close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Конспект Юля (2)

код для вставкиСкачать
Цель работы: Изучить характеристики электрической цепи постоянного тока.
ВВЕДЕНИЕ
Возникновение тока в цепи. Всякое направленное движение электрических зарядов называется электрическим током.
В металлах свободно могут перемещаться только электроны, поэтому электрический ток в металлах есть движение электронов. Условием возникновения электрического тока является как наличие свободных зарядов, так и существование внутри проводника электрическою поля. Под действием электрических сил происходит перемещение зарядов вдоль проводника. Линии, вдоль которых движутся заряженные частицы, названы линиями тока. За направление линий тока принимают направление движения положительных зарядов (рис.1).
Чем порождается электрическое поле внутри проводника? Для постоянного тока электрическое и магнитное поле не изменяется со временем, по этому как следует из уравнений Максвелла источником электрического поля в проводнике могут быть только заряды. Из закона сохранения заряда следует, что внутри проводника объемных зарядов нет, а линии тока непрерывны, значит замкнуты сами на себя. Отсюда следует, что, во-первых, заряды, создающие поле внутри проводника должны находиться на поверхности проводника, во-вторых, движение зарядов должно осуществляться по замкнутому контуру - электрической цепи. Поверхностные заряды не могут иметь электростатическое происхождение, поскольку электростатические силы потенциальны - работа этих сил по замкнутому контуру электрической цепи равна нулю. Значит для поддержания электрического тока нужны силы не электростатического происхождения - сторонние силы. В электрической цепи должно существовать устройство создающее сторонние силы. Такой элемент цепи называется источником тока. Однако сам источник тока непосредственно не может создать электрическое поле внутри проводника по всей длине электрической цепи, так как напряжённость электрического поля источника быстро убывает с расстоянием. Роль источника тока сводятся к перераспределению поверхностных зарядов проводника. Рассмотрим процесс перераспределения зарядов вдоль электрической цепи после включения источника тока (рис.2)
Пусть в момент включения источника тока напряженность электрического поля около источника нарастает до максимального значения. Изменяющееся электрическое поле вызовет магнитное поле направление которого определяется по правилу правого винта относительно вектора . Изменяющееся магнитное поле , вызовет появление вихревого электрического поля , направление которого определяется по правилу левого винта относительно вектора , в т. 1 поля , и , компенсируют друг друга. То же самое происходит и с полями и . Исчезая в т. 1 электрическое поле проявляется в т. 2. В итоге вдоль электрической цепи распространяется электромагнитный импульс. На поверхности проводников нормальная компонента век тора (рис.3) индуцирует электрические заряды, плотность которых .
Поверхностные заряды под действием касательной силы будут перемещаться вдоль электрической цепи, В результате прохождения электромагнитного импульса вдоль электрической цепи устанавливается такое распределение поверхностных зарядов, что созданная ими внутри проводника напряжённость электрического поля будет не равна нулю и потечёт ток. В случае постоянного тока распределение движущихся зарядов будет неизменным. На место ушедших зарядов непрерывно приходит равное количество новых зарядов. Такие заряды создают электрическое поле аналогичное полю неподвижных зарядов той же плотности. Поэтому как и электростатическое поле электрическое поле стационарного тока является полем потенциальным.
Характеристики электрической цепи. Количественными характеристиками электрической цепи служат: сила тока, разность потенциалов участка цепи, напряжение, сопротивление, электродвижущая сила. Сила тока численно равна заряду, проходящему в единицу времени через сечение проводника
(1)
Электрический заряд перемещается вдоль электрической цепи под воздействием различных сил. Внутри источника тока действуют сторонние силы, а вне источника - силы стационарного электрического поля.
Величина, численно равная работе стационарного электрического поля по перемещению положительного единичного заряда называется разностью потенциалов на участке цепи 1-2 (рис.4а)
Величина, численно равная работе сторонник сил по перемещению положительного единичного заряда называется электродвижущей силой на участке цепи 1-2. (рис. 46)
(3)
Величина, численно равная работе сторонних сил и сил стационарного электрического поля по перемещению единичного положительного заряда называется напряжением
(4)
на участке цепи 1-2 (рис. 4в)
Для участка электрической цепи Ом установил закон, согласно которому сила тока на участке цепи пропорциональна напряжению
(5)
где R12 - электрическое сопротивление участка цепи 1-2. При этом знак силы тока считается положительным, если ток течёт от т. 1 к т. 2, а знак э.д.с. положительный, если проходят источник тока от минуса к плюсу. Закон Ома для полной цепи (рис.5)
(6)
где г - внутреннее сопротивление источника тока, R - сопротивление внешне го участка цепи.
