Понятие о постоянном токе

Содержание

1. Понятие о постоянном  токе……………………………………………………3

2. Условия существования  постоянного электрического тока………………...3

3. Основные понятия……………………………………………………………...4

4. Электрическая цепь  и ее элементы……………………………………………5

5. Основные законы цепей  постоянного тока…………………………………...9

6. Закон Ома для всей  цепи……………………………………………………..10

7. Шунты и добавочные  сопротивления……………………………………….11

8. Правила Кирхгофа…………………………………………………………….12

Список литературы………………………………………………………………14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие о  постоянном токе

 Основные характеристики и законы цепи постоянного тока

Для практических целей необходим  постоянный ток, имеющий неизменное значение и протекающий в одном  направлении в течение любого времени. Чтобы получить такой непрерывный  электрический ток, нужно иметь  постоянное напряжение. Его создают  так называемые генераторы или источники  электродвижущей силы.

Наиболее простые цепи постоянного тока - линейные.

2. Условия существования постоянного электрического тока.

Для существования постоянного  электрического тока необходимо наличие  свободных заряженных частиц и наличие  источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.

Источник тока - устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию  электрического поля. В источнике  тока на заряженные частицы в замкнутой  цепи действуют сторонние силы. Причины  возникновения сторонних сил  в различных источниках тока различны. Например в аккумуляторах и гальванических элементах сторонние силы возникают благодаря протеканию химических реакций, в генераторах электростанций они возникают при движении проводника в магнитном поле, в фотоэлементах - при действия света на электроны в металлах и полупроводниках.

Электродвижущей силой источника  тока называют отношение работы сторонних  сил к величине положительного заряда, переносимого от отрицательного полюса источника тока к положительному.

3. Основные понятия

Сила тока - скалярная  физическая величина, равная отношению  заряда, прошедшего через проводник, ко времени, за которое этот заряд  прошел.

где I - сила тока, q - величина заряда (количество электричества), t - время прохождения заряда.

Плотность тока - векторная  физическая величина, равная отношению  силы тока к площади поперечного  сечения проводника.

где j -плотность тока,  S - площадь сечения проводника.

Направление вектора плотности  тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

Напряжение -  скалярная  физическая величина, равная отношению  полной работе кулоновских и сторонних  сил при перемещении положительного заряда на участке к значению этого  заряда.

где A - полная работа сторонних  и кулоновских сил,  q - электрический заряд.

Электрическое сопротивление - физическая величина, характеризующая  электрические свойства участка  цепи.

где ρ - удельное сопротивление  проводника, l - длина участка проводника,  S - площадь поперечного сечения проводника.

Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где  G -  проводимость.

4. Электрическая цепь и ее элементы

В электротехнике рассматривается  устройство и принцип действия основных электротехнических устройств, используемых в быту и промышленности. Чтобы  электротехническое устройство работало, должна быть создана электрическая  цепь, задача которой передать электрическую  энергию этому устройству и обеспечить ему требуемый режим работы.

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в  которых могут быть описаны с  помощью понятий об электрическом  токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.

Для анализа и расчета  электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов  и способы их соединения. Электрическая  схема простейшей электрической  цепи, обеспечивающей работу осветительной  аппаратуры, представлена на рис. 1.1.

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической  цепи, могут быть разделены на три группы:

1) Источники электрической энергии (питания).

Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

2) Потребители электрической энергии.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.

3) Вспомогательные элементы  цепи: соединительные провода, коммутационная  аппаратура, аппаратура защиты, измерительные  приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

В электрической схеме  на рис. 1.1 электрическая энергия  от источника ЭДС E, обладающего внутренним сопротивлением r₀, с помощью вспомогательных элементов цепи передаются через регулировочный реостат R к потребителям (нагрузке): электрическим лампочкам EL₁ и EL₂.

1.2. Основные понятия и  определения для электрической цепи

Для расчета и анализа  реальная электрическая цепь представляется графически в виде расчетной электрической  схемы (схемы замещения). В этой схеме  реальные элементы цепи изображаются условными обозначениями, причем вспомогательные  элементы цепи обычно не изображаются, а если сопротивление соединительных проводов намного меньше сопротивления  других элементов цепи, его не учитывают. Источник питания показывается как  источник ЭДС E с внутренним сопротивлением r₀, реальные потребители электрической энергии постоянного тока заменяются их электрическими параметрами: активными сопротивлениями R₁, R₂,…,R_n. С помощью сопротивления R учитывают способность реального элемента цепи необратимо преобразовывать электроэнергию в другие виды, например, тепловую или лучистую.

При этих условиях схема  на рис. 1.1 может быть представлена в  виде расчетной электрической схемы (рис. 1.2), в которой есть источник питания с ЭДС E и внутренним сопротивлением r₀, а потребители электрической энергии: регулировочный реостат R, электрические лампочки EL1 и EL₂ заменены активными сопротивлениями R,R₁ и R₂.

