ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 134
Скачиваний: 9
Таким образом, мощность, рассеиваемая на каком-либо сопротивлении, определяется следующим образом:
Р = u i ↔ PR = |
(19) |
ЗАКОНЫ КИРХГОФА
Первый закон Кирхгофа, Пусть имеется некоторая слож ная электрическая цепь с точкой разветвления проводов (узлом). По некоторым проводникам токи притекают к точке разветвления, а по некоторым утекают от нее. Первый за кон Кирхгофа описывает протекание тока в таких сложных цепях и гласит, что сумма токов, направленных к точке раз ветвления проводов, равна сумме токов, направленных от нее.
Закон достаточно прост и дополнительных пояснений не тре бует.
Второй закон Кирхгофа относится к напряжениям, дей ствующим в замкнутой электрической цепи, и гласит,!,что
алгебраическая сумма э.д.с. равна сумме падений напряжения на отдельных участках данной цепи (включая и внутреннее сопротивление самого источника).
Второй закон Кирхгофа используеться обычно для зам кнутых контуров сложной, многоконтурной цепи, содержа щей большое количество источников э.д.с. Однако его можно применить и для простейшей, одноконтурной цепи, напри мер изображенной на рис. 8. Для этой цепи второй закон Кирхгофа может быть выражен следующим образом:
(20)
ЗАКОН ДЖОУЛ Я-ЛЕНЦА
Во всяком проводнике при температуре выше абсолют ного нуля всегда существует тепловое движение частиц. Ато мы, составляющие данное тело, не остаются неподвижными, а колеблются около некоторого среднего положения. При про хождении тока через проводник возникают столкновения движущихся электронов с атомами проводника. Амплиту да колебаний атомов возрастает, что равносильно увеличе нию температуры тела. Между энергией, затраченной источ ником, и количеством тепла, полученным телом, существует
20
определенная зависимость, которая носит название зако на Джоуля-Ленца.
Пусть имеется резистор с сопротивлением R, по которому протекает ток /. На этом резисторе рассеивается мощность Р = PR . Если ток протекает в течение времени t, то источ
ником э.д.с. расходуется энергия |
W = P R t; здесь |
W — |
электрическая энергия, дж. |
|
|
Экспериментально установлено, что при превращении |
||
одного джоуля электрической энергии в тепловую |
выде |
|
ляется 0,24 малой калории тепла. |
Исходя из этого в по |
|
следнюю формулу вводится коэффициент 0,24: |
|
|
Qt = 0,24PRt, |
(21) |
где Q — количество тепла.
Это выражение и характеризует собой закон ДжоуляЛенца, который формулируется следующим образом: к о
л и ч е с т в о т е п л а , |
в ы д е л я е м о е п р и н а |
|
г р е в а н и и п р о в о д н и к а |
э л е к т р и ч е с к и м |
т о к о м , п р я м о п р о п о р ц и о н а л ь н о к в а д р а т у с и л ы т о к а , с о п р о т и в л е н и ю п р о в о д н и к а и в р е м е н и .
Тепловое действие тока используется в различных элект ронагревательных приборах (утюги, плиты, печи, паяльники
идр.). Но иногда тепловое действие тока является вредным, так как может вызвать нарушение правильного теплового режима работы данного узла и привести к выходу его из строя (перегрев обмотки трансформатора, электродвигателя
идр.). На тепловом действии тока основана работа различ ных передохранительных устройств, отключающих элект рическую цепь от источника при ненормальном увеличении тока в цепи.
СПОСОБЫ ВКЛЮЧЕНИЯ В ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННЫХ РЕЗИСТОРОВ
В радиосхемах наряду с постоянными резисторами при меняются переменные, сопротивление которых может из меняться в некоторых пределах. У переменных резисторов кроме двух крайних выводов от концов токопроводящего слоя имеется средний, связанный с подвижным ползунком. Су ществует два способа включения переменных резисторов в электрическую цепь. При первом способе переменный ре зистор Rp включается в цепь последовательно с основным,
21
нагрузочным, резистором R H(рис. 9) и служит для изменения тока в цепи. При таком включении резистора перемещение ползунка будет сопровождаться изменением общего сопро тивления цепи и, следовательно, изменением силы тока, протекающего в ней. Такой переменный резистор, включен ный в цепь последовательно и служащий для регулиров ки силы тока в цепи, получил название р е о с т а т а .
