергии металла, а значит, и к повышению его температуры.

Разделив работу тока на время его прохождения, можно получить формулы для расчета мощности тока.

P=VI=I²R=V²/R.

В зависимости от условия задачи, можно применять любую из этих формул.

Закон Джоуля - Ленца используется для расчетов различных нагревательных приборов и ламп накаливания. Основной частью нагревательных приборов является нагревательный элемент - туговлавкий проводник с большим удельным сопротивлением. Тугоплавкая вольфрамовая нить используется и в лампах накаливания. Эта нить помещается в стеклянный баллон, заполненный азотом или инертными газами.

Закон Джоуля - Ленца используется для расчетов плавких предохранителей в электрических цепях. При недопустимом увеличении тока в цепи свинцовая проволочка - главная часть плавких предохранителей сильно нагревается и плавится, размыкая при этом цепь.

ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ.

Усиление магнитного поля соленоида при введении в него железного сердечника связано с тем, что железо в магнитном поле намагничивается и его магнитное поле, накладываясь на магнитное поле катушки усиливает его. Железо относится к сильномагнитным материалам, в число которых входят также никель, кобальт, гадолиний и их соединения. Намагниченность железного сердечника сохраняется и после выведения его из катушки. Тело, сохраняющее магнитные свойства, называется постоянным магнитом. У всякого постоянного магнита имеются два полюса - северный и южный. Это те места на магните, где магнитное поле наибольшее. Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, разноименные - притягиваются. Конфигурацию поля постоянных магнитов легко исследовать с помощью железных опилок.

Естественно намагниченные куски железа или железной руды уже в Древнем Китае использовали для ориентации на Земле, которая сама является громадным постоянным магнитом. Южный магнитный полюс Земли находится в районе северного географического полюса, но не совпадает с ним, северный магнитный полюс - в районе южного географического полюса. Положение магнитных полюсов не является постоянным. Кроме того, анализ осадочных пород Земли говорит о том, что магнитное поле Земли неоднократно изменяло полярность. Магнитное поле Земли играет огромную роль для всего живого на ней, т.к. оно защищает нас от потока быстрых частиц, летящих на Землю из космического пространства, большей частью - от Солнца. При изменении этого потока на Земле наблюдаются магнитные бури - кратковременные изменения магнитного поля Земли, вызывающие нарушение радиосвязи, отклонения в положении магнитных стрелок.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА.

В 182О г. Эрстед открыл, что магнитная стрелка, расположенная рядом с проводником, по которому идет электрический ток, поворачивается так, что ее ось совпадает с касательной к окружности, охватывающей этот проводник.

В том же году Ампер обнаружил взаимодействие проводников с током и нашел закон, которому подчиняется это взаимодействие. Действие проводника с током на магнитную стрелку и взаимодействие проводников с током можно объяснить тем, что проводник с током создает в окружающем его пространстве магнитное поле, которое и обнаруживается магнитной стрелкой или другим проводником с током.

Магнитное поле - особый вид материи, создаваемый движущимися электрическими зарядами (током) и обнаруживающееся по действию на движущиеся электрические заряды (ток). Магнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света. Оно убывает с увеличением расстояния от создающего его тока. Магнитное поле обладает энергией.

Для исследования магнитных полей используются маленькие магнитные стрелки, с помощью которых был найден удобный способ графического изображения магнитных полей, используя магнитные линии. Магнитная линия - это линия, вдоль которой располагаются оси маленьких магнитных стрелок в магнитном поле. Вид магнитных линий легко устанавливается с помощью мелких железных опилок, насыпанных на картон и внесенных в магнитное поле. При этом опилки, намагничиваясь в поле, располагаются цепочками вдоль магнитных линий. За направление этих линий принимается направление, которое указывал бы северный полюс магнитной стрелки.

Магнитные линии прямолинейного проводника с током представляют собой окружности, центром которых является проводник с током. Направление линий определяется правилом буравчика: если поступательное движение буравчика (правый винт) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращательного движения ручки буравчика совпадает с направлением магнитных линий.

Магнитные линии катушки с током (соленоида) представляют собой замкнутые кривые, охватывающие витки катушки. Направление этих линий легко определить по следующему правилу: если катушку взять правой рукой так, чтобы согнутые пальцы были направлены по току в ней, то отогнутый большой палец покажет направление магнитных линий по оси катушки.

Катушка с током представляет собой электромагнит подобный полосовому постоянному магниту. Магнитное поле катушки возрастает с увеличением числа ее витков и силы тока в ней. Для усиления магнитного поля используется железный сердечник, вводимый в катушку. То место, откуда магнитные линии выходят из катушки, является северным полюсом электромагнита, куда входят - южным полюсом.

Электромагниты широко используются в технике как для перемещения тяжелых железных деталей, железного лома, так и во многих электротехнических и радиотехнических устройствах.

Магнитное поле действует с некоторой силой на находящийся в нем проводник с током. Эта сила называется силой Ампера и зависит прямопропорционально от длины прорводника, силы тока в нем. Она зависит также от величины поля и от расположения проводника. Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца показывали направление тока, то отогнутый большой палец покажет направление силы.

Действие магнитного поля на проводник с током используется в электродвигателях. Электродвигатель постоянного тока состоит из неподвижной части - статора и подвижной - ротора. В пазах статора укладывается катушка, создающая магнитное поле. Ротор представляет собой катушку из многих витков, ток к которым подводится с помощью скользящих контактов - щеток. Для увеличения магнитного поля ротор и статор изготовляют из листов трансформаторной стали, изолированных друг от друга. Ротор приводится в движение силой Ампера. Для поддержания постоянного вращения направление тока в обмотке ротора периодически изменяется с помощью коллектора, представляющего собой в простейшем случае два полукольца, контактирующих со щетками. При движении ротора щетка переходит с одного полукольца на другое, изменяя направление тока в катушке ротора. Это дает ей возможность повернуться еще на полоборота, когда ток опять изменит направление.

Т.к. КПД электродвигателей (до 98 %) гораздо больше, чем у тепловых, то электродвигатели широко применяются на транспорте, на заводах и фабриках и т.д. Электродвигатели компактны, не загрязняют окружающую среду, легко управляемы.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 Следующая ⇒