Рис. 1.2

Источник ЭДС на электрической  схеме (рис. 1.2) может быть заменен  источником напряжения U, причем условное положительное направление напряжения U источника задается противоположным направлению ЭДС.

При расчете в схеме  электрической цепи выделяют несколько  основных элементов.

Ветвь электрической цепи (схемы) – участок цепи с одним  и тем же током. Ветвь может  состоять из одного или нескольких последовательно соединенных элементов. Схема на рис. 1.2 имеет три ветви: ветвь bma, в которую включены элементы r₀,E,R и в которой возникает ток I; ветвь ab с элементом R₁ и током I₁; ветвь anb с элементом R₂ и током I₂.

Узел электрической цепи (схемы) – место соединения трех и более ветвей. В схеме на рис. 1.2 – два узла a и b. Ветви, присоединенные к одной паре узлов, называют параллельными. Сопротивления R₁ и R₂ (рис. 1.2) находятся в параллельных ветвях.

Контур – любой замкнутый  путь, проходящий по нескольким ветвям. В схеме на рис. 1.2 можно выделить три контура: I – bmab; II – anba; III – manbm, на схеме стрелкой показывают направление обхода контура.

Условные положительные  направления ЭДС источников питания, токов во всех ветвях, напряжений между  узлами и на зажимах элементов  цепи необходимо задать для правильной записи уравнений, описывающих процессы в электрической цепи или ее элементах. На схеме (рис. 1.2) стрелками укажем положительные  направления ЭДС, напряжений и токов:

а) для ЭДС источников – произвольно, но при этом следует  учитывать, что полюс (зажим источника), к которому направлена стрелка, имеет  более высокий потенциал по отношению к другому полюсу;

б) для токов в ветвях, содержащих источники ЭДС – совпадающими с направлением ЭДС; во всех других ветвях произвольно;

в) для напряжений – совпадающими с направлением тока в ветви или элемента цепи.

Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные.

Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление  и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным, например электропечь.

Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при  повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке.

Следовательно, в линейной электрической цепи все элементы – линейные, а нелинейной называют электрическую цепь, содержащую хотя бы один нелинейный элемент.

5. Основные законы цепей постоянного тока

Расчет и анализ электрических  цепей производится с использованием закона Ома, первого и второго  законов Кирхгофа. На основе этих законов  устанавливается взаимосвязь между  значениями токов, напряжений, ЭДС всей электрической цепи и отдельных  ее участков и параметрами элементов, входящих в состав этой цепи.

Закон Ома для участка  цепи

Соотношение между током I, напряжением UR и сопротивлением R участка аb электрической цепи (рис. 1.3) выражается законом Ома

 или U_R=RI.     (1.1)

В этом случае U_R=RI – называют напряжением или падением напряжения на резисторе R, а

 – током в резисторе R.

При расчете электрических  цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением R, а величиной  обратной сопротивлению, т.е. электрической  проводимостью:

В этом случае закон Ома  для участка цепи запишется в виде:

I=Ug.

6. Закон Ома для всей цепи

Этот закон определяет зависимость между ЭДС E источника  питания с внутренним сопротивлением r₀ (рис. 1.3), током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением RЭ=r₀+R всей цепи:

   (1.2)

Сложная электрическая цепь содержит, как правило, несколько  ветвей, в которые могут быть включены свои источники питания и режим ее работы не может быть описан только законом Ома. Но это можно выполнить на основании первого и второго законов Кирхгофа, являющихся следствием закона сохранения энергии.

7. Шунты и добавочные сопротивления

Шунт - сопротивление, подключаемое параллельно к амперметру (гальванометру), для расширения его шкалы при измерении силы тока.

Если  амперметр рассчитан  на силу тока I₀ , а с помощью него необходимо измерить силу тока, превышающую в n раз допустимое значение, то сопротивление, подключаемого шунта должно удовлетворять следующему условию:

Добавочное сопротивление - сопротивление, подключаемое последовательно  с вольтметром (гальванометром),  для расширения его шкалы при измерении напряжения.

Если  вольтметр рассчитан  на напряжение U₀ , а с помощью него необходимо измерить напряжение, превышающее в n раз допустимое значение, то добавочное сопротивление должно удовлетворять следующему условию:

8. Правила Кирхгофа

Для расчета разветвленных  цепей, содержащих неоднородные участки, используют правила Кирхгофа. Расчет сложных цепей состоит в отыскании  токов в различных участках цепей.

Узел - точка разветвленной  цепи, в которой сходится более  двух проводников.

1 правило Кирхгофа: алгебраическая  сумма сил токов, сходящихся  в узле, равна нулю;

где n - число проводников, сходящихся в узле, I_i - сила тока в проводнике.

токи, входящие в узел считают  положительными, токи, отходящие из узла - отрицательными.

2 правило Кирхгофа: в любом  произвольно выбранном замкнутом  контуре разветвленной цепи алгебраическая  сумма произведений сил токов  и сопротивлений каждого из  участков этого контура равна  алгебраической сумме ЭДС в  контуре.