Запомните!

Раздел 1 Электрические и магнитные цепи

Тема 1.1. Электрические цепи постоянного тока

Основные понятия и определения теории электрических цепей

· Электрическая цепь - совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. Цепь образуется источниками энергии (генераторами), потребителями энергии (нагрузками), системами передачи энергии (проводами).

Элементы электрических цепей могут соединяться в схемах различными способами. Для каждого из них существуют определенные закономерности, установленные и сформулированные учеными Омом и Кирхгофом. Соединение потребителей в электрических цепях может быть последовательным, параллельным и комбинированным.

Рассмотрим самую простую последовательную (рис.1), параллельную (рис.2) и комбинированную (рис.3) электрическую цепь. Из чего они состоит? В них есть генератор – источник тока, приемник (например, лампочка или электродвигатель), а также система передачи (провода). Чтобы цепь стала именно цепью, а не набором проводов и батареек, ее элементы должны быть соединены между собой проводниками. Ток может течь только по замкнутой цепи.

Конечно, источник, приемник и провода – самый простой вариант для элементарной электрической цепи. В реальности в разные цепи входит еще множество элементов и вспомогательного оборудования: резисторы, конденсаторы, рубильники, амперметры, вольтметры, выключатели, контактные соединения, трансформаторы и прочее.

Рис.1

Принципиальная схема последовательного соединения:

В данном случае с увеличением количества потребителей, происходит рост общего сопротивления цепи. Отсюда следует, что значение общего сопротивления будет состоять из суммы сопротивлений каждой подключенной нагрузки. Поскольку на всех участках цепи проходит одинаковый ток, в связи с этим на каждый элемент распределяется только часть общего напряжения. Если какой-либо прибор или устройство перестает работать, наступает разрыв цепи. То есть, при выходе из строя хотя бы одной лампочки, остальные тоже не будут работать, как это случается, например, в елочных гирляндах. Однако в последовательную цепь можно включить большое количество элементов, каждый из которых рассчитан на значительно меньшее сетевое напряжение.

Рис.2

Принципиальная схема параллельного соединения:

В данном случае к двум точкам электрической цепи подключается сразу несколько потребителей. Напряжение на каждом участке будет равно напряжению, приложенному к каждой узловой точке.

Рис.3

Принципиальная схема комбинированного соединения:

Под смешанным соединением приемников понимают такое их соединение, когда часть или несколько из них соединены между собой последовательно, а другая часть или несколько — параллельно. При этом вся цепь может быть образована из разных соединений таких частей между собой.

Некоторые элементы электрических цепей приведены в табл. 1

Табл. 1

· Активные и пассивные элементы электрической цепи

Все элементы электрических цепей можно разделить на активные и пассивные. Активные элементы цепи – это те элементы, которые индуцируют ЭДС (электродвижущая сила). К ним относятся источники тока, аккумуляторы, электродвигатели. Пассивные элементы – соединительные провода и электроприемники (резисторы R, конденсаторы C, катушка индуктивности L).

· Электрический ток

Электрический ток — это направленное движение электрических зарядов по проводнику. Направлением электрического тока следовало бы считать направление движения свободных электронов по металлическому проводнику, однако за него условно принято направление движения положительных зарядов в проводнике. Эта условность сложилась исторически и в настоящее время сохранила свою силу в электротехнике. Практически электрический ток получают от специальных источников: гальванических элементов, аккумуляторов, генераторов. Электрический ток непосредственно наблюдать нельзя. О прохождении тока можно судить только по тем действиям, которые он оказывает.

Запомните признаки, по которым судят о наличии электрического тока:

■ проводник, по которому проходит электрический ток, нагревается;

■ электрический ток, проходя по проводнику, создает вокруг него магнитное поле;

■ ток, проходя через растворы солей, щелочей, кислот, а также через расплавленные соли, разлагает их на составные части.

Если через поперечное сечение проводника проходит q Кл (кулонов) электричества за t с, то количество электричества, прошедшего через поперечное сечение проводника в течение 1 с, называется величиной тока и обозначается буквой I:

Единицей измерения тока является ампер (А), определяемый как количество электричества в 1 Кл, прошедшего через поперечное сечение проводника в 1 с:

Ток в электрической цепи измеряется амперметром (рис. 4). Амперметр включается в электрическую цепь последовательно. Ток, не изменяющийся по величине и направлению, называется постоянным током. Постоянный ток дают гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока.

а) б)

Рис.4. Амперметр: а - внешний вид; б - схема подключения

Перемещение электронов в определенном направлении и возникновение электрического тока возможно не во всех материалах. Например, в фарфоре, резине, мраморе, слюде свободных электронов практически нет, а все имеющиеся электроны прочно связаны с ядром. Поэтому электрические поля зарядов не могут вызвать перемещения электронов в определенном направлении и по таким материалам электрический ток не проходит. Эти материалы называются диэлектриками, или изоляторами. К диэлектрикам относятся воздух, газ, слюда, мрамор, пластмасса, лаки и эмали, электрофарфор, лакоткани, стекловолокно и многие другие материалы. В металлах, наоборот, много свободных электронов, и под действием сил электрического поля происходит перемещение электрических зарядов. Поэтому по металлу будет протекать электрический ток. Материалы, проводящие электрический ток, называются проводниками. Впервые описание проводников было приведено еще в XIV в. К ним относятся металлы, растворы солей, кислот и щелочей.

· Электрическое поле

Электрическое поле — это особый, отличный от вещества, вид материи, через которую передается действие одних заряженных тел на другие. Электрическое поле неотделимо от заряда, существует вместе с ним и окружает его. Под действием сил электрического поля происходит взаимодействие зарядов — их взаимное притяжение и отталкивание. Электрическое поле возникает вокруг заряда в любой среде и даже в вакууме. Поле всякого заряженного тела составлено из полей, принадлежащих отдельным элементарным зарядам — электронам и протонам. Если в электрическое поле поместить пробный положительный заряд, то силы этого поля окажут на него воздействие, стремясь переместить его в определенном направлении.

Рис.5

Условное обозначение электрического поля:

а — положительный заряд; б — отрицательный заряд; в — два разноименных заряда; г — одноименные заряды

Линия, по которой будет перемещаться пробный положительный заряд под действием сил электрического поля, называется силовой линией. Электрическое поле изображается с помощью силовой линий (рис.5). Электрическое поле, воздействующее на заряд так, что скорость движения последнего увеличивается, называется ускоряющим электрическим полем. Если заставить электрический заряд двигаться навстречу действию сил поля, то энергия электрического поля будет возрастать, а скорость движения заряда уменьшаться. Такое поле называется тормозящим электрическим полем.

· Напряженность поля

Электрическое поле в каждой своей точке характеризуется напряженностью. Чем больше сила F, с которой электрическое поле действует на заряд q, внесенный в его пределы, тем больше напряженность поля. В различных точках электрического поля напряженность может быть разной. Напряженность поля, В/м, определяется формулой:

где F — сила действия электрического поля на заряд, Н;

q — величина электрического заряда, Кл.

Не следует путать понятия «напряженность электрического поля»и«напряжение».

Запомните!

Напряженность электрического поля характеризует поле в какой-либо одной точке посредством силы, действующей на единичный заряд, внесенный в эту точку, а напряжение — это разность потенциалов между двумя точками электрического поля, т. е. работа, совершаемая силами поля при перемещении единичного заряда из одной точки в другую.

· Электрическое сопротивление и проводимость

Направленному движению электрических зарядов в любом проводнике препятствуют молекулы и атомы этого проводника. Поэтому и внешний участок электрической цепи, и внутренний (внутри самого источника энергии) оказывают препятствие прохождению тока. В Величина, характеризующая противодействие электрической цепи прохождению электрического тока, называется электрическим сопротивлением. Электрическое сопротивление обозначается буквой R и изображается на электрических схемах так, как показано на рис.4 б). Единицей измерения сопротивления является ом. Электрическое сопротивление линейного проводника, в котором при неизменяющейся разности потенциалов в 1 В протекает ток силой в 1 А, равно 1 Ом:

При измерении больших сопротивлений используют единицы в 1 000 (килоомы) и 1 млн раз (мегаомы) больше 1 Ом:

1 кОм = 1 000 Ом;

1 МОм = 1 000 000 Ом.

Для относительной оценки электрических свойств материала проводника служит его удельное сопротивление.

Удельное сопротивление — это сопротивление металлического проводника длинной 1 м и площадью перечного сечения 1 обозначается р и измеряется в Ом • м или Ом • мм2/м.

