Охарактеризовать элементы электрических цепей, объяснить их классификацию.
Электрическая цепь - совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение.
Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определенные функции и называемых элементами цепи.
Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов). Электротехнические устройства, производящие электрическую энергию, называются генераторами или источниками электрической энергии, а устройства, потребляющие ее – приемниками (потребителями) электрической энергии.
У каждого элемента цепи можно выделить определенное число зажимов (полюсов), с помощью которых он соединяется с другими элементами. Различают двух –и многополюсные элементы. Двухполюсники имеют два зажима. К ним относятся источники энергии (за исключением управляемых и многофазных), резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы. Многополюсные элементы – это, например, триоды, трансформаторы, усилители и т.д.
Классификация электрических цепей:
По роду тока: постоянного тока, переменного тока, синусоидальные, несинусоидальные.
По числу фаз: однофазные, трехфазные.
По характеру элементов: линейные (в них все элементы линейные), нелинейные (содержат хотя бы один нелинейный элемент).
Дать понятие электродвижущей силы (эдс), мощности и коэффициента полезного действия источника электрической энергии.
Электродвижущая сила - скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, то есть любых сил неэлектрического происхождения, действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.
Электродвижущая сила измеряется в вольтах.
Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы не потенциальны и их работа зависит от формы траектории.
Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называется электромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением:
где
ф — поток магнитного поля через замкнутую поверхность S, ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре.
Мощность,
отдаваемая источником энергии во внешнюю
цепь, является полезной мощностью
,
а мощность, получаемая им извне (от
источника энергии механической,
химической и т. д.) - потребляемой
.
Приемник электрической энергии, потребляя
энергию из сети источника электрической
энергии, преобразует ее в энергию другого
вида — механическую, тепловую и т. д.
Для оценки свойств преобразователя энергии (источника или приемника электрической энергии) служит коэффициент полезного действия, равный отношению полезной мощности источника или приемника энергии к мощности, потребляемой им .
Мощность, отдаваемая источником электрической энергии во внешнюю цепь (полезная мощность), равна произведению напряжения на его зажимах на силу тока в цепи, т. е. =UI.
Изложить сущность преобразования электрической энергии в другие виды энергии, объяснить количественное выражение энергии при нагревании проводника электрическим током, сформулировать закон Джоуля - Ленца.
Закон Джоуля – Ленца - физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Закон установлен в 1841 году Джеймсом Джоулем.
Закон: Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину напряженности электрического поля.
Закон также может быть сформулирован в интегральной форме для случая протекания токов в тонких проводах: Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка.
Нагревание проводника электрическим током. Электрический ток, проходящий через проводник, нагревает его. Количество тепла, выделяемое при нагревании, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению, а также времени прохождения тока. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии.
Тепло, выделяемое проводником с током, в той или иной степени выделяется в окружающую среду. В случае, если сила тока в выбранном проводнике превысит некоторое предельно допустимое значение, возможен столь сильный нагрев, что проводник может спровоцировать возгорание находящихся рядом с ним объектов или расплавиться сам. Как правило, при выборе проводов, предназначенных для сборки электрических цепей, достаточно следовать принятым нормативным документам, которые регламентируют выбор сечения проводников. Если сила тока одна и та же на всём протяжении электрической цепи, то в любом выбранном участке будет выделять тепла тем больше, чем выше сопротивление данного участка.
Преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Преобразование электрической энергии в другие виды энергии, например в тепловую, механическую или химическую, всегда связано с использованием электрического тока. Для преобразования электрической энергии в механическую служат электромагниты и электродвигатели. Преобразование электрической энергии в магнитную происходит в процессе изменения тока в обмотке электромагнита. Преобразование электрической энергии в тепловую имеет большое практическое значение для создания ламп накаливания, нагревательных приборов и печей.