LEKTsIYa_2

Лекція 2

Тема: «Електричне коло постійного струму, його елементи; I, δ, E, U. Електричний опір. Закон Ома. Робота і потужність електричного кола, закон Джоуля-Ленца. »

Мета: «Розглянути основні елементи електричного кола постійного струму; поглибити знання в області основних законів електротехніки; навчитися розраховувати електричний опір, напругу, силу струму».

Література: Л1, ст.. 31..42

Основні питання:

1. Електричний струм, густина струму;

2. Визначення електричного кола та його складових частин; електрорушійна сила, напруга;

3. Закон Ома;

4. Електричний опір та його залежність від температури;

5. Робота і потужність електричних кіл, закон Джоуля-Ленца.

1. Вільні електрони в металічному провіднику (провідник І-го роду) при відсутності зовнішнього електричного поля знаходяться в стані хаотичного руху, і кількість перенесеної електрики через будь-який переріз провідника рівна нулю.

При наявності в провіднику електричного поля напруженістю ε=U/l, напрямленого вздовж провідника, на вільні електрони діють сили цього поля і вони набувають прискорення в напрямі, протилежному напряму поля. Таким чином, на хаотичний рух електронів накладається рівномірно прискорений рух у вказаному напрямі. Прискорений рух відбувається до тих пір, поки електрон не зіштовхнеться з іонами кристалічної решітки металу провідника, після чого процес починає повторюватися.

Явище руху заряджених частинок під дією електричного поля в провіднику називається електричним струмом.

Провідники ІІ-го роду – електроліти, розчини кислот, солей і лужних елементів.

Інтенсивність електричного струму характеризується величиною, яка називається силою струму. Сила струму чисельно рівна кількості електрики, яка проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу.

Якщо заряд Q проходить через поперечний переріз провідника за час t, то сила струму:

І = Q/t

Одиницею сили струму в системі СІ є Ампер (А). Сила струму рівна 1 А, якщо через поперечний переріз провідника за 1 с проходить електричний заряд 1 Кл, тобто 1 А = 1 Кл/с.

Відношення сили струму до площі поперечного перерізу S провідника, по якому він проходить, називається густиною струму:

δ = І/ S

Струм, який не змінюється за значенням і напрямом називають постійним струмом. Відповідно струм, значення якого змінюються через однакові проміжки часу називають змінним.

Додатнім напрямом струму називають напрям, в якому переміщуються додатні заряджені частинки, чи напрям, протилежний руху електронів.

2. Сукупність пристроїв для отримання в них електричного струму називається електричним колом.

Всі елементи електричних кіл можна розділити на три групи: джерела (активні елементи), споживачі й елементи для передачі електроенергії від джерел до споживача (пасивні елементи). Джерело живлення складає внутрішню ділянку кола, споживачі та приймачі електроенергії – зовнішня ділянка кола.

Джерелом електричної енергії (генератором) називають пристрій, що перетворює в електроенергію будь-який інший вид енергії (електромашинний генератор - механічну, гальванічний елемент або акумулятор - хімічну, фотоелектрична батарея - променеву і т.д.).

Джерела поділяються на джерела напруги (Е, U=соnst, при зміні I) і джерела струму (I=соnst, при зміні U). Всі джерела мають внутрішній опір R_вн, значення якого невелике в порівнянні з опором інших елементів електричного кола.

Приймачем електричної енергії (споживачем) називають пристрій, що перетворює електроенергію в будь-який інший вид енергії (електродвигун - у механічну, електронагрівник - у теплову, джерело світла - у світлову (променеву) і т.д.).

Елементами передачі електроенергії від джерела живлення до приймача слугують провідники, пристрої, що забезпечують рівень і якість напруги.

Для контролю за роботою кола, регулювання, захисту в коло вмикають вимірювальні прилади, апарати управління, запобіжники та ін.

Електрорушійною силою (ЕРС) називається величина, чисельно рівна енергії, отриманої всередині джерела одиничним ел. зарядом.

При відключенні зовнішнього кола ЕРС рівна напрузі між затискачами джерела.

Напруга U на затискачах приймача електроенергії показує, яка електрична енергія перетворюється в ньому кожним одиничним зарядом.

Різниця між ЕРС Е і напругою U представляє собою енергію, яка перетворюється в тепло при переміщенні одиничного заряду в джерелі живлення і називається внутрішнім спадом напруги U₀: Е – U = U₀

Закон Ома в найпростішому випадку зв’язує величину струму через опір з величиною цього опору і прикладеної до нього напруги:

I = U / R; U = IR.

Сила струму на деякій ділянці кола прямо пропорційна напрузі на цій ділянці і обернено пропорційна опору цієї ділянки. Дана формула представляє собою закон Ома для ділянки кола.

Якщо приймач енергії має опір R, а джерело живлення має опір r₀, то закон Ома для всього кола запишемо в такому вигляді:

I = Е / (R+ r₀).

3. В результаті зіткнення електронів провідності з елементами кристалічної решітки атомів провідників, і виникаючого внутрішнього тертя провідники чинять опір, величину якого можна визначити з закону Ома:

R = U / I; (1В / 1А = 1Ом)

Опір провідника залежить від його геометричних розмірів та матеріалу:

де: ρ – питомий опір провідника (Ом * м)

g – питома провідність (Ом^-1 * м)

l – довжина провідника (м).

При підвищенні температури провідника збільшується число зіткнень вільних електронів з атомами. В зв’язку з цим зменшується середня швидкість напрямленого руху електронів, що призводить до збільшення опору провідника. (При t≥100⁰ С α=const)

R₂ = R₁(1+ α_t(θ₂ - θ₁));

де:

R₂ – кінцевий опір;

R₁ – початковий опір;

α_t – температурний коефіцієнт опору;

θ₂ , θ₁ – початкова та кінцева температури.

4. Робота, яка витрачається зовнішніми силами на переміщення електричного заряду Q в джерелі електричної енергії, або електрична енергія, отримана за рахунок перетворення енергії іншого виду рівна:

A_д = W_д = ЕQ = ЕІt (1Вт*с)

Корисна енергія, яка споживається електродвигунами, освітлювальними приладами, нагрівальними приладами рівна:

A = W = UІt

Робота, яка виконується за 1с називається потужністю:

Корисна потужність:

При проходженні струму через провідник з опором R відбувається зіткнення електрично заряджених частинок з іонами і молекулами речовини. При цьому кінетична енергія рухомих частинок передається іонам і молекулам , що і призводить до нагріву провідника:

W = Pt = I²Rt

В системі СІ одиницею енергії і одиницею кількості теплоти являється Джоуль, тоді виділене струмом в опорі тепло

Q = I²Rt

Дана формула виражає закон Джоуля-Ленца:

Кількість теплоти, виділена струмом в провіднику, пропорційна квадрату струму, опору провідника і часу проходження струму по провіднику.

Контрольні запитання:

1. Що таке електричний струм?

2. Які елементи відносяться до зовнішньої ділянки кола?

3. Чому може рівнятися опір ідеалізованого джерела ЕРС?

4. Вказати правильну форму закону Ома для дільниці кола з опором R.

5. Які електричні величини вимірюються у вольтах?

6. Від чого залежить опір провідника?

7. Як визначити корисну потужність?

8. Що ви знаєте про теплову дію струму?

4