Если проводник, изготовленный из материала с удельным сопротивлением р, имеет длину ᶩ, м, и площадь поперечного сечения S, м2, то сопротивление R этого проводника, Ом, определяется по формуле:

Сопротивление проводников зависит от температуры. Сопротивление металлических проводников с повышением температуры увеличивается. Эта зависимость достаточно сложная, но в относительно узких пределах изменения температуры (примерно до 200 °С) можно считать, что для каждого металла существует определенный, так называемый температурный, коэффициент сопротивления, а который выражает прирост сопротивления проводника ∆R при изменении температуры на 1 °С, отнесенный к 1 Ом начального сопротивления. Таким образом, температурный коэффициент сопротивления

а прирост сопротивления:

где — сопротивление проводника при температуре ,; — сопротивление того же проводника при температуре . Способность проводника пропускать электрический ток характеризуется проводимостью, которая представляет собой величину, обратную сопротивлению, и обозначается буквой Единицей измерения проводимости в СИ является 1/Ом (сименс). Таким образом,

Величина, обратная удельному сопротивлению материала проводника, называется удельной проводимостью и обозначается буквой у. Таким образом, между удельным сопротивлением и удельной проводимостью материала имеет место следующее соотношение:

Удельные сопротивления различных проводников приведены в табл. 2

Табл. 2

· Закон Ома

Немецкий физик Георг Ом (1787— 1854) экспериментально установил зависимость между электродвижущей силой (ЭДС) Е, сопротивлением R и током I в замкнутой электрической цепи (рис. 2.5). Н Закон Ома формулируется следующим образом: сила тока в замкнутой электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению всей цепи. Ток в цепи возникает под действием ЭДС Е. Чем больше ЭДС Е источника энергии, тем больше ток I в замкнутой цепи. Сопротивление цепи R препятствует прохождению тока, следовательно, чем больше сопротивление R цепи, тем меньше ток I. Закон Ома можно выразить следующей формулой:

(1.1)

или

где R — сопротивление внешней части цепи; R, — внутреннее сопротивление источника. В этих формулах ток выражен в амперах (А), ЭДС — в вольтах (В), сопротивление — в омах (Ом). Сопротивление всей цепи (см. рис. 6)

Рис. 6 Электрическая цепь к закону Ома

Из закона Ома для замкнутой цепи получим:

E = IR + I = U + I , (1.2)

где IR — падение напряжения в сопротивлении R, т. е. во внешней цепи, или напряжение на зажимах источника энергии (генератора); I — падение напряжения в сопротивлении , т. е. внутри источника энергии (генератора).

Запомните Закон Ома справедлив не только для всей цепи, но и для любого ее участка: сила тока на участке электрической цепи равна напряжению на зажимах этого участка, деленному на его сопротивление:

Напряжение на участке цепи равно произведению силы тока на сопротивление этого участка, т. е. U= IR

Для измерения силы тока в электрической цепи используют прибор амперметр, а для измерения напряжения — вольтметр. Для включения амперметра цепь тока разрывается и в месте разрыва концы проводов присоединяются к зажимам амперметра (см. рис. 6). Таким образом через прибор проходит весь измеряемый ток. Вольтметр подключают к началу и концу участка цепи; такое включение вольтметра называется параллельным (см. рис. 6). Вольтметр показывает падение напряжения на данном участке. Если вольтметр подключить к началу внешней цепи — положительному полюсу источника энергии и к концу внешней цепи — отрицательному полюсу источника энергии, то он покажет падение напряжения во всей внешней цепи, которое является в то же время напряжением на зажимах источника энергии. Из формулы (1.2) следует, что напряжение на зажимах источника электрической энергии (генератора)

U = E-I

При холостом ходе внешняя цепь разомкнута и тока в цепи нет, вследствие чего U = Е. При замкнутой цепи напряжение не равно ЭДС и чем больше сила тока в цепи, тем больше напряжение отучается от ЭДС.

Если зажимы источника электрической энергии соединить проводником с сопротивлением, практически равным нулю, то формула (1.1) для этого случая примет следующий вид:

Это выражение определяет наибольший ток, который может быть получен в цепи данного источника. Если сопротивление внешней электрической цепи практически равно нулю, то такой режим называется коротким замыканием.

Запомните!

Возникновение короткого замыкания может привести к аварийному режиму в цепи. Для источников с малым внутренним сопротивлением, например, электрических генераторов и кислотных аккумуляторов, короткое замыкание весьма опасно. Короткое замыкание возникает достаточно часто, например, вследствие порчи изоляции проводов, соединяющих приемник с источником электрической энергии. Для защиты электротехнической аппаратуры от токов короткого замыкания применяют различные автоматические предохранительные устройства.

Контрольные вопросы

1. Как включается амперметр в электрическую цепь?

2. Что называется напряженностью электрического поля?

3. Что называется электрическим полем?

4. От каких параметров зависит удельное сопротивление металлического проводника?