Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Лекция 6. Электрический ток – это направленное движение зарядов

Глава 2. Постоянный ток.

2.1. Электрический ток

Электрический ток – это направленное движение зарядов. Электрический ток называется конвекционным, когда заряды перемещаются в пространстве; током проводимости, когда заряды движутся внутри проводника; током в вакууме, когда заряды движутся в вакууме.

Рассмотрим ток проводимости как наиболее часто встречающийся в технике.

Для определения тока в проводнике используют понятие сил тока

, (2.1)

где – количество заряда, прошедшее через выбранное сечение проводника за промежуток времени .

Сила тока – определяет интенсивность направленного движения заряженных частиц и равна заряду, переносимому через поперечное сечение проводника в единицу времени. Если сила тока не зависит от времени, то ток будет называться постоянным

.

Заряды обоих знаков перемещаются в противоположных направлениях при прохождении тока в проводнике. Исторически сложилось так, что за направление электрического тока считают направление движения положительных зарядов, или направление, обратное движению отрицательных зарядов. Величина тока в системе СИ измеряется в амперах (А).

2.2. Закон Ома.
Сопротивление и электропроводность проводника

Рассмотрим цилиндрический проводник длиной .

Для того, чтобы в проводнике существовал постоянный ток , необходимо внутри проводника создать постоянное электрическое поле с напряженностью . Напряженность электрического поля в проводнике существует тогда, когда в нем имеется градиент потенциала:

 

(2.2)

 

Где и - электрические потенциалы на концах проводника U - напряжение, приложенное к проводнику. При изменении напряжения U изменяется ток в проводнике по закону Ома

 

(2.3)

 

где R – электрическое сопротивление проводника; – проводимость проводника.

В системе СИ сопротивление измеряется в Ом. 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В идет ток в 1 А. Сопротивление R зависит от материала, из которого сделан проводник, его геометрических размеров и формы. Для цилиндрических проводников справедливо соотношение

, (2.4)

 

где - удельное сопротивление материала проводника,, соответственно длина и площадь сечения проводника.

Подставим (2.4) в (2.3),

 

. (2.5)

 

Введем понятие плотности тока j

 

, (2.6)

 

где удельная проводимость, или электропроводность, проводника.

Учитывая векторный характер напряженности электрического поля ,

(2.7)

Плотность тока – вектор, совпадающий с вектором напряжённости электрического поля.

Для поддержания постоянной разности потенциалов на концах проводника необходимо подключать его к источнику напряжения, или источнику тока.(ИТ)

Сторонние силы действуют на заряды только в источнике тока. В замкнутой цепи, имеющей источник тока, помимо сторонних сил действуют электростатические силы (силы Кулона).

Электрическая цепь постоянного тока (рис.2.1) включает сопротивление нагрузки (резистор) R, сопротивление внутренних деталей источника тока r (внутреннее сопротивление), ЭДС ().


 

 

Рис. 2.1.

В источнике тока за счёт его внутренних сил (не Кулоновского происхождения) разделяются положительные и отрицательные заряды, которые скапливаются у его выходных электродов, и создают разность потенциалов на клеммах.


Так как к резистору R приложена разность потенциалов U, то, согласно закону Ома, через него будет идти ток за счёт Кулоновских сил.

(2.8)

По внутренним деталям ИТ проходит ток

(2.9)

Токи и приводят к разряду ИТ и уменьшению количества положительных и отрицательных зарядов на его электродах. Сторонние силы непрерывно восстанавливают количество этих зарядов на выходных электродах, т.е. непрерывно восстанавливают противоположные заряды на электродах и создают ток , противоположный току (рис.2.2).


 

В стационарном процессе, когда токи постоянны

,или

. (2.10)

 


 
 
Рис. 2.2  


Сторонние силы источника тока, вызывающие ток , появляются в результате действия химических реакций или других явлений и называют электродвижущей силой (ЭДС).

