Постоянный электрический ток.

Постоянный электрический ток, его характеристики; условия, необходимые для существования. Электродвижущая сила. Закон Ома для участка цепи и для замкнутой цепи. Сопротивление как электрическая характеристика резистора. Зависимость сопротивления резистора от температуры. Понятие о сверхпроводимости. Последовательно и параллельное соединение резисторов. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля-Ленца. Основные положения электронной теории проводимости металлов. Контактная разность потенциалов и работа выхода. Термоэлектричество и его применение. Электрический ток в электролитах. Электролиз. Закон электролиза. Определение величины элементарного заряда. Применение электролиза в технике. Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный разряды. Понятие о плазме. Электрический ток в вакууме. Термоэлектронная эмиссия. Электронные пучки и его свойства. Электронно-лучевая трубка. Электрический ток в полупроводниках. Электропроводность полупроводников и ее зависимость от освещенности.Собственная и примесная проводимость полупроводников. Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод. Транзистор. Применение полупроводниковых приборов.

Электрический ток. Сила тока Постоянный ток.

1. Электрический ток как переносчик энергии.

2. Электрическое поле и его характеристики.

3. Назначение источников электрической энергии и потребителей.

4. Проводники и диэлектрики. Проводимость и сопротивление.

В потребителях (в лампочках, плитках, электродвигателях и т. п.) эта энергия освобождается, преобразуется в другой вид энергии (световую, тепловую, механическую, химическую, звуковую), заставляя их работать – светить, греть, вращать, говорить…

Ток в проводнике возникает в том случае, если на концах проводника создают различный запас энергии – разность потенциалов – напряжение. Напряжение обозначается буквой U; U = .

Напряжение измеряется в ВОЛЬТАХ (В). напряжение снимают с клемм источника (генератора). В источниках электрическая энергия получается за счет другого вида энергии (теплоты, механической энергии, световой, химической).

Работа потребителя зависит от величины проходящего тока – силы тока.

Сила тока обозначается буквой I, измеряется в АМПЕРАХ (А). Если сила тока превышает допустимую величину, то выделяется слишком много энергии – потребители выходят из строя, сгорают.

Проводники – это материалы, по которым может проходить электрический ток.

Проводимость – свойство пропускать ток.

Сопротивление – способность мешать прохождению тока за счет того, что электроны сталкиваются с атомами (§ 6).

Изоляторы (диэлектрики) - это материалы, которые не пропускают ток, в них нет свободных электронов.

Подробное объяснение темы.

Все тела состоят из мельчайших частиц – атомов. Атом очень мал. Так, например, на 1 см можно разместить 100 000 000 атомов водорода. Слово «атом» означает «неделимый». Так думали, когда вводили это слово для обозначения мельчайшей частицы мироздания.

Но потом оказалось, что атом – очень сложная система. Но в основном атом состоит из двух частей – ЯДРА и ЭЛЕКТРОНОВ, которые вращаются вокруг ядра.

У разных элементов – неодинаковые по массе ядра и разное количество электронов: у водорода – один электрон, у меди – 29 электронов, вокруг ядра урана вращается 92 электрона…

Внимание! Это важно для электротехники: электроны вращаются по разным орбитам – некоторые поближе к ядру, некоторые подальше от ядра.

Электротехнику интересуют электроны на последних (от ядра) орбитах – это свободные электроны, из свободных электронов и получается электрический ток.

ЭЛЕКТРОНЫ… ЭЛЕКТРОНЫ

Что это такое?

Электроны – это мельчайшие (на сегодняшний день) частицы особого вида материи – электричества.

Условно принято считать – электроны заряжено ОТРИЦАТЕЛЬНО.

В ядре имеются (кроме множества и других частиц) и положительно заряженные частицы – ПРОТОНЫ.

Величина зарядов у электронов и протонов ОДИНАКОВА:

У электрона Кл;

У протона Кл.

Но массе электрон примерно в 1840 раз легче протона (это очень важно для электротехники – легче двигать).

• ? + Тела ЗАРЯЖЕННЫЕ – НЕ ЗАРЯЖЕННЫЕ (нейтральные) – что это такое? В любом в нормальных условиях – сколько протонов, столько и электронов, сколько «ПЛЮСОВ», столько и «МИНУСОВ», в сумме – НОЛЬ. Чего НОЛЬ? – В целом нет никакого заряда – атом НЕЙТРАЛЕН (но нейтральный атом электротехнику не интересует – его с места не сдвинешь, не разрушая тело, тока из него не получишь…).

Электротехнику интересуют заряженные частицы, особенно – электроны, так как организованное (и направленное) движение заряженных частиц и есть электрический ток.

В основных проводниках – металлах, а также в угле и графите то образуется за счет электронов.

Поэтому будем в дальнейшем говорить: ТОК – это направленное

движение ЭЛЕКТРОНОВ.

Что означает – ЗАРЯДИТЬ АТОМ (или тело из атомов)? Зарядить – это значит нарушить РАВНОВЕСИЕ ЗАРЯДОВ.

Внимание! Большой физический смысл: на отрыв электронов от атомов и на их передвижение надо затратить энергию, работу. А частицы, получившие энергию, должны отдать ее, если для этого будут созданы условия. (Для сравнения – из механики пример: если мы подняли что-то тяжелое, а потом это отпустили, то груз, падая, тоже должен что-то сделать – отдать нашу энергию, забить гвоздь, разрушить камень… то же самое у электронов: если мы оторвали его от атома – затратили энергию. Теперь наша энергия – у электрона, он должен отдать ее, тоже что-то сделать – нагреть, вращать, заставить динамик песни петь…).

Итак, если создать условия. То оторванные и движущиеся электроны (а это же – ток, под действием напряжения!) будут отдавать полученную (от источника) энергию. А условия эти – для отдачи энергии – создают в потребителях – там эта энергия превращается в другой вид энергии (вспомните лампу) – в световую; утюг – в тепловую; электромотор – в механическую; аккумулятор во время зарядки – в химическую; громкоговоритель – в энергию магнитного поля.

Взаимодействие зарядов

Что означает – «заряды», «заряженное тело», «заряженнные частицы»?

Это означает – нарушено равновесие между количеством положительных отрицательных зарядов, заряженных частиц.

положительный заряд – НЕ хватает электронов

отрицательный заряд – «лишние» электроны .

Величина заряда обозначается буквой q и измеряется в КУЛОНАХ (Кл.)

1 кулон – это 6 280 000 000 000 000 000 электронов (или протонов).

Если на ОДНУ секунду прошел ОДИН КУЛОН электричества, то говорят: I – СИЛА ТОКА равна ОДНОМУ АМПЕРУ.

ЗАКОН КУЛОНА

Заряженные тела или отталкиваются или притягиваются – взаимодействуют.

От чего зависит – притягиваются или отталкиваются? Посмотрите на рисунок – будет ясно:

F F

• такие отталкиваются и

и такие отталкиваются

F F

а такие притягиваются.

Так от чего же зависит – притягиваются или отталкиваются? Как будут себя вести два электрона?

Еще в 1785 г. физик Кулон установил, от чего как зависит сила, с которой заряды действуют друг на друга – взаимодействуют:

Это закон Кулона. Из него видно, от чего же зависит эта сила:

1. От величины зарядов и - чем больше заряды, тем и сила больше – во столько же раз (прямо пропорциональна).

2. От расстояния между зарядами r (м). И не просто от расстояния, а от квадрата расстояния между зарядами (это значит, что если расстояние уменьшить в 6 раз, то сила увеличится в 36 раз, а не в 6 раз).

