Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.

Δ Q = Δ A = R I ² Δ t.

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока Δ A к интервалу времени Δ t, за которое эта работа была совершена:

Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. Закон Ома для полной цепи записывается в виде

(R + r) I =

Умножив обе части этой формулы на Δ q = I Δ t, мы получим соотношение, выражающее закон сохранения энергии для полной цепи постоянного тока:

R I ²Δ t + r I ²Δ t =

I Δ t = Δ A _ст.

Первый член в левой части Δ Q = R I ²Δ t – тепло, выделяющееся на внешнем участке цепи за время Δ t, второй член Δ Q _ист = r I ²Δ t – тепло, выделяющееся внутри источника за то же время.

Выражение I Δ t равно работе сторонних сил Δ A _ст, действующих внутри источника.

При протекании электрического тока по замкнутой цепи работа сторонних сил Δ A _ст преобразуется в тепло, выделяющееся во внешней цепи (Δ Q) и внутри источника (Δ Q _ист).

Δ Q + Δ Q _ист = Δ A _ст =

I Δ t

Следует обратить внимание, что в это соотношение не входит работа электрического поля. При протекании тока по замкнутой цепи электрическое поле работы не совершает; поэтому тепло производится одними только сторонними силами, действующими внутри источника. Роль электрического поля сводится к перераспределению тепла между различными участками цепи.

Внешняя цепь может представлять собой не только проводник с сопротивлением R, но и какое-либо устройство, потребляющее мощность, например, электродвигатель постоянного тока. В этом случае под R нужно понимать эквивалентное сопротивление нагрузки. Энергия, выделяемая во внешней цепи, может частично или полностью преобразовываться не только в тепло, но и в другие виды энергии, например, в механическую работу, совершаемую электродвигателем. Поэтому вопрос об использовании энергии источника тока имеет большое практическое значение.

Полная мощность источника, то есть работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равна

Во внешней цепи выделяется мощность

Отношение равное

называется коэффициентом полезного действия источника.

На рис. 1.11.1 графически представлены зависимости мощности источника P _ист, полезной мощности P, выделяемой во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением r. Ток в цепи может изменяться в пределах от I = 0 (при ) до (при R = 0).

Рисунок 1.11.1. Зависимость мощности источника P _ист, мощности во внешней цепи P и КПД источника η от силы тока

Из приведенных графиков видно, что максимальная мощность во внешней цепи P _max, равная

достигается при R = r. При этом ток в цепи

а КПД источника равен 50 %. Максимальное значение КПД источника достигается при I → 0, т. е. при R → ∞. В случае короткого замыкания полезная мощность P = 0 и вся мощность выделяется внутри источника, что может привести к его перегреву и разрушению. КПД источника при этом обращается в нуль.

2.Электрические цепи однофазного синусоидального тока.

3. P-n переход. Механизм образования P-n перехода.

p-n (пэ-эн) переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому, такой переход ещё называют электронно — дырочным переходом.

Всего есть два типа полупроводников это p и n типа. В n — типе основными носителями заряда являются электроны, а в p — типе основными — положительно заряженные дырки. Положительная дырка возникает после отрыва электрона от атома и на месте него образуется положительная дырка.

Что бы разобраться как работает p-n переход надо изучить его составляющие то есть полупроводник p — типа и n — типа.

Полупроводники p и n типа изготавливаются на основе монокристаллического кремния, имеющего очень высокую степень чистоты, поэтому малейшие примеси (менее 0,001%) существенным образом изменяют его электрофизические свойства.

В полупроводнике n типа основными носителями заряда являются электроны. Для получения их используют донорные примеси, которые вводятся в кремний, — фосфор, сурьма, мышьяк.

В полупроводнике p типа основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки. Для получения их используют акцепторные примеси — алюминий, бор.

Полупроводник n — типа (электронной проводимости)

Примесный атом фосфора обычно замещает основной атом в узлах кристаллической решетки. При этом четыре валентных электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних четырех атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый валентный электрон атома фосфора оказывается слабо связанным со своим атомом и под действием внешних сил (тепловые колебания решетки, внешнее электрическое поле) легко становится свободным, создавая повышенную концентрацию свободных электронов. Кристалл приобретает электронную проводимость или проводимость n-типа. При этом атом фосфора, лишенный электрона, жестко связан с кристаллической решеткой кремния положительным зарядом, а электрон является подвижным отрицательным зарядом. При отсутствии действия внешних сил они компенсируют друг друга, т. е. в кремнии n-типа количество свободных электронов проводимости определяется количеством введенных донорных атомов примеси.

