Аккумуляторная батарея либо генератор, подключённые к хоть какой электрической сети, обеспечивают появление в ней напряжения и движение зарядов. Протекающий в цепи ток уменьшает разность потенциалов между полюсами батареи, так как негативно заряженный электрон уносится с катода и нейтрализует положительно заряженные дырки на аноде. Дабы ток в цепи не затухал, нужно сделать условия для поддержания неизменного напряжения, накапливая для этого на аноде и катоде заряды такого же знака.
Постоянное напряжение в источнике тока обеспечивает движение в нём отрицательных зарядов к катоду, а положительных к аноду. Такое движение нереально под действием электростатических сил. Движение отрицательных частиц к негативно заряженному катоду, а положительных к аноду в состоянии обеспечить некоторые силы неэлектрической природы (посторонние).
Считается, что конкретно посторонние силы вызывают разделение зарядов снутри аккумуляторной батареи либо любого другого источника тока. К примеру, в гальваническом элементе они есть из-за хим реакции, которая появляется между электродами, помещёнными в электролит.
Посторонние силы могут иметь хим, термическую, механическую, магнитную либо биологическую природу. Работа, которую они производят при перемещении положительного заряда q от более высокого потенциала на катоде к более низкому потенциалу на аноде (участок 1—2 рисунка) к его значению именуется электродвижущей силой (ЭДС), обозначается ɛ. Единица измерения этой силы соответствует единице измерения напряжения либо разности потенциалов — вольт (В). Это по сути не сила, невзирая на название, а работа по преодолению сопротивления электростатического поля.
Заряженная частичка движется снутри источника тока. Происходит изменение возможной энергии этой частички. Процесс можно обрисовать формулой:
где ΔW — изменение возможной энергии, Aст — работа посторонней силы, Aс — работа силы сопротивления источника тока.
Понятно выражение, которое указывает зависимость ΔW от величины заряда и напряжения U батареи:
Запишем эту формулу по другому:
Из этого выражения делаем вывод, что напряжение аккумуляторной батареи, приложенное к подключённой цепи, меньше ЭДС. В случае когда цепь разомкнута, ток зарядов снутри батареи отсутствует, работа силы сопротивления электростатического поля равна нулю и
ЭДС соответствует по величине напряжению между полюсами разомкнутого источника тока.
Закон Ома для замкнутой электрической цепи
Закон является более базовой формулой для описания и анализа электрических цепей. Он был сформулирован в 1826 году германским учёным Георгом Симоном Омом, экспериментально изучавшим характеристики металлов и способность их проводить электричество.
Для отдельного проводника, пропускающего неизменный ток, закон является обычным и линейным. Его также используют к цепям переменного тока, только учитывает некоторые другие переменные величины. Если цепь переменного тока содержит в себе такие составляющие, как конденсаторы либо катушки индуктивности, закон Ома не применяется.
Разглядим ординарную цепь неизменного тока. Составляющие, которые входят в её состав: источник тока с внутренним сопротивлением r и ЭДС ε, наружняя нагрузка (железные провода, резистор либо лампочка) с сопротивлением R.
Сила тока в замкнутой цепи находится в зависимости от ЭДС источника тока и полного сопротивления цепи. Значимость закона заключается в том, что если известны значения 2-ух переменных в уравнении, то можно найти третью.
Закон Ома
В практической электротехнике огромное значение имеет зависимость между напряжением на концах проводника и величиной тока в нем. Эта зависимость выражена в законе Ома. Но перед тем, как разобраться, что представляет собой закон Ома, нужно разобрать понятия «плотность тока» и «электрическая проводимость».
Плотность тока. Электрическая проводимость
Плотность тока в проводе находится в зависимости от количества электричества (заряда), проходящего через единицу поперечного сечения провода за секунду. Плотность электрического тока на рисунке:
В свою очередь, этот заряд находится в зависимости от средней скорости движения заряженных частиц в направлении, параллельном оси провода. Средняя скорость движения частиц пропорциональна силе поля в проводе либо напряженности электрического поля. Таким макаром, плотность тока в проводе пропорциональна напряженности электрического поля Е, т. е.
где y — коэффициент, зависящий от материала провода и его температуры и именуется удельная электрическая проводимость.
Так как в однородном поле
E = U / i, а j = I / S
то
I / S = j U / l
I = j S / l U = g U
где g — величина, зависящая от материала провода, его длины и поперечного сечения и именуемая электрической проводимостью, при постоянной температуре постоянна для данного провода. Электрическая проводимость величина оборотная сопротивлению и измеряется в Сименсах (См).
Выражение I = jS/l U = gU, отысканное опытным методом в первой половине XIX века, представляет собой закон Ома, который является одним из главных законов электротехники. Согласно закону Ома, ток в проводнике прямо пропорционален напряжению между его концами.
Закон Ома для электрической цепи
В простом случае электрическая цепь состоит из источника питания и нагрузки (потребителя).
Закон Ома для участка цепи звучит так:
Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению и назад пропорциональна сопротивлению этого участка.