И еще важное замечание: расстояние r – в знаменателе дроби. Это означает – сила обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.

Отсюда полезный для нас вывод – чем электроны дальше от ядра, тем их легче оторвать, они менее связаны с ядром, свободнее. Такие электроны и называются свободными, из них и получается электрический ток; иногда они и сами отрываются, переходят к соседним атомам или даже блуждают по проводнику -–в полном смысле свободные.

Чтобы из свободных электронов получить электрический ток, их надо заставить организованно двигаться в одну сторону.

Вернемся к закону Кулона:

- это 3,14; Ф (фарада)/М (метр)

все это – величины постоянные, на физическую сущность формулы не влияют.

А вот это важное понятие:

Наибольшая сила взаимодействия между зарядами – в пустоте. Но если между зарядами какой-нибудь диэлектрик, т.е. изолятор, то сила взаимодействия уменьшается. Во сколько раз уменьшается? Парафин в 2 раза; масло трансформаторное – в 2,5; канифоль – в 2,4-3; стекло органическое – в 4,0; фарфор – в 5,0-6,0; титанат бария (тибар) – в 1500-9000; вода дистиллированная – в 82 раза.

Обратите внимание на проницаемость воды – 82 раза. Это пригодится при изучении темы «Химическое действие тока».

Все перечисленные материалы – диэлектрики, изоляторы, через них ток не идет – в них нет свободных электронов. Но ток не идет до поры до времени.

КАК СОЗДАЕТСЯ ТОК В ПРОВОДНИКЕ

Еще раз: электрический ток – это организованное. Направленное движение электронов в проводнике.

Для того, чтобы заставить электроны двигаться в одну сторону, нужна сила.

Это можно сделать с помощью электрического поля (или – магнитного поля – об этом в разделе «Электромагнетизм»).

Электрическое поле

Заряженные тела и частицы взаимодействуют между собой на расстоянии.

Пространство вокруг заряженного тела, где обнаруживается действие на другие заряженные тела, называется электрическим полем.

Главные характеристики электрического поля.

Напряженность поля в данной точке – это сила, действующая на заряд в один кулон: E = F / q (Н/ Кл).

Здесь F – сила в ньютонах (Н);

q – заряд в кулонах (Кл).

F – это та самая сила, которая будет перемещать заряды, создавать ток в проводнике.

φ – потенциал поля в данной точке – это запас энергии, это – работа, которую затрачивает поле, передвигая 1 кулон электричества из данной точки поля в бесконечность:

φ = A / q (джоуль / кулон) – это называется 1 Вольт (1 В).

(Если на передвижение одного кулона потребовалось затратить работу в один джоуль, то потенциал был равен одному вольту).

Важное понятие: нас бесконечность не интересует – нас интересует разность потенциалов между двумя точками. Ведь у любого потребителя и у любого источника – по два вывода – начало и конец или плюс и минус. Если между этими точками будет разность потенциалов, то пойдет ток через потребитель и потребитель начнет работать.

Разность потенциалов между двумя выводами проводника, потребителя, генератора называется напряжением U (В) между двумя точками или просто напряжением на потребителе, генераторе, источнике, резисторе и т.п.

Еще раз - вдумайтесь в физический смысл слова “напряжение”. Напряжение – это работа на перемещение одного кулона электричества с одной точки (проводника) в другую: U = φ - φ .

Только при наличии напряжения и может переместиться заряд из точки с большим потенциалом в точку с меньшим потенциалом.

Напряжение – это причина, вызывающая возможность создавать ток в проводнике.

Исчезло напряжение – нет тока. Темнота … И, надо полагать, чем больше будет напряжение, тем и сила тока должна быть больше.

Напряжение обозначается буквой U и измеряется в Вольтах (1 В).

1 милливольт (мВ) = 0,001 В.

1 микровольт (мкВ) = 0,000001 В.

1 киловольт (кВ) = 1000 В.

Разные потребители рассчитаны на разное напряжение: лампочка от карманного фонарика – на 3,5 В, бывает и на 2,5 В, от мотоцикла – на 6 В, от автомобиля – на 12 В.

Напряжение на телефонных станциях АТС – обычно 60 В. В домашней (бытовой) сети – обычно 220 В, реже 127 В.

Дома – ток переменный, но это физического смысла не меняет. Если подвести напряжение выше нормы – слишком много совершается работы, слишком ярко горят лампы, слишком большой ток идет через потребители – потребители должны выйти из строя. А закон есть закон …

Измерение напряжения (и ЭДС).

Напряжение можно измерить – прибором вольтметром. У вольтметра – два вывода (щупа). Выводы подключаются к точкам, между которыми и надо измерить напряжение.

Очень важное замечание: когда вольтметр подключают к источнику без лампочки, без потребителей, то вольтметр измеряет не напряжение на источнике, а электродвижущую силу источника, как говорят ЭДС источника E.

U < E. ЭДС источника тоже измеряется в вольтах, но это не совсем одно и то же – напряжение на источнике всегда меньше, чем ЭДС источника. Когда идет ток через источник, то часть ЭДС остается бесполезно внутри источника.

Электрическая прочность диэлектрика.

Выше говорилось о напряженности поля в данной точке поля: F – сила, передвигающая заряд в один кулон (в ньютонах); q – заряд в кулонах.

Новое: зная напряжение и расстояние между точками приложения напряжения, напряженность можно определить и таким способом: E = U / l (В/ м), где U – приложенное напряжение (В); l – расстояние между точками приложения напряжения, (м).

Пример: напряжение между клеммами в розетке равно 220 В, расстояние между клеммами – 20 мм (0,02 м).

Определить напряженность.

E = U / l = 220 В / 0,02 м = 11 000 В/м = 11 кВ/м.

Практически важный вопрос: каждый диэлектрик выдерживает определенное напряжение на 1 см, т.е. определенную напряженность, которая называется для него электрической прочностью.

Если увеличить напряженность (а это можно сделать двумя способами – или увеличить напряжение, или уменьшить расстояние между клеммами), то диэлектрик пробивается, разрушается и начинает проводить ток – несвободные электроны отрываются от атомов и становятся свободными.

Пробой диэлектрика – это авария, замыкание, пожар.

И еще одно, тоже важное: если диэлектрик нагревается, то свободные электроны появляются раньше, диэлектрическая прочность уменьшается – пробой наступает раньше.

Вопрос-задача: 1. Сколько вольт выдерживает прокладка из слюды толщиной 0,5 см? Электрическая прочность слюды 130-200 кВ/см.

2. Какой толщины прокладку из фторопласта надо поставить между контактами, если будет подведено напряжение 15 кВ?

Постоянный ток.

В электротехнике, связи, радиотехнике, автоматике применяются в основном токи четырех видов.

Далее будет идти речь только о постоянном токе.

.

Конспект.

1. Электрический ток – это организованное, направленное движение электронов по проводнику.

2. Постоянным током называется ток, величина и направление которого не изменяются с течением времени.

3. Металлы, графит, уголь – это проводники первого рода, в них ток образуется свободными электронами.

4. Для возникновения тока на концах проводника надо создавать и поддерживать напряжение (В).

5. Все источники электрической энергии создают на своих зажимах (клеммах) электродвижущую силу – ЭДС.

6. Когда к источнику подключают потребители, то источник поддерживает на потребителях напряжение и через потребитель за счет этого начинает проходить электрический ток – потребитель начинает работать.

7. У любого источника - два вывода (два зажима, две клеммы, два полюса – плюс (+) и минус (-).

8. Принято считать, что ток идет от плюса источника через потребители к минусу источника.

