Работа и мощность в цепи постоянного тока . Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи .

Из формулы определения напряжения () легко получить выражение для расчета работы по переносу электрического заряда; так как сила тока связана с зарядом соотношением, то работа тока: , или.

Мощность по определению, следовательно, .

Русский ученый X. Ленц и английский учены Д. Джоуль опытным путем в середине XIX в. установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля-Ленца и читается так: при прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:

Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь , в состав которой входят внешние сопротивления и источник тока (рис. 17). Как один из участков цепи, источник тока обладает сопротивлением, которое называют внутренним, .

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщались дополнительная энергия, она появляется за счет работы по перемещению зарядов, которую производят силы неэлектрического происхождения (сторонние силы) против сил электрического поля. Источник тока характеризуется энергетической характеристикой, которая называется ЭДС - электродвижущая сила источника . ЭДС измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к величине этого заряда .

Пусть за время через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд. Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать так: . Согласно определению силы тока, поэтому. При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых и, выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоуля-Ленца оно равно: . Согласно закону сохранения энергии, . Следовательно, . Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: . Эту зависимость опытным путем получил Георг Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

А = qU ; A = IUt = I 2 Rt =

- при параллельном соед.

- при последоват. соед

- закон Джоуля-Ленца

Мощность тока равна отношению работы тока за время t к этому интервалу времени.

- закон Ома для участка цепи

- для последовательного соед.

- для параллельного соед.

Электродвижущая сила

Одно лишь электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный ток в цепи.

Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением сил электростатического происхождения (т.е. кулоновских), называют сторонними силами.

Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны от положительно заряженного электрода к отрицательному).

ЭДС в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил при перемещении зарядов вдоль контура к заряду: ℰ =[Вт]

Закон ома для полной цепи

R – внешнее сопротивление цепи

r- внутреннее сопротивление цепи (сопротивление источника тока)

R об = R + r ; ℰ= => Aст = ℰq

=>

; Aст = ℰIt

; A = Q

ℰIt = I 2 Rt + I 2 rt; ℰ =

;

ℰ = ;I =ℰ/R+r

Если при обходе цепи переходят от отрицательного полюса источника к положительному, то ЭДС ℰ > 0. Сторонние силы внутри источника совершают при этом положительную работу.

ℰ = ℰ 1 + ℰ 2 + ℰ 3 = |ℰ 1 |-|ℰ 2 | + |ℰ 3 |

Если ℰ > 0, то I > 0, т.е. направление тока совпадает с направлением обхода контура. При ℰ

R п = R + r 1 + r 2 + r 3

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТОКОВ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ.

Взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными .

Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами .

В пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Основные свойства:

а) магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами)

б) магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды)

Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем.

Результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти проводники, будет равна 0.

Магнитное поле создается не только электрическим током, но и постоянными магнитами.

ЛИНИИ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Силовой характеристикой магнитного поля явл-ся вектор магнитной индукции .

- вектор магнитной индукции

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

- положительная нормаль.

Правила буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены также, как и вектор в данной точке поля.

Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты.

СИЛА АМПЕРА.

Сила ампера – это магнитная сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током.

Сила достигает максимального значения, когда магнитная индукция перпендикулярна проводнику.

, если I.

; F m = Il B - максимальная сила

F = B|I|lsin  - закон Ампера

Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 0 большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника.

За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, в котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в 1 А действует со стороны поля максимальная сила, равная 1 Н. Одна единица магнитной индукции = 1 Н/А. м.

СИЛА ЛОРЕНЦА

Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца.

, где

F – модуль силы,

N – число заряженных частиц

Кристаллическая решётка

Электрический ток. Все металлы являются проводниками электрического тока. Они состоят из пространственной кристаллической решетки, узлы которой совпадают с центрами положительных ионов. Вокруг ионов хаотически движутся свободные электроны.

В металлах электронная проводимость

Электрическим током в металлах называется упорядоченное движение свободных электронов. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Электрические заряды могут двигаться упорядоченно под действием электрического поля, поэтому условием для существования эл. тока является наличие электрического поля и свободных носителей эл.заряда .

