Здавалка
Главная | Обратная связь

ПЕРШИЙ ЗАКОН КІРХГОФА



ЕЛЕКТРИЧНІ КОЛА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

ЕЛЕКТРИЧНЕ КОЛО

Електричним колом називається сукупність джерела живлення, споживача енергії, вимикаючого пристрою, вимірювальних приладів і з'єднувальних проводів. Електричне коло (рис. 2.1) складається з двох частин — внутрішньої, до якої належить джерело живлення, та зовнішньої, до якої входить решта елементів кола. Обов'язковою умовою проходження струму в колі є його замкненість.

В електричному колі енергія перетворюється двічі. Перший раз — у джерелі живлення. Тут теплова енергія палива, кінетична енергія вітру чи води, атомна чи хімічна енергія через проміжні установки (парові котли з паровими турбінами чи машинами, двигуни внутрішнього згоряння, вітродвигуни, водяні турбіни, ядерні реактори з парогенераторами та турбінами, акумуляторні батареї тощо) перетворюється в енергію електричну. Вдруге перетворення енергії відбувається в споживачі. Тут електрична енергія перетворюється в механічну (привод машини, знаряддя), хімічну (заряджання акумулятора) чи теплову (розжарювання волоска електролампи).

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

Під час руху в провіднику електрони та іони, що є носіями елементарних електричних зарядів, за кожну одиницю часу переносять через поперечний переріз провідника певний електричний заряд.

Силою струму називається кількість електрики (заряд) Q, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу t:

(2.1)

Струм називається постійним, якщо протягом довгого часу , не змінюються ні його сила, ні напрям. Одиницею сили струму в СІ в ампер (А). Застосовуються також дрібніші одиниці: міліампер, який дорівнює 0,001 А, та мікроампер, який дорівнює

10-6 А. Відповідно до (2.1) 1А = 1Кл/с тобто один ампер дорівнює одному кулону за секунду.

За напрям електричного струму в зовнішній частині електричного кола умовно прийнято напрям руху позитивно зарядженої частинки.

У зовнішній частині кола струм іде від позитивного затискача до негативного, а у внутрішній — навпаки.

У практичних розрахунках часто користуються густиною струму j — відношенням сили струму I до площі поперечного перерізу S провідника:

(2.2)Одиницею густини струму в СІ є ампер на квадратний метр (А/м2). Часто вживається значно більша одиниця — ампер на квадратний міліметр (А/мм2).

Якщо в провідниках першого роду (металах) струм — це потік вільних електронів, то в провідниках другого роду (електролітах) рухаються іони, тобто частинки самої речовини. Це явище називається електролізом. Воно широко застосовується в практиці для таких цілей:

виділення кольорових металів з розчинів їх сполук (добування електролітичної міді, алюмінію тощо);

покриття одних металів іншими (нікелювання, хромування) в гальваностегії;

утворення складних рельєфних виробів з металу (художні вироби тощо) в гальванопластиці.

 

ОПІР І ПРОВІДНІСТЬ

У провідниках першого роду, тобто в металах, вільні електрони під час руху в міжатомному просторі провідника безперервно наштовхуються на атоми та молекули, а також на інші електрони. При цих зіткненнях витрачається енергія. Отже, електрони тут зазнають певного електричного опору.

Опір позначається літерою R і виражається в омах. Застосовуються також більші одиниці — кілоом (1000 Ом) і мегаом (1 000 000 Ом).

Опір провідника залежить від його матеріалу, довжини, площі поперечного перерізу та температури. Залежність опору від матеріалу пояснюється тим, що в різних матеріалів різна мікроструктура, тобто взаємне розташування атомів і молекул, а значить, неоднакові й умови проходження електронів.

При розрахунках кіл електричні властивості матеріалу провідника враховуються його питомим опором.

Питомим опором називається опір провідника, виготовленого з даного матеріалу завдовжки в 1 м поперечним перерізом у 1 мм2 при температурі 20 °С.

Питомий опір провідника позначається літерою ρ, виражається в ом-метрах і визначається за формулою

(2.3)

де R — опір провідника, Ом; S — площа його перерізу, мм2; l — довжина провідника, м.

Зі збільшенням площі поперечного перерізу провідника зростає число шляхів для проходження електронів; рухаючись в одному напрямі, при цьому вони менше заважають один одному. Опір провідника обернено пропорційний площі його поперечного перерізу.

З підвищенням температури опір майже всіх провідників (крім вугілля та рідин) збільшується. Це пояснюється тим, що зі зростанням температури частішають коливальні рухи молекул і атомів матеріалу провідника; тому ймовірність зіткнення з ними вільних електронів збільшується. Залежність опору провідника від температури враховується температурним коефіцієнтом опору α.

Температурний коефіцієнт опору — це число, що показує, наскільки змінюється опір провідника на кожний ом його початкового опору при зміні температури матеріалу на 1 °С

(2.4)

де Rt — опір провідника при зміненій температурі t, R0 — його опір при початковій температурі t0.

З випливає, що опір провідника при температурі 20 °С, яка називається нормальною, можна визначити за формулою

(2.5)

Для перерахунку опору провідника при температурі, що відрізняється від 20 °С, застосовують співвідношення (2.4).

Іноді користуються величиною, оберненою опору, яка називається провідністю:

(2.6)

Одиницею провідності в СІ є сименс (См).

Наведемо основні властивості провідників, які використовуються в техніці. Вони бувають тверді, рідкі та газоподібні.

Тверді провідники. В свою чергу, вони поділяються на провідники великої провідності та великого опору. Перші застосовуються для виготовлення проводів, кабелів, шин, різних обмоток. Це насамперед мідь і алюміній, а також сталь (галузь ЇЇ застосування як провідника обмежена) і біметал (шар міді, наплавлений на сталь). До цієї групи слід віднести провідники з графіту, що використовуються в основному при виготовленні електродів для електроплавильних печей та освітлювальних приладів із застосуванням електричної дуги.