9. Для того чтобы источник мог создавать ток в потребителе, надо создать замкнутую электрическую цепь – соединить клеммы потребителя с клеммами источника соединительными проводами.

На рисунке и схеме показана работающая, т.е. замкнутая, цепь: (+) источника – соединительный провод АБ – лампочка – второй – BI – соединительный провод – (-) источника – далее внутренняя часть источника – (+) источника – и… все сначала.

10. Электрическая цепь состоит из двух частей – внешней и внутренней. Внешняя часть цепи – все, что подключено к источнику. Внутренняя часть цепи – все, что внутри источника.(Так, если телевизор включен в розетку, то он – внешняя часть цепи. А все, что находится за розеткой – провода, линия, источник – внутренняя часть цепи).

11. Не надо забывать – ток идет и по внутренней части цепи.

12. Электрическая цепь должна быть замкнутой – нигде не прерываться – ток не пойдет.

13. Сила тока показывает, сколько электричества проходит за одну секунду через поперечное сечение проводника.

14. Если за 1 секунду проходит 1 кулон электричества, то сила тока равна одному амперу.

15. Сила тока обозначается буквой I, измеряется в амперах (А):

I = q / t (Кл / с).

16. Проводимость – это свойство проводника проводить электрический ток.

17. Сопротивление (электрическое) – это свойство препятствовать (мешать) прохождению тока. Сопротивление возникает за счет того, что электроны, идущие по проводнику, сталкиваются с атомами. Чем длиннее проводник, тем больше сопротивление: R↑ - l↑. Чем толще проводник, тем меньше сопротивление: R↓ - S↑. Сопротивление зависит и от материала, из которого изготовлен проводник (от удельного сопротивления), у каждого – свое. Если нагреть проводник, сопротивление увеличивается – атомы колеблются сильнее, пройти между ними труднее R↑ - l↑.

Разъяснения к теме “Электрическая цепь и ее элементы”.

Итак, электрическая цепь – это источник и потребитель. Это схема простейшей электрической цепи. Стрелками указано направление тока в цепи, но и без этого надо знать: ток идет от плюса источника через внешнюю часть цепи к минусу источника, а затем и через внутреннюю часть цепи, через источник, там от минуса – к плюсу, а затем – снова во внешнюю цепь.

Внутри источника электроны получают энергию (но там же и теряется часть энергии).

Внутри источника – внутренняя часть цепи, которая, к сожалению, тоже обладает сопротивлением (внутренним - R ).

Измерения в электрической цепи.

На схеме показана та же электрическая цепь, но с включенными измерительными приборами: для измерения силы тока – амперметром, для измерения электродвижущей силы на источнике – вольтметром, этим же прибором можно измерить и напряжение на источнике.

Вольтметр V - для измерения напряжения на потребителе.

Внимание! Пока выключатель не включен – тока в цепи нет. В это время вольтметр V измеряет электродвижущую силу источника – ЭДС источника.

При включении выключателя Вк в цепи появляется ток, лампочка загорается. Теперь вольтметр V измеряет уже не ЭДС источника, а напряжение на источнике, а вольтметр V измеряет напряжение на источнике, а вольтметр измеряет напряжение на потребителе, т.е. на лампочке.

Амперметр включается в разрыв цепи, так же как и выключатель, последовательно – весь ток проходит через амперметр. Потому амперметр и измеряет силу тока в амперах.

Надо сразу отметить, что если вольтметр хороший, то через него ток практически идет такой небольшой, что его можно и не принимать во внимание.

У “хорошего” амперметра должно быть ничтожно мало сопротивление.

Еще раз посмотрим, как включаются приборы: вольтметр – параллельно тому участку, где надо измерить напряжение.

Если убрать вольтметр, цепь продолжает нормально работать. При сборке схем вольтметр включают последним, а иногда и не включают в схему, а только касаются его выводами тех точек, где надо измерить напряжение.

Амперметр включается в разрыв цепи последовательно, как выключатель.

Если убрать амперметр, то цепь размыкается, перестает работать, провода, идущие к амперметру, надо соединить между собой, замкнуть.

Проверьте еще раз, как вы усвоили основные понятия:

Сила тока.

Электрический ток – это направленное движение электронов по проводнику.

Ток характеризуется направлением и величиной.

Принято считать, что ток идет от плюса источника через внешнюю цепь к минусу источника, а затем - через источник и снова во внешнюю часть цепи.

Надо знать, что многие потребители совершенно не допускают, чтобы ток шел через них в обратном направлении – могут возникнуть серьезные неприятности, даже взрыв (в конденсаторе)…

Итак, ток идет от плюса к минусу. Но… но ведь ток – это направленное движение электронов. А электроны-то заряжены отрицательно.

А разве “минусы” могут пойти к “минусам”? Они же одноименные заряды, а одноименные – не притягиваются, а отталкиваются… Электроны могут идти только к плюсу.

Но когда ученые решали вопрос о направлении тока в цепи, никто еще не знал, что это такое – электрический ток и что такое электроны. А когда узнали – не стали изменять того, к чему все привыкли, так и сейчас говорят: ток идет от плюса к минусу.

I – величина тока называется силой тока, сила тока показывает, сколько электричества проходит за одну секунду через поперечное сечение проводника.

Если за 1 секунду прошел 1 кулон электричества, (I = 1 А), то сила тока равна одному амперу.

I – такой буквой обозначается сила тока. I (А).

Итак, основная единица силы тока – 1 ампер.

1 миллиампер (1мА) = 0,001 ампера – прибор – миллиамперметр,

1 микроампер (1мкА) = 0,000001 А – прибор – микроамперметр,

1 килоампер (1 кА) = 1000 А – прибор – килоамперметр.

Сила тока – основная характеристика работы потребителей.

Фактически все вопросы, связанные с регулировкой работы цепи, сводятся к установке нормальной для данной цепи силы тока. Лишний ток – горит потребитель. Не хватает тока – плохо работает, появляются искажения сигнала и т.п.

Внимание ! Не надо путать понятия:

Сила тока и напряжение – понятия совершенно разные. Нельзя спрашивать – сколько ампер в одном вольте? Это все равно, что спросить – сколько часов в одном километре?

Нельзя спрашивать – сколько тока в источнике? Можно спросить – на какой ток рассчитан источник?

Можно спросить – чему равна ЭДС источника? Или – чему равно напряжение на источнике?

А сила тока источника зависит от потребителя, от его сопротивления.

Электрическое сопротивление.

1. За счет чего возникает электрическое сопротивление.

2. От чего и как зависит величина сопротивления.

3. Удельное сопротивление – что это такое?

4. Влияние температуры на сопротивление.

Конспект.

Когда ток идет по проводнику – электроны сталкиваются с атомами, за счет этого возникает электрическое сопротивление.

За счет сопротивления ток нагревает проводники.

↑

↓ R = ρ x l↑/ S↑; l = R x S / ρ; S = ρ x l / R,

где R – сопротивление в омах (Ом); l – длина проводника в метрах (м); S – площадь поперечного сечения проводника в кв. мм (мм²); d – диаметр круглого проводника в миллиметрах (мм); S = 0,8 x d² квадратных миллиметров (мм²); ρ – удельное сопротивление материала (Ом мм / м).

При повышении температуры сопротивление увеличивается – атомы колеблются сильнее и пройти между ними труднее.

С точки зрения электротехники главная характеристика любого проводника – его электрическое сопротивление R.

Проводники, как и все материалы, состоят из атомов. Атомы все время колеблются за счет окружающей теплоты. Чем теплее – тем сильнее колебания.