Сила тока численно равна заряду, протекающему через данное поперечное сечение проводника в единицу времени. Ток называется постоянным, если сила тока и его направление не изменяется с течением времени.

1 ампер (А) равен силе постоянного тока, при котором через любое поперечное сечение проводника за 1 с протекает 1 Кл электричества. I = q 0 nvS Силу тока в цепи измеряют . Условное обозначение в цепи

Работа и мощность тока. Электрический ток снабжает нас энергией. Она возникает за счёт работы электрического поля по передвижению свободных зарядов в проводнике. Рассмотрим участок цепи, по которому течёт ток I. Напряжение на участке обозначим U , сопротивление участка равно R. При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время Δ t по цепи протекает заряд Δq = I Δt . Электрическое поле на выделенном участке совершает работу. ΔA = U I Δ t — эту работу называют работой электрического тока . За счёт работы на рассматриваемом участке может совершаться механическая работа; могут также протекать химические реакции. Если этого нет, то работа эл.поля приводит только к нагреванию проводника. Работа тока равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током: — закон Джоуля - Ленца

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt , за которое эта работа была совершена на данном участке : P = IU или . Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж ), мощность – в ваттах (Вт ).

Закон Ома для замкнутой цепи. Источник тока имеет ЭДС () и сопротивление (r ), которое называют внутренним . Электродвижущей силой (ЭДС) называется отношение работы сторонних сил по перемещению заряда q вдоль цепи, к значению этого заряда (1В=1Дж/1Кл ). Рассмотрим теперь замкнутую (полную) цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R . (R+r ) — полное сопротивление цепи. Закон Ома для полной цепи записывается в виде или

Способность тела производить работу называется энергией тела . Таким образом, мерой количества энергии является работа. Энергия тела тем больше, чем большую работу может произвести это тело при своем движении. Энергия не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Например, в генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую энергию, а в двигателе – электрическая в механическую. Однако не вся энергия является полезной, т.е. часть ее расходуется на преодоление внутреннего сопротивления источника и проводов.

Работа электрического тока численно равна произведению напряжения, силы тока в цепи и времени его прохождения. Единица измерения – Джоуль.

Для измерения работы или энергии электрического тока используется электроизмерительный прибор − счетчик электрической энергии.

Электрическая энергия помимо джоулей измеряется в ватт-часах или киловатт-часах :

1 Вт·ч = 3 600 Дж, 1 кВт·ч = 1 000 Вт·ч.

Мощность электрического тока – это работа, производимая (или потребляемая) в единицу времени. Единица измерения – Ватт.

Для измерения мощности электрического тока используется электроизмерительный прибор − ваттметр.

Кратными единицами измерения мощности являются киловатт или мегаватт:

1 кВт = 1 000 Вт, 1 МВт = 1 000 000 Вт.

В табл. 1 приведена мощность ряда устройств.

Таблица 1

Соотношения между мощностью, током, напряжением и сопротивлением приведены на рис. 1.

P U

I R

R·I

Рис. 1

Скорость, с которой механическая или другая энергия преобразуется в источнике в электрическую называется мощностью источника :

где W и – электрическая энергия источника.

Скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в приемнике в другие виды энергии, в частности в тепловую, называется мощностью приемника :

Мощность, определяющая непроизвольный расход энергии, например, на тепловые потери в источнике или в проводниках, называют мощностью потерь:

По закону сохранения энергии мощность источника равна сумме мощностей потребителей и потерь:

Это выражение представляет собой баланс мощностей .

Эффективность передачи энергии от источника к приемнику характеризует коэффициент полезного действия (КПД) источника:

где Р 1 или Р ист – мощность, отдаваемая источником энергии во внешнюю цепь;

Р 2 – мощность, получаемая извне или потребляемая мощность;

∆P или Р 0 (Р вн ) – мощность, расходуемая на преодоление потерь в источник или приемнике энергии.

Электрический ток представляет собой направленное движение электрически заряженных частиц. При столкновении движущихся частиц с молекулами и ионами вещества кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам и молекулам, вследствие чего происходит нагревание проводника. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в тепловую.

В 1844 г. русским академиком Э.Х. Ленцем и английским ученым Джоулем одновременно и независимо друг от друга был открыт закон, описывающий тепловое действие тока.