Разеетвлённая цепь. Во многих практически важных случаях электрические цепи являются разветвленными (рис.6).
Для нахождения силы тока на различных участках такой цепи используют правила Кирхгофа.
Правило 1: Сумма токов входящих в узел (например т. А) равна сумме то ков выходящих из узла
(7)
Правило 2: для любого замкнутого контура электрической цепи алгебраическая сумма произведений токов на сопротивление участков равна алгебраической сумме з.д.с. в этом контуре.
(8)
При применении правил Кирхгофа надо для всех участков цепи произвольно обозначить направление токов. В произвольно выбранных контурах указать произвольно направление обхода. Если направление обхода совпадает с на правлением тока, то знак I в (8) выбирается положительный. Если при этом эд.с. проходят от (-) к (+), то знак э.дс. в (8) выбирают положительный.
Для цепи (рис.6) при известных , получим систему уравнений для нахождения токов в ветвях
Потенциальная диаграмма. Распределение потенциала вдоль электрической цепи изображают на потенциальной диаграмме, откладывая по оси ординат потенциал точек цепи, а по оси абсцисс - координату точек цепи. Построим диаграмму для цепи (рис.7).
Внутреннее сопротивление источников тока равно нулю. Пусть расчёт тока цепи по закону Ома
показал, что ток течет против часовой стрелки, двигаясь от т. А по пунктирной стрелке изобразим на диаграмме (рис.8) изменение потенциала. При про ходе источника I потенциал скачком увеличивается на величину .
Далее, так как ток течёт навстречу поэтому при проходе сопротивления R1 (потенциал линейно нарастает на величину IR1. Проходя источник 2 потенциал уменьшается на величину . Затем, после прохождения сопротивления R2 достигает значения потенциала точки А. Длина участков падения напряжения IR1, 1R2 вдоль оси выбирается произвольно равной.
Энергетические характеристики. Движущиеся по проводнику заряды создают электрическое поле и магнитное поле . Вектор Умова-Пойтинга
направлен внутрь проводника перпендикулярно боковой поверхности (рис.9). Это означает, что энергия электромагнитного поля непрерывно втекает в про водник через боковую поверхность из окружающего пространства. Энергия идёт на совершение работы по перемещению зарядов вдоль проводника
(12)
Но для постоянного тока q=It, тогда
(13)
Если проводник неподвижен и в нём нет химических реакций, то вся поглощённая электромагнитная энергия расходуется на нагрев проводника. Количество тепла выделенное в проводнике по закону Джоуля-Ленца
(14)
Мощность - это работа, выполненная в единицу времени. Тогда из закона со хранения энергии следует, что вся производимая источником тока электрическая мощность Р0 преобразуется в цепи в тепловую мощность внутри источника Р и полезную мощность нагрузки Рн
P0=P+Pн=I2r+I2R (15)
Так как Р0=I, то полезная мощность
(16)
Мерой эффективности передачи энергии от источника к нагрузке служит коэффициент полезного действия, который равен отношению полезной мощности к полной мощности
Анализируя энергетические характеристики в зависимости от тока в цепи (рис.10) можно выделить три режима работы источника тока:
1. Режим холостого хода
I=0,R=(т.А на рис. 9)
2. Режим максимальной полезной мощности
I=/2r, R=r (т. В на рис. 9)
3. Режим короткого замыкания
I=/r, R=0 (т. С на рис. 9)
Нелинейный элемент цепи Вольт-амперной характеристикой (ВАХ) элемента электрической цепи называется зависимость между током и напряжением на нём I=I(U) (рис.10). Если ВАХ линейная, то сопротивление элемента постоянно и элемент называется линейным.
Если ВАХ нелинейная, то Rconst и элемент называется нелинейным. Так электрическая лампа накаливания, включенная в электрическую цепь, является нелинейным элементом цепи. Сопротивление вольфрамовой нити лампы изменяется с температурой по линейному закону
где R0 - сопротивление при Тc=0° С - температурный коэффициент сопротивления. Тc - температура в градусах Цельсия.
Ток проходящий через лампу нагревает нить в соответствие с законом Джоуля-Ленца. Основная часть потребляемой лампой электрической мощности расходуется на излучение. Однако только малая часть испускаемого нитью излучения воспринимается человеческим глазом. Лампу как источник света характеризует световой к.п.д.() показывающий долю электрической мощности преобразуемой в видимый световой поток. Световой к.п.д. приближённо может быть оценен формулой
где Т - температура нити в Кельвинах.
УСТАНОВКА
В работе используются два источника тока, вольтметр, амперметр и плата соединений
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
50
Размер файла
154 Кб
Теги
конспект, юля
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа