Контрольная работа. Постоянный электрический ток. Основные понятия и характеристики электрического тока
 Скачать 0.78 Mb.
|
|
1. Основные понятия и характеристики электрического тока Электрическим током называется движение электрических зарядов (электронов в металлах, электронов и ионов в жидкостях и газах) под действием электрического поля. Движение положительных зарядов по полю эквивалентно движению отрицательных зарядов против поля. За направление тока принято направление положительного заряда. Условия существования электрического тока (в дальнейшем просто тока в проводнике): а) наличие свободных заряженных частиц; б) наличие электрического поля (разности потенциалов на концах проводника). Действия электрического тока: а) ТЕПЛОВОЕ – нагревание проводника, по которому идет ток; б) ХИМИЧЕСКОЕ – изменение химического состава проводника (электролиз и сопутствующие ему явления); в) МАГНИТНОЕ – силовое воздействие на другие проводники с током и намагниченные тела (магнетики). Основные характеристики электрического тока: а) сила тока I – численно равна количеству электричества (заряду) Q, В зависимости от величины и направления токи бывают: постоянные, переменные, пульсирующие и другие. Будем рассматривать только постоянные токи I = const. Ток измеряется прибором – амперметром, который включается в цепь последовательно проводнику (сопротивлению). б) напряжение U – равно разности потенциалов на участке цепи. Напряжение измеряется прибором – вольтметром, который включается параллельно проводнику (сопротивлению); в) сопротивление R проводника. Сопротивление зависит: 1. От длины проводника ℓ, его сечения S и материала (характеризуется удельным сопротивлением проводника ρ): 2. От температуры t°С (или Т): R = R 0 (1 + αt), где R 0 – сопротивление проводника при 0°С, α – температурный коэффициент сопротивления. г) плотность тока j – физическая величина, определяемая силой тока I проходящего через единицу площади поперечного сечения S проводника: д) электрическая сила (ЭДС) ε – физическая величина, определяемая работой сторонних (неэлектрических) сил А ст по перемещению единичного положительного заряда q: Если в цепи на носители тока действуют силы электрического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. Это приводит к выравниванию потенциалов во всех точках цепи и к исчезновению электрического поля. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способно создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока, называются сторонними. Источники тока также можно соединить последовательно и параллельно: 1. При последовательном соединении источников: ε посл = ε·n, r посл = r·n, где ε – ЭДС одного источника, r – сопротивление одного источника, n – число источников. 2. При параллельном соединении n одинаковых источников: ε пар = ε, Для расчетов полных электрических цепей полезно знать следующие величины: а) полная мощность, развиваемая источником: б) полезная мощность (выделяемая на внешнем сопротивлении): в) мощность потерь: P потерь = P u – P n = I 2 ·r; г) КПД источника: Электрический ток I, проходя по участку цепи без ЭДС с сопротивлением R, совершает работу А по перемещению электрических зарядов, которую можно рассчитать по формуле: , где U – напряжение на участке цепи, t – время пропускания тока. Мощность N тока, согласно определения, равна: 2. Основные законы постоянного тока Закон Ома для участка цепи. Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R. I = R U А Oм B I Электродвижущая сила. Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем. Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических зарядов. Сторонние силы - любые силы, действующие на электрические заряженные частицы, за исключение сил, электростатического происхождения (т.е. кулоновских). ЭДС – электродвижущая сила – физическая величина, определяемая работой , совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда от «+» полюса к «-» полюсу внутри источника тока. Является энергетической характеристикой источника тока. q А стр. Êë Äæ =В Закон Ома для полной цепи. Сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи: I = r R где: – ЭДС источника тока R – внешнее сопротивление цепи r - внутреннее сопротивление цепи А ст = It А ст = Q ε = IR + Ir = U внеш. + U ист. η ист. = âíåø U ЭДС равно сумме падения напряжений на внешнем и внутреннем участках замкнутой цепи. Частный случай - короткое замыкание, когда R = 0 , I к.з. = r Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля – Ленца. Работа электрического поля по перемещению заряда ∆ q из одной точки в другую равна произведению напряжения U между этими точками на величину заряда q: A=qU Учитывая, что q = It получаем: A= IUt = I 2 Rt = R U 2 t При прохождении тока через проводник происходит его нагревание, значит электрическая энергия переходит в тепловую. Закон Джоуля – Ленца гласит: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и времени. Q = I 2 R t – закон Джоуля – Ленца. Закон открыт экспериментально независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Х.Ленцем. Q = А – по закону сохранения энергии. Мощность электрического тока равна работе, которая совершается током за единицу времени.P = t A = IU = I 2 R = R U 2 Р = с Дж = Вт = А·В (Ватт) Единицы работы и энергии: 1 Вт · с = 1 Дж 1 Вт · ч = 3600 Дж = 3,6 · 10 3 Дж 1 кВт · ч = 3600 000 Дж = 3,6 · 10 6 Дж Виды соединения проводников. Последовательное и параллельное соединение проводников. Электрическая цепь включает в себя источника тока и проводники (потребители, резисторы и др), которые могут соединятся последовательно или параллельно. При последовательном соединении конец предыдущего проводника соединяется с началом следующего. Во всех последовательно соединенных проводниках сила тока одинакова: I1= I2=I Сопротивление всего участка равно сумме сопротивлений всех отдельно взятых проводников: R = R1+ R2 Падение напряжения на всем участке равно сумме паданий напряжений на всех отдельно взятых проводниках: U= U1 +U2 Напряжения на последовательно соединенных проводниках пропорциональны их сопротивлениям. При параллельном соединении проводники подсоединяются к одним и тем же точкам цепи. Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме токов, текущих в каждом проводнике: I = I1+ I2 Величина, обратная сопротивлению разветвленного участка, равна сумме обратных величин обратных сопротивлениям каждого отдельно взятого проводника: Падение напряжения во всех проводниках одинаково: U= U1 = U2 Силы тока в проводниках обратно пропорциональны их сопротивлениям Смешанное соединение - комбинация параллельного и последовательного соединений. |