Закон Джоуля-Ленца : при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекает по проводнику:

где Q – количество теплоты, Дж, I – сила тока, А; R – сопротивление проводника, Ом; t – время, в течение которого электрический ток протекал по проводнику, с.

Закон Джоуля-Ленца используют при расчетах тепловых режимов источников электроэнергии, линий электропередачи, потребителей и других элементов электрической цепи. Преобразование электроэнергии в тепловую имеет очень большое практическое значение. Вместе с тем тепловое действие во многих случаях оказывается вредным (рис. 2).

Работа и мощность электрической цепи.

Работа является мерой превращения одного вида энергии в другой.

Ватт-секунда – эта работа электрического тока величиной 1А при напряжении 1В в течение 1с .

1 Ватт ∙ час [Вт ∙ ч] = 3600 Вт ∙ ч = 3600 Дж

1 кВт ∙ ч = 1000 Вт ∙ ч = 3600 000 Дж

Работа электрического тока в одну секунду называется мощностью электрического тока , она характеризует интенсивность работы, совершенной током. За единицу мощности принят Ватт [Вт].

; из закона Ома ,

Ватт – мощность, которую развивает при

1 кВт = 1000 Вт 1 МВт = 1000 000 Вт

Полной называется мощность, развиваемая источником тока , а полезной – мощность, расходуемая во внешней цепи потребителем .

Отношение полезной мощности к полной мощности, развиваемой источником тока, называется коэффициентом полезного действия (КПД) , обозначается - «эта».

;

Тепловое действие тока. При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновения электронов с его атомами проводник нагревается.

Закон Джоуля – Ленца. Количество выделенного тепла прямо пропорционально квадрату величины тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока через проводник.

Эта зависимость установлена в 1841 г. Английским физиком Джоулем и несколько позднее (в 1844 г.) русским академиком Ленцем.

Тепловое действие тока применяют: лампы накаливания, нагревательные приборы, электросварка, тепловые реле (биметаллические пластины).

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропустить через себя, не перегреваясь, ток, не превышающий некоторую допустимую величину. Эта величина характеризуется допустимой плотностью тока , т. е. величиной тока I приходящегося на 1 мм площади поперечного сечения s проводника.

- допускаемая плотность тока I на площади поперечного сечения.

- обмотка электрических машин

- нить электрической лампочки

При неплотном электрическом контакте и плохом соединении проводников R вместе их соединения (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В итоге это может привести к перегоранию контакта и разрыву электрической цепи.

Вопросы для самоконтроля:

1. Как осуществляется последовательное соединение проводников? Какие действуют законы в данной цепи?

2. Как осуществляется параллельное соединение проводников? Какие действуют законы в данной цепи?

3. Как осуществляется смешанное соединение потребителей?

4. Как определить работу и мощность электрического тока? В каких единицах измеряется мощность и работа?

5. Что такое коэффициент полезного действия?

6. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.

7. Что такое плотность тока и переходное сопротивление?

8. Что такое электрическое поле? Чем характеризуется электрическое поле?

9.Что называется электрическим потенциалом? Разностью потенциалов? В каких единицах измеряется?

10. Что такое ЭДС, и в каких единицах она измеряется?

11. Что такое электрический ток, и в каких единицах он измеряется?

12. Что называется электрическим сопротивлением? От чего зависит сопротивление проводников?

13. Как устроен атом вещества?

14.Что называется проводником и диэлектриком?

15. Как взаимодействуют электрические заряды? Закон Кулона.

16. Что такое электрическое поле? Чем характеризуется электрическое поле?

17. Что такое электрический ток, и в каких единицах он измеряется?

18. Что называется электрическим сопротивлением? От чего зависит сопротивление проводников?

19.Как можно увеличить сопротивление проводника?

20. Как образуется электрическая цепь, и из каких частей она состоит?

21. Сформулируйте закон Ома для электрической цепи и отдельного участка?

22. Что такое падение напряжения и как оно определяется?

23. Охарактеризуйте режимы работы генератора постоянного тока?

24. Что называется коротким замыканием, каковы его последствия?

25.Как формулируется первый закон Кирхгофа?

26. Как формулируется второй закон Кирхгофа?