Полупроводник p — типа (дырочной проводимости)

Атом алюминия, имеющий только три валентных электрона, не может самостоятельно создать устойчивую восьмиэлектронную оболочку с соседними атомами кремния, так как для этого ему необходим еще один электрон, который он отбирает у одного из атомов кремния, находящегося поблизости. Атом кремния, лишенный электрона, имеет положительный заряд и, так как он может захватить электрон соседнего атома кремния, его можно считать подвижным положительным зарядом, не связанным с кристаллической решеткой, называемым дыркой. Атом алюминия, захвативший электрон, становится отрицательно заряженным центром, жестко связанным с кристаллической решеткой. Электропроводность такого полупроводника обусловлена движением дырок, поэтому он называется дырочным полупроводником р-типа. Концентрация дырок соответствует количеству введенных атомов акцепторной примеси.

Образование p-n-перехода

При соприкосновении двух полупроводников в приграничном слое происходит воссоединение дырок и электронов. Образуется слой, лишенный свободных носителей (толщиной l), он обладает высоким сопротивлением и называется запирающим слоем. Контактная разность потенциалов Езап.
Запирающий слой препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда (Iдр).

Дрейфовый ток Iдр при движении через p-n-переход снижает контактную разность потенциалов (Езап). Это позволяет некоторой части основных носителей преодолеть потенциальный барьер, появляется диффузионный ток Iдиф. Он направлен навстречу дрейфовому.

Iдиф = Iдр

Билет №6

1.Электрическая цепь постоянного тока. Закон Ома для участка цепи.

Электрические цепи постоянного тока

В одноконтурной электрической цепи постоянного тока ЭДС Е, направленная внутри источника электрической энергии от отрицательного полюса к положительному, возбуждает ток I того же направления, который определяют по закону Ома для всей цепи: I = E / (R + Rвт), где R — сопротивление внешней цепи, со стоящей из приемника и соединительных проводов, Rвт — сопротивление внутренней цепи, в которую входит источник электрической энергии. Если сопротивления всех элементов электрической цепи не зависят от значения и направления тока и ЭДС, то их, а также саму цепь, называют линейными. В одноконтурной линейной электрической цепи постоянного тока с одним источником электрической энергии ток прямо пропорционален ЭДС и обратно пропорционален общему сопротивлению цепи.

Рис. 1. Схема одноконтурной электрической цепи постоянного тока Из приведенной выше формулы следует, что E - RвтI = RI, откуда I = (E - PвтI) / R или I = U / R, где U = E — RвтI является напряжением источника электрической энергии, которое направлено от положительного полюса к отрицательному. При неизменной ЭДС напряжение зависит только от тока, определяющего падение напряжения RвтI внутри источника электрической энергии, если сопротивление внутренней цепи Rвт = const. Выражение I = U / R является законом Ома для участка цепи, к зажимам которого приложено напряжение U, совпадающее по направлению с током I этого же участка. Зависимость напряжения от тока U(I) при Е = const и Rвт = const называют внешней, или вольт-амперной характеристикой линейного источника электрической энергии (рис. 2), по которой можно для любого тока I определить соответствующее ему напряжение U, а по приводимым ниже формулам - рассчитать мощность приемника электрической энергии: P₂ = RI² = E2R / (R +Rвт)², мощность источника электрической энергии: P1 = (R + Rвт) I² = E² / (R + Rвт) и кпд установки в цепях постоянного тока: η = P2 / P1 = R / (R + Rвт) = 1 / (1 + Rвт / R)

