Элтех45. Электрический ток, его определение, величина, направление, плотность

• Название: Электрический ток, его определение, величина, направление, плотность
• Дата: 22.12.2020
• Размер: 342.61 Kb.
• Имя файла: Элтех45.docx
• Тип: Документы; #163095
• страница: 2 из 3

Русский физик Э.Ленц провёл следующий опыт. На концах легко вращающегося коромысла закрепил два проводящих кольца – одно сплошное, а другое с разрезом.



Рисунок 2.3 Опыт демонстрирующий правило Ленца.

Теперь, если взять постоянный магнит и внести его в кольцо с разрезом – ничего не произойдет. Однако, если попытаться внести постоянный магнит в сплошное кольцо – коромысло начнет вращаться, уводя кольцо от магнита.

Данное явление можно объяснить только возникновением тока в сплошном кольце. Этот ток, в свою очередь, порождает новое магнитное поле, которое и начинает взаимодействовать с полем постоянного магнита. В кольце с разрезом ток не возникает, и взаимодействующего поля нет.

Проводя описанный опыт, ученый вывел правило, определяющее направление индуцированного тока в проводящем контуре.

Индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей.

Применение правила Ленца для определения направления индукционного тока предусматривает следующие шаги.

• 
  Используя формулу магнитного потока Ф=BScosα, определяется, как изменяется магнитный поток через контур – увеличивается ли он или уменьшается.
  
• 
  Определяются направление возникающей индукции. Оно, согласно правилу Ленца, должно быть направлено так, чтобы противодействовать причине его вызывающей. То есть, если магнитный поток возрастает, то возникающая индукция должна быть направлена против внешней индукции, если поток уменьшается – то вдоль.
  
• 
  По правилу буравчика или правилу охвата правой руки определяется направление индукционного тока.
  

Правило Ленца обуславливается законом сохранения энергии. Поскольку в контуре возникает ток, он совершает работу (вся она уходит на нагрев кольца), а эта работа может возникнуть только за счет сторонних сил. В опыте Ленца такими силами являются механические силы, вводящие магнит в кольцо, совершающие при этом работу.

Важным частным случаем явления электромагнитной индукции называют явление самоиндукции. В этом случае изменяющийся магнитный поток через замкнутый контур создается переменным током в самом контуре.

Рассмотрим тонкий замкнутый проводник, по которому течет ток силой  . Этот ток создает пронизывающий контур магнитный поток. В соответствии с законом Био–Савара магнитная индукция пропорциональна силе тока, вызвавшего поле. Отсюда вытекает, что ток   и создаваемый им магнитный поток пропорциональны друг другу:



Коэффициент пропорциональности   называется индуктивностью контура или коэффициентом самоиндукции. Линейная зависимость   от   наблюдается только в отсутствие ферромагнетиков, в противном случае   будет зависеть от  . Индуктивность   зависит от геометрии контура (то есть его формы и размеров), а также от магнитных свойств окружающей среды. Если виток имеет жесткую форму и вблизи него нет ферромагнетиков, индуктивность  является постоянной величиной.

За единицу индуктивности в системе единиц СИ принимается индуктивность такого проводника, у которого при силе тока в нем в 1 А возникает сцепленный с ним поток, равный 1 Вб. Эту единицу называют генри (Гн):



Для примера вычислим индуктивность идеального соленоида, пренебрегая при этом краевыми эффектами. Пусть   – длина соленоида,   – число витков на единицу длины,   – площадь одного витка. Индукция магнитного поля внутри соленоида равна  . Тогда магнитный поток, пронизывающий соленоид, будет равен , отсюда



Если ток в проводнике меняется, то меняется и магнитный поток, пронизывающий контур, вследствие чего в витке индуцируется электродвижущая сила самоиндукции  . Если при этом индуктивность контура L остается неизменной, то электродвижущая сила самоиндукции, согласно основному закону электромагнитной индукции, имеет вид



Знак минус в этой формуле обусловлен правилом Ленца.

