Электрические цепи постоянного тока.

Свободные электроны в металлическом проводнике или ионы в электролите находятся в состоянии беспорядочного движения. Количество электричества или заряд, который переносится при этом через любое поперечное сечение проводника, в среднем равен нулю. Если же на свободные заряженные частицы действуют в определенном направлении силы (например, силы электрического поля), то к скоростям их беспорядочного движения прибавляется слагающаяся скорости в направлении действующей силы. В этом случае через любое поперечное сечение проводника проходит определенный заряд, т.е. в проводнике возникает электрический ток. Для того чтобы получить электрический ток в проводниках, нужно создать электрическую цепь. Электрическая цепь состоит из источников электрической энергии, в которых возбуждается электродвижущая сила (ЭДС), потребителей электрической энергии. При наличии тока в источниках энергии происходит непрерывное преобразование различных видов энергии в электрическую; в потребителях наоборот, электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. Источники энергии и потребители соединяются проводами.

Электрическим током называют направленное движение электрических зарядов (в проводниках — свободных электронов, а электролитах — электронов и ионов). Электрический ток характеризуется силой тока — I. Это величина равная количеству зарядов Q, проходящих через поперечное сечение проводника за время t:

,

где I – сила тока, А; Q – величина заряда, Кл; t – время прохождения заряда, с.

Сила тока измеряется в Амперах (А).

Электродвижущая сила (ЭДС) – скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, то есть любых сил неэлектрического происхождения, действующих в цепях постоянного или переменного тока. ЭДС численно равна работе, которую совершают сторонние силы при перемещении единичного положительного заряда внутри источника или по участку замкнутого контура.

ЭДС измеряется в Вольтах (В).

ЭДС источника равна разности потенциалов между его клеммами в состоянии, когда источник отключен от цепи. Направление ЭДС – от минуса источника к плюсу.

К источникам ЭДС относятся электрические генераторы, аккумуляторы, термопары, гальванические элементы и т.д.

Электрическое сопротивление – физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока. Физика явления основана на том что, при направленном движении заряженных частиц по проводникам электрической цепи кинетическая энергия заряженных частиц в результате их столкновения с ионами и молекулами вещества частично преобразуется в энергию беспорядочного движения. Эта энергия рассеивается в виде тепла в источниках энергии, потребителях, соединительных проводах.

Электрическое сопротивление измеряется в Омах (Ом).

Сопротивление проводника при прочих равных зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он состоит:

,

где r – удельное сопротивление проводника, Ом·м;

l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения, м².

Удельное сопротивление – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения.

Сопротивление проводников зависит от температуры окружающей среды. У металлов с увеличением температуры увеличивается сопротивление.

Источники ЭДС и тока.

Источник ЭДС - им считается идеальный источник, представляющий собой двухполюсник, на зажимах которого электродвижущая сила (и напряжение) всегда поддерживается постоянным значением. На него не влияет нагрузка сети, а внутреннее сопротивление у источника равно нулю.

Внутреннее сопротивление (r) – сопротивление источника питания, на схемах изображается в виде резистора. Несмотря на то, что на эквивалентной схеме внутреннее сопротивление представлено как один пассивный элемент (причём активное сопротивление, то есть резистор в нём присутствует обязательно), внутреннее сопротивление не обязательно сосредоточено в каком-либо одном элементе. Источник лишь внешне ведёт себя так, словно в нём имеется сосредоточенный внутренний импеданс и генератор напряжения. В действительности же, внутреннее сопротивление является внешним проявлением совокупности физических эффектов:

Если источник питания представляет собой гальванический элемент, то внутреннее сопротивление носит чисто активный характер, и оно обусловлено физическими эффектами, которые не позволяют мощности, отдаваемой этим источником в нагрузку, превысить определённый предел. Наиболее простой пример такого эффекта — ненулевое сопротивление проводников электрической цепи. Но, как правило, наибольший вклад в ограничение мощности вносят эффекты неэлектрической природы. Так, например, в химическом источнике мощность может быть ограничена площадью соприкосновения участвующих в реакции веществ, в генераторе гидроэлектростанции — ограниченным напором воды и т. д.

Теоретически на выводах у идеального источника напряжение не зависит от величины тока нагрузки и является постоянной величиной. Однако, это условная абстракция, которая не может быть осуществлена на практике. У реального источника при увеличении тока нагрузки значение напряжения на зажимах всегда уменьшается.

На графике видно, что ЭДС Е состоит из суммы падений напряжения на внутреннем сопротивлении источника и нагрузке.

В действительности источниками напряжения работают различные химические и гальванические элементы, аккумуляторные батареи, генераторы переменного, постоянного тока.

Закон Ома

Основным законом электротехники, при помощи которого можно изучать и рассчитывать электрические цепи, является закон Ома, устанавливающий соотношение между током, напряжением и сопротивлением. Закон Ома для участка цепи имеет вид:

,

где U_н – падение напряжения на нагрузке, В;

R_н – сопротивление нагрузки, Ом.

Закон Ома для участка цепи звучит следующим образом: «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению данного участка цепи».

Закон Ома для полной цепи имеет вид:

,

где Е – э.д.с. источника эл. энергии, В;

r_вн – внутрен. сопротивление источника ЭДС., Ом;

R_н – сопротивление нагрузки, Ом;

Закон Ома для полной цепи звучит следующим образом: «Сила тока в цепи прямо пропорциональна ЭДС источника питания и обратно пропорциональна сумме сопротивлений нагрузки и внутреннего сопротивления источника питания».

Закон Ома можно наглядно представить в виде так называемой вольт-амперной характеристики(ВАХ). Как известно, прямая пропорциональная зависимость между двумя величинами представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Такую зависимость принято называть линейной.

Приборы и радиоэлементы, у которых вольт-амперная характеристика является прямой линией называются линейными.

Радиоэлементы, для которых закон Ома не применим, либо применим при определенных условиях имеют ВАХ в виде кривой и называются нелинейными.

Закон Ома может не соблюдаться:

· При высоких частотах, когда скорость изменения электрического поля настолько велика, что нельзя пренебрегать инерционностью носителей заряда.

· При низких температурах для веществ, обладающих сверхпроводимостью.

· При заметном нагреве проводника проходящим током, в результате чего зависимость напряжения от тока (вольт-амперная характеристика) приобретает нелинейный характер. Классическим примером такого элемента является лампа накаливания.

· При приложении к проводнику или диэлектрику высокого напряжения, вследствие чего возникает пробой.

· В вакуумных и газонаполненных электронных лампах.

· В гетерогенных полупроводниках и полупроводниковых приборах, имеющих p-n-переходы, например, в диодах и транзисторах.

Электрическая цепь может работать в одном из трёх режимов:

• режим холостого хода. Это самый простой режим, когда R = .

• режим номинальный, т.е. обычный, нормальный — R = Rн.

• режим короткого замыкания. Это ненормальный, т.е. аварийный режим, когда

R 0. При этом по цепи по закону Ома проходит очень большой ток.

 

Соединение сопротивлений