Когда электроны под действием сил электрического поля (или магнитного поля) начинают двигаться, то они многократно сталкиваются с атомами – атомы мешают им проходить, возникает сопротивление прохождению тока – электрическое сопротивление.

От чего и как зависит величина сопротивления? Без слов это можно записать так;

R↑ ← l↑; R↑ ← ρ↑; R = ρ x l / S; R↓ ← S↑; R↑ ← tº ↑.

Проводимость – величина, обратная сопротивлению.

Если надо записать: общая проводимость равна сумме всех проводимостей, то это можно записать двумя способами:

g = g + g + g или 1/ R = 1/ R + 1/ R + 1/ R + …

Подведем итоги – что надо знать в первую очередь:

1. Электрический ток – это направленное движение электронов. Ток идее от плюса к минусу (по внешней цепи).

2. Для создания тока к выводам от потребителя надо подвести напряжение. Напряжение обозначается буквой U, измеряется в вольтах.

3. Напряжение можно снять с источников, а можно и с участка цепи, по которому идет ток: U = I x R.

4. Все проводники обладают сопротивлением. Сопротивление зависит от длины проводника (R↑ ← l↑), сечения проводника (R↑ ← S↓) и материала проводника (R↑ ← ρ↑).

5. Любой источник создает электродвижущую силу (ЭДС). E (В). При подключении к источнику потребителей часть ЭДС создает напряжение на потребителях, а часть – бесполезно теряется внутри источника – преодолевает его внутреннее сопротивление R .

Закон Ома для участка цепи.

Внимание!

1. От чего и как зависит сила тока на участке цепи?

2. От чего и как зависит падение напряжения на участке?

3. Как и чем можно изменять силу тока и “делить” напряжение?

Конспект.

I ↑↓ = U↑/ R↑

Закон Ома показывает, от чего и как зависит сила тока ( I ↑↓ = U↑/ R↑) на участке цепи: - от напряжения : чем больше напряжение, тем и сила тока больше – во столько же раз U↑ → I↑; - от сопротивления: чем больше сопротивление (R = U/ I), тем сила тока меньше – во столько же раз.

Из закона Ома – падение напряжения – когда по сопротивлению идет ток, то на сопротивлении остается (падает) часть напряжения – чем больше сопротивление, тем больше

↑↑ ↑ ↑

падение напряжения: U = I x R; - чем больше сила тока, тем больше падает напряжение. Силу тока можно плавно изменять с помощью переменного сопротивления – реостата. Напряжение можно “делить” с помощью переменного сопротивления – потенциометра.

Пояснение к теме “Закон Ома для участка цепи”.

Из каких частей состоит электрическая цепь? – Из внешней и внутренней. К внешней относится все, что подключается к источнику.

Но и сама внешняя часть цепи состоит иногда из частей – участков цепи. Так, если взять елочную гирлянду лампочек, то каждая лампочка и есть участок цепи. I↑↓ = U↑/ R↑.

Еще в 1827 г. физик Ом установил – от чего и как зависит сила тока на участке цепи, если известно напряжение на этом участке и сопротивление участка. Вот что установил Ом. Это и есть закон Ома: U = I x R.

1. Чем больше напряжение, тем больше и сила тока – ровно во столько же раз.

2. А если сопротивление больше, то сила тока, наоборот, меньше – тоже во столько же раз – R = U/ I.

Больше ни от чего сила тока не зависит – только от U и от R. Обычно закон Ома читается так: “Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению”.

Физическая сущность всегда одна: чем больше напряжение – тем больше сила тока, чем больше сопротивление – тем меньше сила тока – во столько же раз!

Вопрос: Если вы поняли сущность закона Ома, то посоветуйте, что надо делать, если сила тока слишком велика и потребители часто перегорают?

- А, если, наоборот, не хватает силы тока – потребители плохо работают?

Падение напряжения на участке цепи (сверхважное следствие из закона Ома).

↑U↑ = I↑ x ↑R.

Эта простая формула имеет практически важный физический смысл: если по сопротивлению проходит ток, то на этом сопротивлении остается напряжение – “создается падение напряжения”, так говорят специалисты: ↑U ← ↑R; ↑U ← I↑.

Из формулы видно, от чего и как зависит – сколько вольт останется: чем больше сопротивление участка, тем больше и падение напряжения: чем больше сила тока, тем и больше останется напряжения на участке.

Слово “останется” сказано не случайно…

Нередко падение напряжения является нежелательным. Все знают, что вечером лампочки светят хуже. В чем дело? По-видимому не хватает силы тока для нормальной работы потребителей. Но потребители-то и днем, и вечером – одни и те же, сопротивление у них не меняется.

Вывод один – вечером не хватает напряжения.

А куда же оно девается? Остается (падает) в проводах, по которым ток проходит к потребителям. Ведь провода имеют тоже сопротивление, значит, они – тоже участки цепи… И чем больше останется напряжения в проводах, тем меньше достанется потребителям… ↓R = ρ x l/ S↑.

Из формулы видно, что можно уменьшить падение напряжения в линии: - или уменьшить силу тока, включить лишние потребители, или уменьшить сопротивление проводов линии, но дорогое это дело…

Не понимая этой формулы, невозможно понять работу усилителя электрических колебаний, невозможно наладить аппаратуру, а тем более отремонтировать незнакомую радиотехническую установку. При ремонте прежде всего следует измерить падение напряжения на отдельных участках и сравнить с указанным на схеме. Чаще всего причиной изменения напряжения является изменение силы тока. Нашел причину, почему ток изменился – и ремонт закончен.

Вот пример – задача из радиотехники. Эта схема – простой усилитель на транзисторе. Потребовался ремонт – усилитель работает, но дает сильные искажения. Измеряем напряжение на участках:

U - должно быть 9 В – так и есть – 9 В;

U - должно быть 4,5 В, а на самом деле – 9 В. Из радиотехники должно быть известно, что сила тока в цепи ABC (коллектор - эмиттер) сильно зависит от силы тока в цепи ADC – в цепи базы.

В чем дело, почему напряжение на участках AB и BC сильно изменилось? Найдите причину – и ремонт закончен.

Еще один пример на эту же формулу попроще, но понять надо сейчас.

Два потребителя с разными сопротивлениями включили так, как указано на схеме (последовательно). Сила тока в обоих потребителях, конечно, одинакова – дорога одна…

На каком из потребителей падение напряжения будет больше – на первом или на втором? Какой из них вы считаете первым, а кокой – вторым? Почему? А что будет, если их поменять местами?

Ответ один: смотрите на формулу U = I x R и думайте.

Примеры практического применения закона Ома.

Технически грамотный человек всегда должен видеть в сложном простое. Тогда он способен из простого сделать сложное.

Реостат – устройство для изменения силы тока в цепи. Реостаты бывают с плавной регулировкой и ступенчатые. Реостат с плавной регулировкой – это проволочная спираль, намотанная виток к витку на керамический каркас.

Провод с большим удельным сопротивлением – никелин, нихром, манганин, константан. По спирали можно передвигать подвижный контакт – ползунок, движок. Изменяя длину рабочей части реостата А О, мы изменяем величину сопротивления, включенную в цепь, - вступают в действие формулы R = ρI / S; I = U/ R.

И сила тока плавно изменяется – становится меньше, чем без реостата. Реостат включается в разрыв последовательно с нагрузкой. Посмотрите на схему: при каком положении ползунка сила тока будет наименьшей? Наибольшей? Почему обычно говорят: реостатом можно увеличивать и уменьшать силу тока? Это правильно или неправильно?

Омметр – прибор для измерения сопротивления.

