Работа тока. Закон Джоуля - Ленца
Для переноса зарядов в замкнутой цепи источник электрической энергии затрачивает известную энергию (A = εq). Однако не вся эта энергия является полезной, т.е. не вся работа, произведенная источником энергии, сообщается приемнику энергии, так как часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов. Таким образом, источник производит полезную работу, равную А = Uq, где U - напряжение на зажимах приемника; q=It, тогда
А= UIt=I2Rt = U2t/R =Q (Дж),
где Q - количество теплоты, создаваемое током.
Закон Джоуля - Ленца: при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику.
Мощность
Важной величиной, характеризующей электрическую цепь, является мощность - это работа, производимая (или потребляемая) в одну секунду. Она определяется по одному из трех следующих выражений, применяемых в зависимости от условий исследуемой цепи:
Р= A/t=UI= I2R=U2g (Вт).
Мощность в электрической цепи, состоящей из источника электроэнергии, линии передачи и некоторой нагрузки, определяется из соотношения
UI= I2Rл +UнI,
где UI - мощность, отдаваемая источником электроэнергии,
I2Rл - мощность, расходуемая на нагревание в проводах линии,
UнI - мощность потребителя.
При очень малом внешнем сопротивлении R ток в цепи имеет большое значение, а напряжение на зажимах генератора при этом мало. При сопротивлении внешней цепи R, равном нулю, напряжение на зажимах генератора так же равно нулю. При очень большом внешнем сопротивлении (когда внешняя цепь разомкнута) ток в цепи равен нулю и мощность отдаваемая во внешнюю цепь так же равна нулю. Таким образом, с увеличением сопротивления внешней цепи мощность сначала возрастает от нуля до какого-то наибольшего значения, а затем убывает до нуля.
Для получения наибольшей мощности во внешней цепи сопротивление последней должно быть равно внутреннему сопротивлению генератора. Однако надо иметь в виду, что при равенстве внутреннего сопротивления генератора сопротивлению внешней цепи полезное действие генератора невелико и работа в таких случаях не экономична, так как половина всей мощности, развиваемой генератором, используется на преодоление его внутреннего сопротивления. В преобразователях энергии потеря энергии происходит за счет нагревания проводов их обмоток протекающими в них токами, за счет перемагничивания стали, от вихревых токов и т.д.
Для оценки свойств преобразователя энергии служит коэффициент полезного действия, равный отношению полезной мощности источника или приемника энергии Р2 к мощности, потребляемой им Р1, т.е.
,
где ∆Р – мощность расходуемая,
на преодоление потерь в источнике или приемнике энергии.
Элементы электрических и магнитных цепей
Электрические схемы содержат ветви, узлы и контуры, для которых имеются исходные расчетные уравнения электрического состояния, основанные на законах сохранения энергии и электрического заряда.
К основным элементам электрических цепей относят резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Резистор является необратимым преобразователем электромагнитной энергии, конденсатор накапливает энергию электрического поля, а катушка индуктивности - энергию магнитного поля.
Все проводящие электрический ток элементы обладают электрическим сопротивлением противодействием прохождению электрического тока. Направленному движению электрических зарядов в любом проводнике препятствуют его атомы и молекулы. Сопротивление проводников электрическому току зависит от материала, из которого они изготовлены, а так же от длины и площади поперечного сечения проводника:
,
(Ом)
где ρ - удельное сопротивление. (Ом•м, Ом•мм2/м) - это сопротивление проводника длиной в 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2;
l - длина проводника (м);
S - площадь поперечного сечения проводника (м2, мм2).
Для большинства применяемых в электротехнике проводящих материалов их сопротивление в определенном диапазоне температур линейно зависит от температуры:
R = R0 [1+α(T – T0)],
где R0 - сопротивление резистора при температура T0,
α - температурный коэффициент сопротивления (l/К) - это коэффициент который выражает прирост сопротивления проводника при изменении температуры на 1°С, отнесенный к 1 Ом начального сопротивления.
Следует иметь ввиду, что это соотношение справедливо при температурах ниже 100°С.
егулируемые
сопротивления называются реостатами.
Они изготавливаются из проволоки с
большим удельным сопротивлением,
например нихрома. Сопротивление реостатов
может изменяться равномерно или
ступенями.
R
а)
Рис.3 Условное
обозначение:
а) резистора
(сопротивления)
б) реостата
б)
R
П
Рис.4 Схема омметра
омметром.
Конденсатор состоит из двух электродов, разъединенных диэлектриком; его основной характеристикой является емкость: C=q/U (Ф),
где U - разность потенциалов между пластинами конденсатора (В),
q - заряд одной из пластин (Кл).
,
где S – площадь одной пластины (м),
lc – расстояние между пластинными (м),
ε0 – электрическая постоянная, равная l/(4π•9•109) Ф/м,
ε – относительная диэлектрическая проницаемость.
Заряженный конденсатор обладает энергией,
которую он запасает в процессе и отдает при разрядке:
Рис.5 Схема
преобразования электрической энергии
в конденсаторе
Индуктивность катушки определяет ее способность
создавать магнитное поле при прохождении
через нее тока:
(Гн),
где Ф – магнитный поток одного витка (Вб),
ω – число витков катушки,
I – ток (А).
Рис.6 Схема
преобразования электрической энергии
в катушке индуктивности
,
где
-
магнитное сопротивление (1/Гн),
l – длина магнитопровода (м),
S – площадь сечения магнитопровода (м2),
μ – относительная магнитная проницаемость,
μ0 – магнитная постоянная, равная 4π•10-7Гн/м
Катушка индуктивности обладает энергией
магнитного поля, преобразующейся в
энергию электрического поля при
подключении ее к источнику:
(Дж).
В электрических устройствах нашли также применение конденсаторы и катушки переменной емкости и индуктивности, позволяющие регулировать ток и напряжение электрических цепей.