Другі використовуються при виготовленні електронагрівальних приладів, електроламп, різних резисторів. Вони мають великий питомий опір і жаростійкість. До них належать манганін (сплав міді, марганцю та нікелю), константан (сплав міді та нікелю), ніхром (сплав заліза, хрому, нікелю та марганцю), фехраль (сплав заліза, алюмінію та хрому). Всі тверді провідники є провідниками першого роду.

Рідкі провідники. До цієї групи належать різні електроліти (розчини солей, кислот і лугів у воді), а також розплавлені метали (в електроплавильних печах). Електроліти широко застосовуються для виготовлення гальванічних елементів і акумуляторів, а також в електрохімічній промисловості. Всі рідкі провідники є провідниками . другого роду.

Газоподібні провідники. Це різні гази та пари. При низькій температурі й невеликій напруженості електричного поля вони не є провідниками. Коли температуру та напруженість електричного поля збільшити, газ іонізується і стає струмопровідним. Ці провідники широко використовуються при виготовленні люмінесцентних ламп.

ЗАКОНИ ОМА

Щоб виміряти електрорушійну силу (е. р. с.) джерела живлення GB електричного кола (рис. 2.2), вольтметр PV1 треба ввімкнути при розімкненому вимикачі SA.

Якщо замкнути вимикач, то в колі, переборюючи опори зовнішньої частини R і внутрішньої частини R0, виникне струм І.

Частина е. p. c. E, що витрачається на подолання опору R, називається спадом напруги в зовнішній частині кола (U), а вимірюється цей спад вольтметром PV2; друга частина цієї е. р. с, яка витрачається на подолання опору R0, називається спадом напруги у внутрішній частині кола (U0). Таким чином,

(2.7)

Для практичних цілей дуже важливо знати залежність між струмом, е. р. с. та опором у колі.

Експериментально встановлено, що зі збільшенням е. р. с. джерела живлення при незмінному опорі в колі струм зростає пропорційно їй; зі збільшенням опору в колі при незмінній є. р. с. струм пропорційно йому зменшується, а при зменшенні опору — збільшується. Для всього кола ці залежності можна виразити таким рівнянням:

(2.8)

Закон Ома для повного кола: сила струму в колі прямо пропорційна е. р. с. джерела живлення й обернено пропорційна сумі опорів зовнішньої та внутрішньої частин кола.

Рівняння (2.8) дійсне не тільки для всього кола, а й для кожної його частини. Якщо розглядати лише зовнішню частину кола, то можна записати

(2.9)

Закон Ома для ділянки кола: сила струму на ділянці кола прямо пропорційна спаду напруги на цій ділянці й обернено пропорційна її опору.

Закон Ома для внутрішньої частини кола матиме такий вигляд:

(2.10)

Сила струму І, як і в кожному нерозгалуженому колі, на всіх ділянках буде однаковою.

Якщо з (2.9) і (2.10) знайти відповідно значення U та U0, то після підставлення їх у (2.7) дістанемо рівняння

(2.11)

тобто є. р. с у колі дорівнює сумі спадів напруг на його зовнішній та внутрішній частинах кола.

Закон Ома — один з основних законів електротехніки. Він використовується при розрахунках як елементарних кіл, що зустрічаються в практиці заводського електромонтера, так і складних кіл з різними видами навантажень.

РОБОТА ТА ПОТУЖНІСТЬ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

У замкненому електричному колі виконується неперервна робота А по переміщенню електричних зарядів Q. На здійснення цієї роботи витрачається енергія W, здобута від джерела живлення.

На підставі формули маємо (2.12)

З (2.1) випливає, що

Тоді (2.13)


Вироблювана в колі енергія W витрачається в його зовнішній частині (струмоприймачі) та внутрішній частині (джерелі живлення), тобто

(2.14)


Енергія, що витрачається в струмоприймачі, (2.15)

Завдяки їй виконується корисна робота (розжарювання волоска електролампи, обертання електродвигуна тощо).

Енергія, що витрачається всередині джерела живлення,

(2.16)

Ця частина енергії на виконання корисної роботи не використовується; вона витрачається на нагрівання джерела живлення.

Робота, виконана за одиницю часу, називається потужністю:

(2.17)

В електричному колі розрізняють потужність джерела живлення (Р), потужність споживача (Р1) і потужність втрат (Р0). Відповідно до (2.13), (2.15)-(2.17) маємо

(2.18)

(2.19)

(2.20)

Одиницею потужності в СІ є ват (Вт), причому Ват — невелика одиниця.

Більш поширеною одиницею потужності є кіловат (кВт), який дорівнює 1000 Вт.

Електрична енергія виражається в джоулях. Користуючись (2.17), можна записати

1 Дж = 1 Вт 1 с.

ПЕРШИЙ ЗАКОН КІРХГОФА

Найпростіші нерозгалужені замкнені електричні кола можна розраховувати за допомогою закону Ома. При розрахунку розгалужених електричних кіл використовують два закони Кірхгофа.

Перший закон Кірхгофа стосується розгалужених електричних кіл, де є одне джерело живлення. На рис. 2.3 показано вузлову точку О електричного кола.

 

Експериментально встановлено, що сума струмів, які приходять до вузлової точки кола, дорівнює сумі струмів, які виходять з цієї точки. З рис. 2.3 випливає, що

або

тобто

(2.21)


На підставі (2.21) перший закон Кірхгофа можна сформулювати так: алгебрична сума струмів у вузлі електричного кола дорівнює нулю.








©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.