↓I = U/ R↑. Из формулы закона Ома видно, что сила тока зависит от сопротивления; для каждого сопротивления – своя сила тока (при условии, что напряжение при этом не меняется, - это очень важное условие).

Если собрать такую простую схему и замкнуть клеммы А В, то через прибор пройдет ток. Подберем сопротивление резистора такой величины, чтобы сила тока была наибольшей для нашего прибора, - стрелка дойдет до последнего деления справа.

У последнего деления нарисуем “0” – ноль омметра; сопротивление между клеммами АВ как раз равно нулю. Разомкнем клеммы А В – стрелка вернется влево на исходное положение, там нарисуем знак ∞ (бесконечность) – сопротивление между разомкнутыми клеммами АВ бесконечно велико, ток не идет.

Начнем градуировку шкалы. К клеммам А В будем поочередно подключать резисторы, величина сопротивлений которых нам известна. Сработает закон Ома: каждому сопротивлению – своя сила тока. Но на шкале будем записывать не значения силы тока, а величину каждого сопротивления, - получится шкала омметра.

Если теперь к клеммам А В подключить неизвестной величины сопротивление, то стрелка где-то остановится и можно будет прочитать, чему равно это сопротивление – приблизительно, но для многих случаев – достаточно точно. Такая схема может работать, если напряжение источника всегда одинаково, но сделать это не так просто.

Поэтому в “настоящих” омметрах перед каждым измерением приходится регулировать прибор – устанавливать стрелку на ноль.

Интересно: счет идет справа налево – ведь сила тока обратно пропорциональна сопротивлению.

Тензодатчик – устройство для дистанционного измерения давления, а также формы поверхности.

Очень тонкая, плоская изогнутая проволочка из константана наклеивается на поверхность исследуемого объекта и включается в цепь с прибором и источником.

При изменении давления на проволочку (тензодатчик) или изменении формы поверхности изменяется или толщина проволочки, или длина проволочки и опять вступают в дело формулы:

R = ρI / s, а затем I = U/ R.

Сила тока в цепи изменяется – по ней можно судить, что там происходит, если, конечно, заранее отградуировать прибор.

Как видите, совершенно разные вещи – реостат, микрофон, омметр, тензодатчик, а принцип работы один и тот же – закон Ома для участка цепи.

И указатель уровня воды и бензина в автомобиле, и термометр, указывающий температуру воды или масла, - везде закон Ома.

Термометр сопротивления.

У проводников пи увеличении температуры сопротивление возрастает – атомы начинают колебаться сильнее.

Но еще заметнее (во много раз) сопротивление зависит от температуры у полупроводников. Но у полупроводников при нагреве сопротивление не увеличивается (как у проводников), а уменьшается. Это связано с тем, что увеличивается число свободных электронов.

Это явление широко используется в автоматике. Собрав такую схему, можно измерять температуру на расстоянии, а можно сделать и терморегулятор.

Деталь, новая для вас по обозначению, называется термистором. Сопротивление термистора заметно уменьшается при нагревании.

Следует отметить, что значительно большую чувствительность и точность можно получить, включая термистор, тензодатчики и другие датчики в схему моста сопротивлений.

Потенциометр.

По устройству потенциометр ничем не отличается от реостата. Из любого реостата можно сделать потенциометр, только надо использовать все три вывода, как указано на схеме.

Вся обмотка потенциометра подключается к источнику (это плохо – все время расходуется энергия). Ток, проходящий по обмотке, на каждом витке создает падение напряжения.

Передвигая ползунок (подвижный контакт В), можно снимать с потенциометра напряжение – от нуля до полного напряжения источника. Потребитель включается между точками В, С или А, В – это зависит от того, какая ему нужна полярность во время регулировки. (Если смотреть на схему, то потенциал в точке А выше, чем в точке В, а в точке В выше, чем в точке С.)

Потребитель, включенный к точкам В и С, получает напряжение и работает так, как будто он подключен к источнику – плюс – на В, минус – на С.

Большая неприятность, если потребителю нужен большой ток. Для устойчивой работы ток потенциометра должен быть в несколько раз больше тока потребителя. Это вызывает большой расход энергии, а также размеры потенциометра слишком велики.

В различных радиотехнических устройствах потенциометры широко применяются для регулировки громкости, тембра, яркости, контрастности и т.п. (Там тока почти нет.)

В сложных схемах потенциометры применяются для настройки отдельных узлов и блоков. Ручки таких потенциометров наружу не выводятся (они выводятся “под шлиц”), находятся внутри, поворачиваются отверткой и после настройки закрашиваются. Трогать их без надобности нельзя – можно все разрегулировать, а нередко и вывести из строя дорогие транзисторы.

При замене транзисторов эти ручки приходится вращать, подбирая нужные напряжения на участках: “подбирая режим” – так говорят специалисты…

Электрическая работа и мощность.

1. Определение значения затраченной энергии (работы).

2. Определение стоимости затраченной энергии.

3. Определение электрической мощности.

4. Измерение работы и мощности.

Конспект.

Энергию (затраченную потребителем или отданную источником) можно подсчитать по формуле:

A = UIt, или A = I²Rt, или A = Pt, где

А – работа в джоулях (Дж); U – напряжение, В; I – сила тока, А; t – время работы устройства, в секундах.

Более крупная единица: 1 ватт-час = 3600 Дж;

1 киловатт-час = 1000 Втч;

1 мегаватт-час = 1000 кВтч = 1 000 000 Втч.

Стоимость израсходованной энергии D = A x T; A = p x t, где

D – деньги, в коп.; Т – тариф, стоимость 1 кВтч; Р – мощность, кВт.

Работу (энергию) измеряют, снимая показания счетчика электрической энергии в кВтч.

Работа за одну секунду называется мощностью.

P = UI; U Мощность измеряется в ваттах: I = P/ U;

P = I²R; I А 1000 Вт – 1 киловатт

P = U²/ R; R Ом 1000 кВт – 1 мегаватт (МВт) U = P/ I

1 лошадиная сила = 0,736 кВт; 1 кВт = 1,36 л. с.

Пояснения к теме “Работа и мощность”.

Что такое напряжение? Это работа по переносу 1 Кл электричества из одной точки в другую (от одной клеммы потребителя к другой, от начала к концу, от (+) к (-)).

U = A/ q, откуда A = Uq, а из формулы I = q/ t; q = It, и получается формула для определения работы при переносе не одного кулона, а любого количества электричества.

A = UIt или A = I²Rt, где А – работа в джоулях (Дж), U – напряжение в вольтах (В), I – сила тока в амперах (А), t – время работы в секундах (с).

1 джоуль очень небольшая работа – лампочка карманного фонаря за 1 с потребляет 1 Дж. За 1 час (3600 с) затрачивается 3600 Дж – это 1 ватт-час (Втч), 1 Втч = 3600 Дж, 1 мегаватт-час (мгВтч) – 1000 кВтч.

Электрическая энергия (в сети переменного тока) измеряется с помощью известного всем прибора – счетчика электрической энергии.

Электрическая энергия – это продукция электростанции. А продукт продается потребителям по определенной цене за единицу продукции – по определенному тарифу. Стоимость одного киловатт-часа (1 кВтч) для бытовой нагрузки – 4 копейки: Т = 4 коп/ (кВтч). Со счетчика снимаются показания – обычно за 1 месяц. Так, если в конце месяца на счетчике 980 кВтч, а в конце прошлого месяца было 920 кВтч, то за месяц израсходовано А = 980 – 920 = 60 кВтч; стоимость израсходованной энергии равна 60 x 4 = 240 коп.

Мощность электрическая.