При втором способе переменный резистор своими край ними выводами подключается параллельно источнику э.д.с. или некоторому участку цепи, где действует нужное напряжение. Средний вывод, связанный с ползунком, и один
Рис. 9. |
Включение |
Рис. 10. |
Включение |
пере |
переменного рези |
менного |
резистора |
потен |
|
стора |
реостатом |
|
циометром |
|
из крайних соединяются с нагрузкой (рис. 10). Если переме щать ползунок переменного резистора от одного конца токо проводящего слоя до другого, то напряжение на нагрузке будет изменяться от минимальной до максимальной вели чины, определяемой э.д.с. источника. Переменный резистор, включенный подобным образом и служащий для регулиро вания напряжения на нагрузке, называется п о т е н ц и о м е т р о м . Потенциометры используются в радиосхемах для регулировки различных напряжений питания, гром кости и тембра звука (в приемниках), яркости и контраст ности изображения (в телевизорах) и т. д.
ПРАВИЛА ВКЛЮЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЦЕПЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
На практике наиболее часто приходится измерять силу тока, протекающего в электрической цепи, и напряжение (разность потенциалов), действующее на различных участ ках этой цепи. Для измерения напряжения и силы тока су ществуют специальные измерительные приборы — ампер
22
метры и вольтметры, которые включаются определенным способом в цепь.
Измерить силу тока в цепи — это значит сосчитать число зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника за единицу времени (одну секунду). Для того чтобы осуще ствить такой подсчет, необходимо сделать так, чтобы все заряды проходили через измерительный прибор. В таком случае прибор для измерения силы тока — амперметр нуж но включать в цепь п о с л е д о в а т е л ь н о (рис. 9). Амперметр может быть включен в любом месте данной цепи, так как во всех ее участках протекает один и тот же ток.
При измерении напряжений (разности потенциалов) из мерительный прибор — вольтметр — всегда подключается именно к этим точкам с различными электрическими потен циалами. Иными словами, к участку цепи, где измеряется
напряжение, вольтметр |
подключается |
п а р а л л е л ь н о |
|||||||||
(рис. |
10). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КОНДЕНСАТОР В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА |
|
|
||||||||
Составим схему, содержащую источник постоянной э.д.с., |
|||||||||||
резистор R, конденсатор |
С и переключатель |
В |
(рис.ЧІ). |
||||||||
Если поставить переключатель В в положение /, |
то хо |
||||||||||
тя цепь фактически разомкнута, в |
ней некоторое |
время |
|||||||||
будет |
протекать |
ток. |
Свободные |
|
|
|
|
|
|
||
электроны с верхней обкладки кон |
|
|
|
|
|
|
|||||
денсатора через резистор R, контак |
|
|
|
|
|
|
|||||
ты переключателя В и соединитель |
|
|
|
|
|
|
|||||
ные проводники будут двигаться к |
|
|
|
|
|
|
|||||
положительному |
полюсу |
источ |
|
|
|
|
|
|
|||
ника. В то же время с отрицатель- |
Рис |
и> |
Конденсатор |
||||||||
ного |
полюса источника электроны, |
в цепи |
постоянного тока |
||||||||
имеющиеся |
там |
в избытке, |
будут |
|
|
|
|
|
|
||
проходить |
в нижний |
проводник |
и |
двигаться |
к |
ниж |
ней обкладке конденсатора. Таким образом, в момент замы кания контактов переключателя во всей цепи (за исключе нием промежутка между обкладками конденсатора) скач ком возникает ток. Величина его для этогормомента времени
будет максимальной и равной г<=0 = к- • Известно, что
А
напряжение на обкладках конденсатора пропорционально
заряду <7, накопленному на обкладках, т. е. Uc = . В это
23
первое мгновение конденсатор еще не заряжен, напряжение на его обкладках равно нулю и, следовательно, все напря жение источника э. д. с. оказывается приложенным к ре зистору R.
При дальнейшем движении зарядов по цепи происходит постепенное накопление этих зарядов на обкладках конденса тора. С верхней обкладки все большее и большее число элект ронов уходит к положительному полюсу источника, и об кладка приобретает все больший и больший положитель ный заряд. В то же время все большее и большее количест во электронов с отрицательного полюса источника поступа ет на нижнюю обкладку, и она приобретает все больший и больший отрицательный заряд. Благодаря наличию сил взаимодействия заряды на обеих обкладках в любой момент времени оказываются равными между собой.