Рис. 2. Внешняя (вольт-амперная) характеристика источника электрической энергии Точка X вольт-амперной характеристики источника электрической энергии отвечает режиму холостого хода (х. х.) при разомкнутой цепи, когда ток Iх = 0, а напряжение Ux = Е. Точка Н определяет номинальный режим, если напряжение и ток соответствуют их номинальным значениям Uном и Iном, приведенным в паспорте источника электрической энергии. Точка К характеризует режим короткого замыкания (к. з.), возникающий при соединении между собой зажимов источника электрической энергии, при котором внешнее сопротивление R =0. В этом случае возникает ток короткого замыкания Iк = Е / Rвт, который во много раз превышает номинальный ток Iном из-за того, что внутреннее сопротивление источника электрической энергии Rвт < R. При этом режиме напряжение на зажимах источника электрической энергии Uк = 0. Точка С отвечает согласованному режиму, при котором сопротивление внешней цепи R равно сопротивлению внутренней цели Rвт источника электрической энергии. В этом режиме возникает ток Ic = E / 2Rвт внешней цепи отвечает наибольшая мощность P2max = E2 / 4Rвт, а коэффициент полезного действия (кпд) установки ηс = 0,5. Согласованный режим, при котором: P2 / P2max = 4R² / (R + Rвт)² = 1 и Ic = E / 2R = I

Рис. 3. Графики зависимостей относительной мощности приемника электрической энергии и кпд установки от относительного сопротивления приемника В электроэнергетических установках режимы электрических цепей значительно отличаются от согласованного режима и характеризуются токами I << Ic обусловливаемыми сопротивлениями приемников R Rвт, в результате чего работа таких систем происходит при высоком коэффициенте полезного действия. Изучение явлений в электрических цепях упрощается при замене их схемами замещения - математическими моделями с идеальными элементами, каждый из которых характеризуется одним и параметров, взятых из параметров наметаемых элементов. Эти схемы полностью отображают свойства электрических цепей и при соблюдении определенных условий облегчаютанализ электрического состояния электрических цепей. В схемах замещения с активными элементами пользуются идеальным источником ЭДС и идеальным источником тока. Идеальный источник ЭДС характеризуется постоянной ЭДС, Е и внутренним сопротивлением, равным нулю, вследствие чего ток такого источника определяется сопротивлением присоединенных приемников, а короткое замыкание вызывает ток и мощность, теоретически стремящихся к бесконечно большому значению. Идеальному источнику тока приписывают внутреннее сопротивление, стремящееся к бесконечно большому значению, и неизменный ток Iк не зависящий от напряжения на его зажимах, равный току коротного замыкания, вследствие чего неограниченное увеличение присоединенной к источнику нагрузки сопровождается теоретически неограниченным возрастанием напряжения и мощности.

Рис. 4. Схемы замещения электрической цепи с реальным источником электрической энергии и резистором, а — с идеальным источником ЭДС,б- с идеальным источником тока. Реальные источники электрической энергии с ЭДС Е, внутренним сопротивлением нием Rвн и током короткого замыкания Iк можно представить схемами замещения, в которые входят идеальный источник ЭДС либо идеальным источник тока соответсвенно с последовательно и параллельно включенными резистивными элементами, характеризующими внутренние параметры реального источника и ограничивающими мощность присоединенных приемников (рис. 4, а, б). Реальные источники электрической энергии работают в режимах, близких к режиму идеальных источников ЭДС, если сопротивление приемников велико по сравнению с внутренним сопротивлением реальных источников, т. е. когда они находятся в режимах, близких к режиму холостого хода. В случаях, когда рабочие режимы близки к режиму короткого замыкания, реальные источники приближаются к идеальным источникам тока, поскольку сопротивление приемников мало по сравнению с внутренним сопротивлением реальных источников.

Закон Ома для участка цепи

Основным законом электротехники, при помощи которого можно изучать и рассчитывать электрические цепи, является закон Ома, устанавливающий соотношение между током, напряжением и сопротивлением. Необходимо отчетливо понимать его сущность и уметь правильно пользоваться им при решении практических задач. Часто в электротехнике допускаются ошибки из-за неумения правильно применить закон Ома. Закон Ома для участка цепи гласит: ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Если увеличить в несколько раз напряжение, действующее в электрической цепи, то ток в этой цепи увеличится во столько же раз. А если увеличить в несколько раз сопротивление цепи, то ток во столько же раз уменьшится. Подобно этому водяной поток в трубе тем больше, чем сильнее давление и чем меньше сопротивление, которое оказывает труба движению воды. Чтобы выразить закон Ома математически наиболее просто, считают, что сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В проходит ток 1 А, равно 1 Ом. Ток в амперах можно всегда определить, если разделить напряжение в вольтах на сопротивление в омах. Поэтому закон Ома для участка цепи записывается следующей формулой: I = U/R.