Мощность – это работа за 1 секунду. Зная мощность, можно представить себе размеры и возможности потребителя. Так, например, мощность лампочки от фонарика 1 ватт (1 Вт), мощность утюга порядка 1000 Вт (1 киловатт), мощность паяльника 40 – 200 Вт, мощность трамвайного двигателя 100 кВт, мощность электровоза – несколько тысяч киловатт, а мощность современных электростанций – несколько миллионов киловатт в каждой.

Так как мощность – это работа за 1 секунду, то из формул работы можно получить формулу для определения мощности: A = UIT; P = A/ t = UIt/ t = UI; P = UI – основная формула мощности; так как U = IR, то P = I²R; P = U²/ R; I = P/ U; R = P/ I².

Единица мощности – 1 ватт (1 Вт);

1000 Вт – 1 киловатт (1 кВт);

1000 кВт – 1 мегаватт (МВт);

0,001 Вт – 1 милливатт (1 мВт).

Мощность измеряют прибором – ваттметром, который одновременно учитывает и напряжение, и силу тока, у ваттметра – четыре вывода.

Мощность тепловых двигателей пока еще измеряется в лошадиных силах, хотя надо выражать в киловаттах: 1 л. с. = 0,736 кВт; 1 кВт = 1,36 л. с.

Тепловое действие тока.

1. Закон Джоуля – Ленца.

2. Переходное сопротивление и его роль в работе потребителей, выключателей, электрических розеток и мест соединения проводов.

3. Применение теплового действия тока.

4. Плавкие предохранители.

5. Тепловое реле.

6. Термоэлектричество.

Конспект.

Если по проводнику проходит ток, то проводник нагревается за счет того, что электроны сталкиваются с атомами: Q = I²Rt, где Q – количество выделенной теплоты, Дж; I – сила тока, в амперах; R – сопротивление проводника, Ом; t – время прохождения тока, с.

Этот закон Джоуля – Ленца показывает, от чего и как зависит количество выделенного тока. Главное в формуле – сила тока в квадрате - I².

1. Пример: если I ↑ 8 раз, то Q ↑ 64 раза.

2. В местах с плохими контактами (большое переходное сопротивление) ток идет через малые точки соприкосновения, поэтому плохие контакты очень сильно нагреваются. Плотный и чистый контакт – всегда обязателен. Плохой контакт – основа для пожара.

3. Применение: все нагревательные приборы, лампочки, мощные прожекторы, электросварка, электропечи, тепловые реле – защита от перегрузки.

4. Плавкие предохранители – тонкие проволочки, рассчитанные на определенную силу тока. Включается в разрыв каждого провода, идущего от источника (последовательно). Ток выше нормы – проволочки перегорают, цепь выключается сама.

5. Тепловое реле – биметаллическая пластинка (из двух разных металлов). При нагревании изгибается – контакты или размыкаются, или замыкаются – автомат защиты, терморегулятор.

Пояснения к теме “Тепловое действие тока”.

Мы об этом уже несколько раз говорили: когда ток идее по проводнику, электроны сталкиваются с атомами. А так как движущиеся электроны обладают энергией, которую они получили от источника, то эта энергия переходит в тепловую энергию.

Тот факт, что проводник нагревается при прохождении тока, широко применяется во всех электронагревательных и осветительных приборах, а также в электросварке и электроплавильных печах – это полезное применение явления.

Но не надо забывать, что проводники нагреваются и в том случае, когда это не только не нужно, но даже и вредно – нагреваются обмотки всех электрических машин, нагреваются провода линии электропередачи – чем больше сила тока, тем сильнее нагреваются (ток в 5 раз больше – теплоты в 25 раз больше). Поэтому, зная силу тока, надо заранее подумать, какого сечения выбрать проводник, чтобы он нагревался в пределах допустимой температуры. Так, например, для электрического шнура допустимо на каждый квадратный миллиметр 10 – 12 ампер, а для обмотки трансформатора – на каждый квадратный миллиметр всего 2 -3 ампера – обмотка плохо охлаждается в воздухе. Число, показывающее, сколько ампер можно допустить на 1 мм² проводника, называется плотностью тока.

Закон Джоуля – Ленца.

Q = I²Rt (Дж) – это закон Джоуля – Ленца – двух ученых, которые примерно в одно время установили, от чего и как зависит количество выделяемой теплоты в проводнике.

A = I²Rt – это формула электрической энергии. Формула работы – тепловая энергия – это один из видов энергии, в которую может перейти электрическая энергия.

Как всегда, надо увидеть физическую сущность формулы и научиться применять эту сущность в практических условиях. Из формулы видно, что количество теплоты зависит не просто от силы тока, а от квадрата силы тока. Это означает, что даже небольшие изменения силы тока должны заметно отразиться на количестве выделяемой теплоты: I↓ → Q↓.

Внимание: очень важное замечание.

Особое внимание, глядя на формулу, следует обратить и на тот факт, что количество теплоты зависит и от сопротивления R.

Это относится не столько к сопротивлению потребителя, сколько к местам с плохими контактами, где возникает очень большое, так называемое переходное, сопротивление.

Плохо зачищенные и плохо прижатые контакты касаются не по всей поверхности, а только острыми выступающими точками – эти точки сильно нагреваются, сопротивление еще больше становится, контакт еще ухудшается – словом, все условия для пожара подготовлены. Обычно контакты разрушаются, спекаются, привариваются.

Это надо всегда помнить – все контакты должны быть чистыми и плотными, гайки и винты – затянутыми, под проводами – шайбы. В местах соединения провода надо сильно скручивать и затягивать, а при возможности – пропаять.

Плавкие предохранители.

Если сила тока в цепи превышает норму, то потребители, а иногда и соединительные провода и источники сильно нагреваются и могут выйти из строя. Во избежание такой неприятности цепь в таком случае должна сама разомкнуться, выключиться.

Простейшим автоматическим выключателем может служить плавкий предохранитель (обратно предохранитель не включается – надо заменить плавкие вставки).

На схеме показано, куда включаются предохранители – в разрыв каждого провода, последовательно – как выключатель. Иногда включают и один предохранитель.

Идея работы плавкого предохранителя очень проста – сечение проводника в плавкой вставке значительно меньше сечения соединительных проводов и проводников в потребителе. И провод чаще всего применяют свинцовый – меньше температура плавления, чем у меди и алюминия.

Поэтому, как только сила тока в 2 – 2,5 раза превысит норму, перегревается и плавится в первую очередь вставка и цепь разрывается, все выключается. Надо “менять пробку” – так говорят обычно дома. Или “сгорел предохранитель – надо менять” – это о телевизоре.

Но – и это обязательно – предохранитель должен стоять именно такой, как указано в паспорте. Нельзя применять какие попало проводники – или будет пожар, или пропал телевизор…

Тепловое реле.

Если нагреть полоску из металла, она удлиняется – это известно из физики. Каждый металл при нагревании удлиняется по-разному – это и положено в основу работы биметаллической пластинки – пластинки из двух разных металлов, склепанных или сваренных в одну.

При нагревании биметаллическая пластинка не просто удлиняется – она изгибается; на рисунке слева вы видите пластинку из меди и железа. При нагревании она изогнется в сторону железа.

Здесь нарисована схема простейшего автомата – “мигалки”. Ток проходит через пластинку и контакты 2 и 2. При нагревании пластинки от тепла лампочки пластинка изогнется и контакты 2-3 разомкнутся – лампочка потухнет. Пластинка остынет, выпрямится, контакты вновь замкнутся – лампочка загорится, и все повторится сначала – лампочка начнет мигать с определенной частотой – это зависит от длины и толщины пластинки и от расстояния до лампочки.