Для написания закона Ома для замкнутой цепи запишем уравнение (2.10) в виде:

(2.11)

 

 

 

После алгебраических преобразований

 

(2.12)

 

(2.13)

Закон Ома для замкнутой цепи.

Перепишем уравнение 2.13 в виде:

 

(2.14)

 

где падение напряжения на внутренних деталях источника тока;

падение напряжения на внешнем сопротивлении R.

Из уравнения (2.14) следует, что

(2.15)

Если то

(2.16)

 

иЕсли соизмеримо с R (т.е. ), то (именно поэтому говорят, что источник тока «подсаживается» при подключении к нему мощного потребителя тока, обладающего малым R, так как: .

Сопротивления и в цепи (рис.2.1) включены последовательно, и следовательно, полное сопротивление

, (2.17)

. (2.18)

Из уравнения (2.13) следует, что ток у любого источника тока ограничены из-за его внутреннего сопротивления . Максимальный ток возникает в результате короткого замыкание ()

. (2.19)

 

Например, для батареи =1,5 В и =0,1 Ом

.

Лекция 5.

2.3.Работа и мощность постоянного тока. Электрические цепи постоянного тока.

При прохождении тока через электрическую цепь в течение некоторого времени в проводнике согласно закону Джоуля-Ленца, выделяется количество тепла . (закон Джоуля-Ленца)

Количество тепла выделенное в проводнике мераизменения определяет изменение его. Учитывая, что мерой изменения энергии является работа, запишем

, (2.20)

 

где: - работа, затраченная на прохождение тока по деталям источника ЭДС, - работа по прохождению тока через резистор R. Так как и в итоге целиком уходят на выделение тепла, то можно записать:

 

, (2.21)

 

.

 

Работающий на внешнюю нагрузку R источник тока сам тоже нагревается. Работа и тепло выделяемое во внешнем сопротивлении определяет полезную мощность тока.

Мощность тока

При

,

 

где - время протекания тока.

Полезная мощность

(2.22)

Потери при нагревании источника тока

 

(2.23)

Полная мощность

(2.24)

Коэффициент полезного действия источника тока:

(2.25)

где , так как .

2.4. Цепи постоянного тока.

Электрические цепи постоянного тока состоят из источников питания и нагрузочных сопротивлений R (резистор) соединенных последовательно.

Отдельно источники могут быть соединены в батареи последовательно и параллельно.

При последовательном согласованном соединении (рис. 2.3) ЭДС и внутреннее сопротивление n источников питания суммируются

(2.26)

 

Рис.2.3

Для одинаковых источников питания

(2.27)

Несогласованным считается соединение, при котором некоторые источники включены навстречу


 

Рис. 2.4

 

 

Тогда при заданном направлении тока I (рис.2.4.)

(2.28)

В батареи согласованно соединенными источниками сила тока

(2.29)


Схема параллельного соединения источников тока в электрическую цепь (рис.2.5.)


 

Рис. 2.5

Сила тока в цепи с параллельным соединением

(2.30)

Нагрузочное сопротивление R момент состояний из сопротивлений соединенных последовательно (рис.2.6) и параллельно (рис.2.7)

 


 

Рис. 2.6

В первом случае сила тока во всей цепи одинакова, а направления на сопротивлениях . Эквивалентное сопротивление

(2.31)


 

 

Рис.2.7.

 

 

При параллельном соединении на каждом сопротивлении R в цепи направления

(2.32)

Соответственно в каждой ветви

(2.32)

Эквивалентное сопротивление

 

(2.33)


 

В узлах цепи параллельного соединения сопротивлений не накапливаются и не уничтожаются заряды. Поэтому для узла 1 входящие токи равны выходящим (1-ый закон Кирхгордера)

(2.34)

Для замкнутой цепи (рис.2.8) при выбранном направлении тока I сумма ЭДС равно падению напряжений на сопротивлениях (второй закон Кирходера)

 

(2.35)

 

 

Рис.2.8.

 

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
 | Лекция 7
Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2013-12-11; Просмотров: 487; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.069 сек.