Такой процесс накопления электрических зарядов на обкладках конденсатора носит название з а р я д а конден сатора (не путать с понятием заряда, данным в первой главе).
При заряде конденсатора между его обкладками возни кает и растет разность потенциалов Uc- В пространстве меж ду обкладками образуется электрическое поле, вследствие чего диэлектрик поляризуется (см. ранее). Поляризация диэлектрика поддерживается той энергией, которая запа сена в электрическом поле конденсатора. Как видно из схе
мы (рис. |
11), полярность напряжения Uc такова, что оно |
действует |
н а в с т р е ч у э.д.с. источника. Тогда ток, про |
текающий в цепи и заряжающий конденсатор С, будет соз даваться не э.д.с. источника напряжения, а р а з н о с т ь ю этой э.д.с. и напряжения Uc на конденсаторе.
По мере заряда конденсатора напряжение Uc растет, результирующее напряжение, действующее в цепи, пада ет и это приводит к постепенному уменьшению тока, заря жающего конденсатор. Когда конденсатор полностью за рядится, т. е. напряжение на его обкладках достигнет э.д.с. источника, ток в цепи станет равным нулю. Теоре тически для этого требуется бесконечно долгое время, но практически процесс заряда конденсатора заканчивается за время, равное нескольким долям секунды.
Изобразим графически временную зависимость изме нения тока при заряде конденсатора через резистор (рис. 12). Эта зависимость изобразится в виде плавной кривой, которая носит название э к с п о н е н т ы . Как видно из графика, сначала ток в цепи уменьшается быстро, а затем с
24
меньшей скоростью. Через некоторое время ток в цепи стано вится равным нулю. Аналогичную кривую можно постро ить и для напряжения, действующего на обкладках кон денсатора. В первый момент времени напряжение равно
нулю, |
и поэтому кривая начинается в точке О. |
По мере |
|
заряда |
конденсатора |
напряжение UQ возрастает |
сначала |
быстро, |
а затем все |
с меньшей и меньшей скоростью. |
Как видно из графика, при своем изменении напряжение Uc стремится к некоторому пределу, определяемому э.д. с. ис точника. По достижении этого предела, напряжение Uc ста новится постоянным и равным э.д.с. источника. Заряд кон денсатора прекращается. В электрическом поле, возникаю щем между обкладками конденсатора при его заряде, запа
сается электрическая энергия. Ве |
|
h<uc |
и |
|||
личина ее будет тем |
больше, чем |
|
||||
е |
V |
|||||
больше напряжение Uc и чем боль |
|
|||||
Імто |
|
|||||
ше емкость конденсатора. В теории |
|
|||||
доказывается, что если конденсатор |
|
|
||||
емкостью |
С зарядить |
до напряже |
|
|
t |
|
ния Uc , |
то в нем будет запасена |
|
|
|
||
энергия |
Wc , равная: |
|
Рис. 12. Изменение тока |
|||
|
v', |
|
||||
|
|
и напряжения конденса- |
||||
|
W a |
(22) |
тора в процессе |
заряда |
||
Если заряженный |
конденсатор |
отключить от цепи (на |
||||
пример, |
в данной схеме поставить переключатель |
в по |
ложение 2), то при хорошем качестве диэлектрика он спосо бен достаточно долгое время сохранять введенный в него заряд, т. е. сохранять запасенную в нем энергию. Но если параллельно заряженному конденсатору подключить какойлибо резистор ( в схеме поставить переключатель в поло жение 3), то начнется процесс разряда конденсатора. Элект роны с нижней обкладки через соединительные проводки и резистор R будут переходить на верхнюю обкладку, где будет происходить их нейтрализация положительными заря дами. В ходе процесса заряд, введенный в конденсатор, будет уменьшаться, что повлечет за собой постепенное умень шение напряжения Uc и, следовательно, тока в цепи. Как уменьшение напряжения Uc , так и уменьшение разрядного тока конденсатора происходят также п о э к с п о н е н ц и - а л ь н о м у закону (графически это изобразится кривыми, аналогичными кривой зарядного тока на рис. 12). По окон чании процесса разряда напряжение Ѵс становится равным
25