Примерно то же самое происходит и в утюге с терморегулятором, и в различных печах с терморегулятором, и в домашней “автоматической” пробке, и во многих автоматах, задача которых – выключить цепь, если сила тока превышает норму, - пластинка нагревается током, идущим по цепи, и выключает эту же цепь. Во многих случаях пластинка назад не возвращается – сработала механическая защелка, надо нажать на кнопку “Возврат”.

Термоэлектричество.

При прохождении тока проводники нагреваются – и электрическая энергия переходит в тепловую.

А так как в природе все явления обратимы, то должно быть и наоборот – тепловая энергия должна перейти в электрическую. Раз должна – значит будет. Простейшее устройство для этого – термопара.

Если концы двух разных металлов, а лучше сплавов, например манганин – константан – 50 мВ/ град, а еще лучше хромель – копель 620 мВ/ град (хромель – сплав никеля с хромом, копель – сплав никеля с медью), сварить и подогреть, то на холодных возникает так называемая термо-ЭДС. Если к этим концам подключить потребитель, то через него пойдет ток.

ЭДС получается небольшая, сила тока зависит от толщины проводников термопары и, конечно, от температуры, но факт есть факт – тепловую энергию можно сразу преобразовать в электрическую.

И это явление можно использовать там, где бесполезно пропадает теплота, а также для различного рода измерений, связанных с наличием теплоты, - для измерения температуры выхлопных газов, температуры в печах и т.п.

В некоторых случаях применяются термопары и в качестве генераторов электрической энергии – термоэлектрогенераторов (КПД = 7 %).

Соединение потребителей.

1. Виды соединений – зачем нужен каждый вид.

2. Параллельное соединение.

3. Последовательное соединение.

4. Смешанное соединение.

Электрическая цепь состоит из источника, соединительных проводов и потребителей. Чаще всего применяется несколько потребителей, работающих одновременно или по отдельности.

Каждый потребитель рассчитан на определенное напряжение и на определенную силу тока. Как бы потребитель не включался, он должен получить то, что ему положено, в противном случае потребитель или сгорит (слишком много), или будет работать плохо (слишком мало). Впрочем, если к электродвигателям подвести слишком “мало” напряжения, то он почему-то сгорают… Останавливаются и сгорают.

Каждый источник тоже рассчитан отдавать определенную мощность при определенном напряжении и силе тока.

Все вышесказанное приводит к тому, что потребители (и источники) приходится соединять между собой тремя разными способами:

Посмотрите на схемы – это совершенно разные способы соединения, и абсолютно недопустимо использовать одно вместо другого.

Параллельное соединение потребителей.

Конспект.

1. Начала всех – вместе – к плюсу источника, концы всех – вместе – к минусу источника.

2. Не зависят друг от друга – любой включай, любой выключай.

3. U = U = U = … U – напряжение на всех одинаково, как у источника.

4. I = U/ R ; I = U/ R - сила тока у каждого своя – закон Ома.

5. I = I + I + I +… - общий ток, идущий от источника, равен сумме всех токов – это первый закон Кирхгофа.

6. q = q + q + q +… - общая проводимость увеличивается, общее сопротивление уменьшается, меньше меньшего становится.

7. R = R R / R + R - так можно подсчитать общее сопротивление только для двух потребителей.

8. R = R / n – так считают, если все потребители одинаковые.

R - сопротивление потребителя; n – число потребителей.

9. Параллельное соединение применяется: когда потребители рассчитаны на напряжение источника; когда надо уменьшить общее сопротивление; когда надо включать (или выключать) любое число потребителей (дома все потребители включены параллельно).

Разъяснения к теме “Параллельное соединение”.

Параллельное соединение применяется наиболее часто, особенно в быту и на производстве.

Каждый потребитель имеет два вывода (условно): “Начало” (Н) и “Конец” (К). Источник тока тоже имеет два вывода: “плюс” (+) и “минус” (-).

При параллельном соединении начала всех потребителей подключаются к одному полюсу, а концы всех потребителей – к другому полюсу.

Надо сразу сказать, к какому полюсу подключаются начала (или концы), - это относится к потребителям, имеющим полярность (катушки, электромагниты, аккумуляторы, полупроводники). А в некоторых случаях понятия “Начало” и “Конец” – чисто условные понятия. Для лампочек и других электронагревательных приборов безразлично, “плюс” это или “минус”.

Итак, начала всех – вместе, концы всех – вместе. Общая точка соединения называется точкой разветвления или узлом. На схемах потребители обычно подсоединяются не к узлу, а к общему проводу.

Сопротивление проводов на участках А-А-А и В-В-В при небольшом расстоянии между потребителями можно считать равным нулю. Совсем другое дело, если потребители (дома) расположены вдоль длинной улицы, - там провода имеют вполне заметное сопротивление, хотя соединяются будто параллельно.

Главное удобство параллельного соединения – потребители не зависят друг от друга, при выходе из строя любого потребителя остальные продолжают нормально работать.

Свойства параллельного соединения.

1. Напряжение на всех потребителях одинаково, - такое же, как на источнике, - ведь начала всех подключены к одному полюсу, а концы – к другому: U = U = U = U =…

2. Сила тока в каждом потребителе зависит от сопротивления потребителя – об этом говорит закон Ома: I = U/ R ; I = U/ R ; I = U/ R , … - где сопротивление больше, там сила тока меньше.

3. Общая сила токов, подходящих к узлу А, равна сумме токов, отходящих от узла А (то же относится и к узлу В).

I = I + I + I +… - это очевидное равенство носит название первого закона Кирхгофа.

4. Самое сложное: как определить общее сопротивление всех потребителей при параллельном соединении? А дело не очень сложное, если понять главное – общее сопротивление должно стать меньше, чем сопротивление любого из входящих в соединение потребителей, меньше даже самого меньшего.

Почему общее сопротивление должно стать меньше? Посмотрите еще раз на схему соединения: что меняется при подключении потребителей параллельно?

Один потребитель – один путь. Два потребителя – дорога шире для тока – к сечению первого потребителя добавилось сечение второго. Еще подключим параллельно – еще увеличится площадь поперечного сечения.

↓R = ρI/ S↑. А из хорошо известной формулы всем должно быть видно – чем больше общее сечение, тем меньше общее сопротивление. Во сколько раз меньше?

Если сопротивление всех потребителей одинаково, то общее сопротивление должно уменьшиться во столько раз, сколько включено потребителей.

Вот первая формула для определения общего сопротивления ↓R = R / n↑ при включении одинаковых сопротивлений: R - сопротивление одного потребителя; n – число потребителей, шт.

А если сопротивление потребителей разное? Дело сложнее, но не очень сложное: из закона Кирхгофа найдем I = I + I + I +…; I = U/ R + U/ R + U/ R + …; I = U/ R; U/ R = U/ R + U/ R + U/ R + … Сократив U, получим то, что нам надо: U/ R = U/ R + U/ R + U/ R + …; 1/ R = 1/ R + 1/ R + 1/ R + …, а что такое 1/ R = q? Это общая проводимость всей цепи.

Результат: q = q + q + q +…

Общая проводимость цепи при параллельном соединении равна сумме проводимостей всех потребителей.

Раз общая проводимость увеличивается, значит общее сопротивление уменьшается.

Практический вывод для решения задач: если надо найти общее сопротивление цепи при параллельном соединении, то сначала надо подсчитать общую проводимость, а потом результат “перевернуть”, - получим сопротивление.

С примером все будет яснее:

R = 120 м; R = 240 м; R = ?

