Электрическая цепь постоянного тока. Параметры злементов цепи. Закон Ома

Электрической цепью называют совокупность устройств, предназначенных для питания, передачи, приема и преобразования электрической энергии.

Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, называют элементами электрической цепи. Часть электрической цепи, содержащую выделенные в ней элементы, называют участком цепи.

Элементы цепи, предназначенные для получения электрической энергии, называются источниками питания, а элементы, использующие электрическую энергию - приемниками электрической энергии.

В источниках питания происходит преобразование в электрическую энергию других видов энергий. Например, преобразование механической энергии в генераторах, химической в гальванических элементах и аккумуляторах при разрядке, тепловой в термоэлементах, световой в фотоэлементах.

В приемниках, наоборот, электрическая энергия преобразуется в иные виды энергий: механическую в электродвигателях, химическую в аккумуляторах при зарядке, тепловую в нагревательных приборах, световую в осветительных приборах.

Графические изображения электрических цепей называются принципиальными схемами. На принципиальных схемах показывается взаимодействие электротехнических устройств. Однако расчеты электрических цепей удобно выполнять в виде схем замещения.

На рис.1.1 изображена схема замещения электрической цепи, которая в дальнейшем будет называться просто схемой. Схема состоит из совокупности идеализированных элементов.

 

Рис 1.1. Электрическая цепь постоянного тока c нагрузочным сопротивлением

 

Элементы электрической цепи характеризуются параметрами. Параметром источника питания является электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС численно равна работе электрического поля по перемещению суммарного электрического заряда либо внутри источника при разомкнутой цепи, либо вдоль участка проводника при замкнутой цепи:

, (1.1)

где E - ЭДС в вольтах (В);

- работа электрического поля в джоулях (Дж);

Q - суммарный электрический заряд в кулонах (Кл).

Параметром приёмника является электрическое сопротивление (R). В электрическом сопротивлении энергия электрической цепи преобразуется либо в тепловую энергию, либо в световую энергию.

Сопротивление проводника R измеряется в омах (Ом) и определяется соотношением:

, (1.2)

где - удельное сопротивление материала проводника (Ом ∙ м),

- длина проводника (м),

- сечение проводника (м²).

Сопротивление проводника постоянному току зависит от температуры. Если температура изменяется от 0 до 100° C, то количественной оценкой зависимости сопротивления металлов от температуры служит температурный коэффициент сопротивления с единицей измерения 1/°C. Обозначив через и сопротивления соответственно при температурах и , можно выразить формулой:

. (1.3)

Источник питания обладает внутренним сопротивлением , а нагрузочное сопротивление на схеме имеет обозначение .

В замкнутой электрической цепи происходит непрерывное движение электрических зарядов, называемое электрическим током. Электрический ток в металлах и полупроводниковых приборах обусловлен упорядоченным движением свободным электронов. В электролитах (водные растворы солей, кислот и щелочей) электрический ток обусловлен упорядоченным движением положительных и отрицательных ионов под действием электрического поля.

Для количественной оценки силы тока служит величина, называемая силой тока. Принято считать направлением тока направление движения положительных зарядов, т.е. направление, обратное направлению движения электронов в проводнике.

Электрический ток, величина и направление которого остаются неизменным, называется постоянным током:

, (1.4)

где I - сила тока в амперах (A);

Q - суммарный электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в кулонах (Кл);

t – время, в секундах (с).

Для участка цепи с нагрузочным сопротивлением (рис. 1.1.) запишем соотношение:

, (1.5)

где U – напряжение в вольтах (В).

Выражение (1.5) является законом Ома для участка цепи: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку и обратно пропорционально нагрузочному сопротивлению.

Для цепи (рис.1.1) , , тогда ЭДС источника . Отсюда:

. (1.6)

Выражение (1.6) является законом Ома для всей цепи: сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорционально сопротивлению цепи.

Свойство элемента электрической цепи создавать магнитное поле, когда по нему протекает электрический ток, характеризуется параметром индуктивности L. В качестве индуктивности будем рассматривать катушку медного провода.

 

Рис 1.2. Электрическая цепь постоянного тока c индуктивностью

 

Индуктивность катушки определяется зависимостью:

(1.7)

где Ф - магнитный поток одного витка катушки в веберах (Вб);

- количество витков катушки;

- постоянный ток катушки в амперах (А);

- индуктивность катушки в генри (Гн).

На практике пользуются единицами измерения индуктивности: миллигенри (1мГн = 10 Гн) и микрогенри (1мкГн = 10 Гн).

Энергия магнитного поля катушки определяется зависимостью:

(Дж). (1.8)

Свойство элемента электрической цепи создавать электрическое поле, когда по нему протекает электрический ток, характеризуется параметром ёмкости С конденсатора. Конденсатор - устройство, состоящее из двух металлических проводников, разделенных диэлектриком, предназначенных для использования их ёмкости.

Рис 1.3. Электрическая цепь постоянного тока c ёмкостью

 

Ёмкость конденсатора определяется зависимостью:

, (1.9)

где - электрический заряд в кулонах (Кл);

- напряжение между пластинами конденсатора в вольтах (В);

- электрическая ёмкость конденсатора в фарадах (Ф).

На практике пользуются более мелкими единицами – микрофарадой

(1мкФ = 10 Ф) или пикофарадой (1пФ = 10 Ф). Энергия электрического поля конденсатора определяется зависимостью:

(Дж). (1.10)