8.Електрорушійна сила (ерс). Закон Ома для повного кола.
Будь-яке електричне коло (рис.) можна поділити на дві ділянки:
1) зовнішню ділянку кола;
2) внутрішню ділянку кола.
На зовнішній ділянці кола електричні заряди рухаються під дією електричного поля, оскільки тут струм проходить від вищого потенціалу до нижчого. На внутрішній частині кола струм проходить всередині самого джерела струму і тут заряди переміщуються від нижчого потенціалу до вищого ( від "-" до "+" ). Цю роботу з переміщення зарядів електричне поле виконувати не може, її мають виконати сторонні сили - сили не електричного походження. Природа сторонніх сил може бути різною. Це можуть бути механічні, хімічні, магнітні та інші сили.
Дія сторонніх сил характеризується важливою фізичною скалярною величиною - електрорушійною силою. Електрорушійна сила в замкненому контурі дорівнює відношенню роботи сторонніх сил під час переміщення заряду вздовж контуру до заряду:
Як
і напругу чи потенціал у СІ ЕРС вимірюють
у вольтах: [Е] = B.
Закон Ома для повного кола пов'язує силу струму в колі, ЕРС, і повний опір кола R + r, де r - внутрішній опір джерела; R - опір зовнішньої ділянки кола
Сила струму в замкненому колі дорівнює відношенню ЕРС джерела струму до повного опору кола.
Це
називають законом
Ома для
повного кола. Під час значного зменшення
опору зовнішньої ділянки кола (
)
струм досягає максимального для джерела
значення:
.
Такий випадок називають коротким замиканням, а відповідне значення струму - струмом короткого замикання Iкз. Коротке замикання - головний недолік паралельного з'єднання. Унаслідок короткого замикання енергія проходить через один із паралельно з'єднаних опорів (найменший), без струму залишаються інші споживачі. Це призводить до загоряння ізоляції, розплавлення з'єднувальних провідників і спричиняє пожежу. Для уникнення цієї небезпеки в електричних колах застосовують автоматичні вимикачі струму (плавкі запобіжники, механічні реле тощо).
Напруга на зовнішньому опорі замкненого кола завжди менша від ЕРС, що дорівнює: U = IR = Е - Ir.
Приклади розв’язування задач
|
Р = 62∙103 Вт |
|
R = 5 Ом |
|
U1 = 620 В |
|
U2 = 6200 В
|
|
Uвтрат∙– ? Рвтрат – ? η – ? |
1. Електроенергію від електростанції потужністю 62 кВт передають за допомогою лінії з опором 5 Ом. Визначте втрати напруги і потужності в лінійних проводах та коефіцієнт корисної дії передачі енергії у разі, коли передача здійснюється за напруги на електростанції: 1) 620 В; 2) 6200 В.
Розв’язання.
Втрату
напруги в лінії можна визначити за
формулою: Uвтрат
=
IR
, де
I
– сила струму в лінії (I
=
);
R
– опір лінії
Uвтрат
=
.Втрата
потужності в лінії Pвтрат
=I2R.
Коефіцієнт
корисної дії лінії
η можна
визначити як відношення корисної
потужності (повної потужності без втрат
потужності в лінії) до повної потужності:
.
Задача розв’язана у загальному вигляді. Тепер проаналізуємо результати розв’язку для напруг 620 і 6200 В.
1)U1втрат=
=500 В;
I1
=
.
P1втрат
=
(100)2ּ5
= 50 000
(Вт) = 50 кВт;
.
2)
U2втрат
=
=50 В;
I2
=
.
P2втрат
=
(10)2ּ5
= 500 (Вт) = 0,5 кВт;
.
Порівняння одержаних результатів дає змогу дійти таких висновків:
1). підвищення напруги в лінії у 10 разів у стільки ж разів зменшує втрати напруги
2). підвищення напруги в лінії у 10 разів зменшує втрати потужності (й енергії) у 100 разів.
Напрошуються два висновки чи два завдання:
1). передавати електричну енергію за якомога вищих напруг;
2). створити пристрої, які б давали змогу за потреби підвищувати напругу ( у разі подачі енергії від генераторів до лінії передачі ) і знижувати її(у разі подачі від лінії передачі до споживачів).
Такі пристрої були створені, їх назвали трансформаторами.
Задача 2
У скільки разів зміниться сила струму, яка проходить через платинову піч при нагріванні від 20 0C до 1200 0C, якщо температурний коефіціент опору платини α = 3,65.103 k-1, а напруга на затискачах печі залишається незмінною.
Дано:
t
=20 0C I1=
;
U=IR
=
t
= 1200 0C I0
=
;
U= I0R0
α = 3,65.103k-1 R=R0 (1+α∆T)
U=const
=
Відповідь:
=0,2.