1/ R = 1/ R + 1/ R = 1/ 12 + 1/ 24 = 3/ 24;

q = 1/ R; R = 1/ q = 1 : 3/ 24 = 24/ 3 = 80 м. Это общая проводимость (С).

Параллельное соединение источников.

Этот вопрос – совсем из другой темы, но цель его – показать единство понятий, если речь заходит о параллельном соединении.

И конечно, этот вопрос имеет практическое значение при изучении электротехники. У каждого источника – три характеристики:

1. ЭДС (электродвижущая сила) одного элемента Е В.

2. Внутреннее сопротивление R , Ом.

3. Емкость источника, т.е. количество электричества, которое может отдать источник при определенном токе разряда. Так обозначается емкость и выражается в ампер-часах. У каждого источника – два вывода: “+” и “-”.

Один источник называется элементом (или банкой у аккумуляторов). Несколько соединенных элементов называются батареей. Обычно в батарею соединяют только одинаковые источники.

Параллельное соединение применяется в том случае, когда требуется увеличить емкость батареи, что дает больший срок службы или больший ток, а напряжение достаточно.

Последовательное соединение потребителей.

Конспект

1. Потребители соединяются друг за другом (см. на схему) – К1 – Н2 – К2 – Н3 – К3…, Н1 и К последнего – к источнику.

2. Неудобство: один сгорит – все выключаются.

3. Сила тока в любом потребителе одинакова – дорога для тока одна.

4. Напряжение на каждом зависит от его сопротивления:

5. U = IR ; U = IR ; U = IR .

6. Напряжение источника делится между потребителями. Сумма напряжений на всех потребителях равна напряжению источника:

   1. U = U + U + U + …

7. Общее сопротивление увеличивается и равно сумме сопротивлений всех потребителей.

8. Если напряжение источника больше, чем надо потребителю, тогда его надо поделить (см. п. 4 и 5).

9. Силу тока в цепи можно найти, разделив общее напряжение на общее сопротивление:

   1. I = U/ Rобщ = U/R + R + R + …

Пояснение к теме “Последовательное соединение потребителей”.

- Кто последний? Я за вами…

Именно так соединяются между собой потребители при последовательном соединении – друг за другом: конец первого – с началом второго, конец второго – с началом третьего и т.д.

Начало первого и конец последнего подключают к источнику; внимательно рассмотрите все это на схеме (см. выше).

Из схемы вам должно быть видно первое свойство (не очень хорошее): отключили или перегорел любой потребитель, цепь разорвалась и все выключились, перестали работать.

(Но это можно и для пользы применить: все выключатели включаются в цепь последовательно – там, где это удобно).

ВНИМАНИЕ: понятия “Начало” и “Конец” – лампочек, плиток, паяльников – чисто условные, а вот у разных обмоток – реле электромагнитов, трансформаторов, электродвигателей – совсем не условные, и там этого надо строго придерживаться …

Свойства последовательного соединения.

1. Сила тока в любом потребителе одинакова – нет ни одной точки разветвления, где такой же ток идет и от источника.

2. Ток в цепи можно найти, разделив напряжение источника на общее сопротивление цепи.

3. Общее сопротивление цепи увеличивается и равно сумме сопротивлений всех потребителей: R = R + R + R + R + …

ВНИМАНИЕ! САМОЕ ГЛАВНОЕ!

4. Напряжение источника делится между потребителями: где больше сопротивление, там Ии больше напряжение; U = IR ; U = IR ; U = IR , … - от места не зависит.

5. Сумма падений напряжений на всех потребителях равна напряжению источника: U = U + U + U + … - это пригодится при проверке правильности решения задач.

6. Чем больше включается в цепь потребителей, тем больше общее сопротивление – это имеет практический смысл: R↑.

7. Когда же надо применять последовательное соединение? Когда потребители рассчитаны на напряжение меньшее, чем дает источник, приходится “делить” напряжение (вспомните елочную гирлянду: каждая лампочка на 13 В, а в сети – 220 В). Сколько надо лампочек включить, чтобы каждая получила по 12 В? Вот и задача … когда надо увеличить сопротивление цепи. (Вспомните реостат: каждый виток – это потребитель, включенный последовательно. Передвигаем ползунок – меняем общее сопротивление цепи, а значит, и силу тока в цепи – опять закон Ома…)

Последовательное соединение источников.

Каждый химический источник тока имеет три характеристики: 1. ЭДС одного источника 1,25 – 2,0 В. 2. Внутреннее сопротивление одного источника зависит от размеров источника. 3. Емкость источника – запас энергии в ампер-часах.

При последовательном соединении общая ЭДС увеличивается: E = E n (хорошо).

Внутреннее сопротивление батарей увеличивается: R = R n (плохо).

Емкость батареи равна емкости одного, наименьшего, элемента: q = q (плохо).

Сравните, как похоже соединение потребителей и соединение источников последовательное:

У потребителей

1. U = U + U + U + … 2. R = R + R + R + … 3. q = I t .

У источников

1. E = E + E + E , или E = E n, 2. R = R + R + R , или R = R n. 3. q = I t , или q = q .

На практике последовательное соединение источников применяется гораздо чаще, чем параллельное. Так, всегда требуется напряжение больше, чем дает один источник (1,25 – 2 В).

Пример решения задачи на последовательное соединение потребителей.

Дано: два потребителя с сопротивлением 12 и 24 Ом включены последовательно и подключены к источнику с напряжением.

Определить: 1) общее сопротивление, 2) силу тока, 3) напряжение на первом и втором потребителях, 4) мощность каждого потребителя, 5) мощность, отдаваемую источником (R = 12 Ом; R = 24 Ом; U = 72 В; R = ?; I = ? U = ? U = ? P = ? P = ? )

Проверит правильность решения задачи.

Решение: 1) R = P + R = 12 + 24 = 36 Ом. 2) I = U/R = 72 / 36 = 2 А. 3) U = I R = 2 x 12 = 24 В. 4) U = I R = 2 x 24 = 48 В.

Проверка: U = U + U = 24 + 48 = 72 В. 5) P = I² R = 2² x 12 = 48 Вт, или P = U I = 24 x 2 = 48 Вт. 6) P = I² R = 2² x 24 = 96 Вт, или P = U I = 48 x 2 = 96 Вт. 7) Отдаваемая мощность источника P = P + P = 48 + 96 = 144 Вт, или P = I²R = 2²x 36 = 144 Вт, или P = U = 72 x 2 = 144 Вт.

ВНИМАНИЕ: если те же потребители включены (по ошибке) параллельно к тому же источнику, то решение и результаты будут совершенно другими: или потребители выйдут из строя, если они не рассчитаны на такие напряжения (в первой задаче – 24 и 48 В, а здесь – 72 В), или источник сгорит: там – 2 А, здесь – целых 9 А.

ВЫВОД: ВКЛЮЧАЯ ПОТРЕБИТЕЛИ – СПЕШИТЬ НЕ НАДО.

Итак:

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или частиц. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Действия тока: тепловое, магнитное, химическое.

Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока.

, где

∆q – переносимый через поперечное сечение проводника заряд

∆t – промежуток времени

I – сила тока, скаляр [ 1A = 1 Кл / с]

Сила тока может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Знак силы тока зависит от того, какое из направлений вдоль проводника принять за положительное. I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника.

I =

, где

е – модуль заряда электрона

n – концентрация частиц

УСЛОВИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЭЛ. ТОКА.

1. Необходимо наличие свободно заряженных частиц

2. Необходима сила, действующая на частицы со стороны электрического поля в определенном направлении.

Если разность потенциалов =0, то поля нет.

Если разность потенциалов не изменилась, то ток будет считаться постоянным.