В рассматриваемом случае причиной, вызывающей электродвижущую силу самоиндукции, является изменение тока в цепи. Если ток в цепи возрастает, то возрастает и индукция магнитного поля, которое он создает, а следовательно, возрастает магнитный поток через контур. Поэтому, согласно правилу Ленца, ток самоиндукции должен быть направлен так, чтобы его магнитное поле препятствовало такому изменению магнитного потока, то есть навстречу основному току. И наоборот, при уменьшении силы тока в цепи направление индукционного тока будет совпадать с направлением основного тока.


Рисунок 2.4 Схема для наблюдения явления самоиндукции
Явление самоиндукции можно сопоставить с явлением инерции в механике. Инерция приводит к постепенному уменьшению скорости движения тел, даже при мгновенном приложении силы. Самоиндукция препятствует мгновенному изменению тока в электрической цепи. Поэтому индуктивность катушки L в электрической цепи играет ту же роль, что и масса m, являющаяся мерой инерции в механике.




Рисунок 2.5
Явление самоиндукции можно наблюдать на опыте, схема которого представлена на рисунке 2.4. При замыкании цепи лампочка  , которая подключена к источнику тока через реостат R, вспыхивает мгновенно. Тогда как лампочка  , подключенная к источнику через катушку с большой индуктивностью, загорается с большим запозданием. Это объясняется тем, что в катушке в начальный момент возникает большая электродвижущая сила самоиндукции, которая в соответствии с правилом Ленца препятствует нарастанию тока в этой цепи. При размыкании цепи магнитный поток убывает, поэтому возникает ток самоиндукции, который препятствует уменьшению тока в катушке. Так как цепь уже разомкнута, индукционный ток будет течь через гальванометр (рис. 2.5), причем в направлении, противоположном первоначальному, что видно по отклонению стрелки гальванометра.

Электродвижущая сила самоиндукции, возникающая при выключении тока, может быть велика и поэтому опасна. Индуктивность большого электромагнита, применяемого для исследований, может составлять, например, 10 Гн. Ток в катушке может достигать 100 А. Если ток в цепи прервать с помощью выключателя или если будет случайный разрыв в цепи, то возникнет электродвижущая сила, равная , даже если  ,  . В действительности это время гораздо меньше, и поэтому электродвижущая сила самоиндукции значительно больше. Возникающая при этом большая разность потенциалов, сосредоточенная на выключателе или разрыве, может привести к нагреву и плавлению контактов. Этим объясняется опасность резкого отключения от силовой сети мощных электродвигателей, обмотки которых обладают большой индуктивностью. Их отключают, плавно уменьшая ток с помощью реостатов.
Вопрос 55

Усилительный каскад, назначение элементов схемы, принцип действия.

Усилителем называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) сигнала по мощности



Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Таким образом, ни в одном устройстве, которое относят к классу усилителей, в явном виде усиление сигнала не происходит, а имеет место процесс управления. Т.е. входной сигнал (   ), воздействуя на активные элементы (например, транзистор), определяет, какую долю энергии (мощности) от источника питания передать в нагрузку. И этот процесс управления внешне воспринимается как усиление. При этом мощность, отдаваемая в нагрузку, всегда больше мощности, потребляемой от источника питания.

Таким образом, к усилителям относятся устройства, в которых выполняется условие:



где   - коэффициент усиления по мощности;

 - мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку;

 - мощность, потребляемая усилителем от источника входного сигнала.

Усилители, выполненные на лампах, биполярных и полевых транзисторах называются электронными.



Рис. 3.1. Классический вариант усилительного каскада
На рис.4 приведена схема классического усилительного каскада. Внешний вид схемы не зависит от структуры применяемого транзистора.