Закон Ома формула:
Используя формулу закона Ома и зная два параметра цепи можно отыскать и 3-ий. К примеру зная ток и напряжение на участке цепи можно вычислить сопротивление этой цепи. Для это цели выдумали «волшебный треугольник» закона Ома:
Сейчас мы разглядим закон Ома для полной цепи.
Для выше изображенной электрической цепи в другой статье было получено уравнение:
Е = U + U 0 .
По закону Ома напряжения U и U пропорциональны току в цепи:
U = Ir и U 0 = Ir 0 ,
где r — внутреннее сопротивление источника питания, а r—сопротивление наружного участка цепи.
Подставив заместо U и U их значения, получим, что
Е = Ir + Ir 0 = I(r + r 0 ).
Отсюда ток
I = E / r +r 0
Отысканная зависимость именуется законом Ома для электрической цепи либо закон Ома для полной электрической цепи. Этот закон звучит так:
Ток в цепи прямо пропорционален ЭДС источника питания и назад пропорционален сопротивлению нагрузки, плюс сопротивление проводников цепи, плюс внутреннее сопротивление источника питания.
Из статьи также следует, что напряжение на зажимах источника питания
U = E — U 0 = E — Ir 0 .
Размыкание электрической цепи соответствует повышению сопротивления приемника (наружного сопротивления) до бесконечности. В данном случае ток равен нулю, а напряжение на зажимах источника питания
U = Е — Ir 0 = E
Главные законы электротехники
Электрические законы и формулы требуются не только лишь для проведения каких-то расчетов. Они необходимы и тем, кто на практике делает операции, связанные с электричеством. Зная базы электротехники можно логическим методом установить причину неисправности и очень стремительно ее убрать.
Сущность электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Но при хаотичном термическом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит только при условии роли ионов либо электронов в упорядоченном движении.
Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специальные признаки:
- Нагревание проводника, по которому протекает ток.
- Изменение хим состава проводника под действием тока.
- Оказание силового воздействия на примыкающие токи, намагниченные тела и примыкающие токи.
Электрический ток может быть неизменным и переменным. В первом случае все его характеристики остаются постоянными, а во 2-м – временами происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде меняется направление потока электронов. Скорость таких повторяющихся изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах
Главные токовые величины
При появлении в цепи электрического тока, происходит неизменный перенос заряда через поперечное сечение проводника. Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, именуется силой тока, измеряемой в амперах.
Для того дабы сделать и поддерживать движение заряженных частиц, нужно воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такового деяния, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как напряженность электрического поля. Конкретно она вызывает разность потенциалов либо напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется особая единица – вольт. Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который подвергнется рассмотрению тщательно.
Важной чертой проводника, конкретно связанной с электрическим током, является сопротивление, измеряемое в омах. Эта величина является типичным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В итоге воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С повышением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления возрастает. Величина в 1 Ом появляется, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока – 1 А.
Закон Ома
Данный закон относится к главным положениям и понятиям электротехники. Он более точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и мощность. Определения этих величин уже подверглись рассмотрению, сейчас необходимо установить степень их взаимодействия и воздействия друг на друга.
Для того дабы вычислить ту либо иную величину, нужно пользоваться следующими формулами:
- Сила тока: I = U/R (ампер).
- Напряжение: U = I x R (вольт).
- Сопротивление: R = U/I (ом).
Зависимость этих величин, для наилучшего осознания сущности процессов, нередко сравнивается с гидравлическими чертами. К примеру, понизу бака, заполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, так как существует разница между высочайшим давлением сначала трубы и низким – на ее конце. Вточности такая же ситуация появляется на концах проводника в виде разности потенциалов – напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким макаром, по аналогии, напряжение представляет собой типичное электрическое давление.
Силу тока можно сопоставить с расходом воды, другими словами ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении поперечника трубы уменьшится и поток воды в связи с повышением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сопоставить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных пределах. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим чертам: с конфигурацией 1-го параметра, происходит изменение всех других.
Главные законы электрической цепи
Основными законами теории электрических цепейявляются законы Ома и Кирхгофа. При помощи этих законов можно выполнить анализ и расчет всех электрических цепей. Так, в неразветвлённой электрической цепи (рис. 1.18), содержащей источник энергии e(t)
с внутренним сопротивлением
Rвн
и сопротивлением нагрузки
Rн
,будет протекать ток
i(t)
, значение которого определяется законом Ома, т.е.
Закон Ома был сформулирован в 1826 г. Омом следующим образом: сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов на концах проводника и назад пропорциональна сопротивлению этого проводника [2]. Для участка электрической цепи, сопротивление которого R
и напряжение на котором
u(t)
, закон Ома записывается в виде
Произведение именуют падением напряжения, при этом под напряжением на любом участке электрической цепи понимают разность потенциалов между последними точками этого участка.
Запись, подобная (1.24), может быть осуществлена не только лишь для моментальных значений токов и напряжений, но и для других значений, т.е.:
Анализ и расчет разветвлённых цепей обычно производят при помощи законов Кирхгофа, которые были сформулированы в 1845 г. германским физиком Г. Кирхгофом.
1-ый закон Кирхгофа формулируется следующим образом. Сумма всех токов, втекающих в узел электрической цепи, равна сумме всех токов, вытекающих из этого узла, либо алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. Под словом “алгебраическая” понимают, что перед суммированием токов следует обусловиться с их знаками, так для тока, входящего в узел, берётся символ плюс, а для тока, выходящего из узла, берётся символ минус. Иллюстрацию первого закона Кирхгофа и его аналитическую запись можно выполнить на примере участка электрической цепи (рис. 1.24) с узлом 1.
Рис. 1.24. Участок электрической цепи с узлом 1
В согласовании с рис. 1.24 получим, что
Выражение (1.26) является аналитической записью первого закона Кирхгофа для моментальных значений токов. Запись (1.26) можно выполнить для всех значений токов, если электрическая цепь состоит только из сопротивлений R
. Когда в схеме имеется индуктивность и (либо) ёмкость, выражение (1.26) будет верным только для моментальных значений токов
i(t)
и всеохватывающих значений . Его нельзя использовать для действующих
I
и амплитудных значений
Im
гармонического тока, также для неизменных значений
I-
тока, что станет понятным из предстоящего изложения материала в пособии.
2-ой закон Кирхгофа используют к замкнутым контурам электрической цепи (рис. 1.25).
Рис. 1.25. Замкнутый контур электрической цепи
Он формулируется следующим образом. Алгебраическая сумма падений напряжений на элементах контура равна алгебраической сумме э.д.с. источников, действующих в контуре.
Для аналитической записи второго закона Кирхгофа следует задаться направлением обхода в контуре и токами в его элементах. Положительный символ падения напряжения на элементе будет в этом случае, если направление тока на нём совпадает с направлением обхода контура (в неприятном случае – отрицательный). Положительный символ у э.д.с. ставится при совпадении направления обхода с её направлением, отрицательный – при их несовпадении. Для замкнутого контура электрической цепи по рис. 1.25 аналитическая запись второго закона Кирхгофа будет иметь следующий вид:
Читайте также: Распиновка розетки грузового полуприцепа
Выражение (1.27) является записью второго закона Кирхгофа для моментальных падений напряжений на элементах контура, т.е.
В случае наличия в контуре не считая частей R
частей
L
и (либо)
С
2-ой закон Кирхгофа можно использовать только для
моментальных u(t)
и всеохватывающих значений напряжений, т.е. аналогично первому закону Кирхгофа.
Контрольные вопросы
1. Что именуется электрической цепью и какие главные элементы входят в ее состав?
2. Что представляют собой активные и пассивные элементы электрической цепи?
3. Дайте определение понятию эквивалентной схеме электрической цепи, и что заходит в ее состав?
4. Дайте определения понятий: ветвь, узел, контур, одноконтурные и многоконтурные цепи.
5. Как для схемы электрической цепи выбираются независящие контуры?
6. Что представляет собой электрический ток, напряжение и падение напряжения? Как выбирают положительные направления тока?
7. Какие буквенные обозначения приняты для электрического тока и напряжения?
8. Приведите пример применения при расчетах электрической цепи понятий положительного направления тока и напряжения.
9. Дайте определение понятиям энергии и мощности в электрической цепи. Какие буквенные обозначения применяются для этих понятий?
10. Какой физический смысл имеют положительный и отрицательный знаки моментальной мощности?
11. Дайте характеристику идеализированному резистивному элементу. Какими основными качествами обладает этот элемент?
12. Дайте характеристику идеализированному емкостному элементу. Какими основными качествами обладает этот элемент?
Энергия и мощность в электротехнике
В электротехнике есть к тому же такие понятия, как энергия и мощность, связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, термический, ядерной и электрической форме. В согласовании с законом сохранения энергии, ее нереально убить либо сделать. Она может только преобразовываться из одной формы в другую. К примеру, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.
Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии в протяжении установленного промежутка времени. Данная величина персональна для каждого устройства и представляет собой мощность, другими словами объем энергии, который может потребить тот либо другой устройство. Этот параметр рассчитывается по формуле P = I x U, единицей измерения служит ватт. Он значит перемещение 1-го ампера одним вольтом через сопротивление в один ом.
Таким макаром, базы электротехники для начинающих посодействуют на первых порах разобраться с основными понятиями и определениями. После чего будет существенно легче применять приобретенные познания на практике.
Читайте также: Заземление электроустановок
Используемые радиодетали
При исследовании основ электромонтажа всегда происходит знакомство с основными деталями, использующимися в электронике. При их изготовлении используются все перечисленные типы веществ. Из проводниковых материалов делают кабели, соединяющие устройства, входящие в схему. Также они подсоединяют источник питания к нагрузочному напряжению. Проводники наматывают на катушки, которые как эксплуатируются в самостоятельном виде, так и используются в трансформаторах, электрических машинах, на интегральных схемах (последние сами делаются из диэлектрика). Транзисторные и диодные элементы содержат в себе проводниковые и полупроводниковые детали из нескольких типов материалов с различным уровнем проводимости. Главные функции диэлектриков – защитная и изоляционная.