 

В приведенной схеме использован транзистор типа n-p-n. При применении транзистора другой проводимости (типа p-n-p ) схема будет работать аналогично, но необходимо изменить полярность напряжения источника питания, вместо подать . Поясним назначение элементов схемы:

 – источник постоянного напряжения служит для того, чтобы создать токи через транзистор (или запитать транзистор, обеспечить режим работы);

 – переменное входное усиливаемое напряжение; 

VT – активный усилительный элемент – биполярный транзистор, включенный в схеме с общим эмиттером;

 – резистор, через который подается напряжение питания на коллектор транзистора и на котором выделяется усиленный сигнал;

 – нагрузка, на который подается усиленный сигнал;

 – резистор в цепи эмиттера, служит для стабилизации положения рабочей точки, т.к. за счет этого элемента в усилителе введена местная ООС по постоянному току, а также вместе с резисторами   и   участвует в задании начального положения рабочей точки транзистора;

– емкость в цепи эмиттера служит для устранения местной отрицательной обратной связи по переменному току;

 – цепочка температурной стабилизации режима по постоянному току;

,    – резисторы, образующие делитель в цепи базы транзистора; вместе с резистором   участвуют в задании положения рабочей точки транзистора;

,   – разделительные емкости служат для разделения каскадов по постоянному току; которые пропускают только переменную составляющую сигнала от входного источника на вход транзистора и переменную составляющую усиленного сигнала с коллектора транзистора в нагрузку, а постоянную составляющую задерживают; составляют ;

 – самовозникающая паразитная емкость, в явном виде не присутствует в схеме. Состоит из  ; составляет  ;

 – емкость монтажа;

 – барьерная емкость коллекторного перехода;

 – емкость нагрузки.

Задача 1

Для цепи постоянного тока со смешанным соединением резисторов начертить схему цепи и определить:

1. 
   Эквивалентное сопротивление цепи относительно входных зажимов.
   
2. 
   Токи, проходящие через каждый резистор.
   
3. 
   Составить баланс мощностей.
   
4. 
   Определить мощность, потребляемую всей цепью за 10 часов работы.
   

Таблица 2.

Вариант	Номер схемы	U, В	Сопротивления, Ом
			R1, Ом	R2 , Ом	R3, Ом	R4, Ом	R5, Ом	R6, Ом
45	5	75	17	12	10	19	25	17

Н
R₂

R₄

I₄
ачертим схему электрической цепи и выберем направление токов:


+ А

I




I₅




I₁

I₂

I₃




R₁

R₃

R₅

U




R₆




Р
_ В
исунок 4.1 Схема электрической цепи
Определим эквивалентное сопротивление цепи относительно входных зажимов.

Резисторы соединены последовательно. Тогда их общее сопротивление равно:



Определяем сопротивление параллельно соединённых резисторов R₅ и R₄₆­:



После преобразований схема примет вид:
_ В

R₁

R₂

R₃

R₄₅₆

+ А

I₁

I₂

I₃

U



I



Рисунок 1.2 Схема электрической цепи после преобразования
Определяем сопротивление параллельно соединённых резисторов R₄₅₆ и R₃­:



Резисторы соединены последовательно. Тогда их общее сопротивление равно:


Схема примет вид:


R₁

+ А

I₁

I₂

U

I





R₂₃₄₅₆



Рисунок 1.3 Схема электрической цепи после преобразования
Определяем сопротивление параллельно соединённых резисторов R₁ и R₂₃₄₅₆­ это сопротивление будет эквивалентным сопротивление всей цепи:



Таким образом, по закону Ома ток, протекающий в неразветвленной части цепи равен:



Напряжение на параллельно соединённых резисторах R₁ и R₂₃₄₅₆­ одинаково и равно напряжению на входе цепи, а токи равны по закону Ома:





При последовательном соединении токи, проходящие через резисторы равны, тогда напряжение на резисторе по закону Ома равно:



Напряжение на параллельно соединённых резисторах R₁, R₅ и R₄₆­ одинаково и равно напряжению на входе цепи, а токи равны по закону Ома:







Определим мощность, потребляемую приемниками в цепи:



Определим мощность, переданную в цепь:



Определим мощность, потребляемую всей цепью за 10 часов работы.



Ответ: