Лекция к занятию Электрические цепи постоянного тока

ЛЕКЦИЯ 3-4
ТЕМА: Электрические цепи постоянного тока
1. Характеристики тока. Сила и плотность тока. Падение потенциала вдоль проводника с током.Всякое упорядоченное движение зарядов называется электрическим током. Носителями заряда в проводящих средах могут быть электроны, ионы, «дырки» и даже макроскопические заряженные частицы.За положительное направление тока принято считать направление движения положительных зарядов. Электрический ток характеризуется силой тока – величиной, определяемой количеством заряда, переносимого через воображаемую площадку, за единицу времени:Для постоянного тока силу тока можно определить как:Размерность силы тока в СИ: (ампер).Кроме этого, для характеристики тока в проводнике применяют понятие плотности тока – векторной величины, определяемой количеством заряда, переносимого за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную линиям тока (рис.5.1): Рис.5.1. К определению вектора плотности токаРазмерность плотности тока в СИ: .Покажем, что плотность тока  пропорциональна скорости упорядоченного движения зарядов в проводнике . Действительно, количество заряда, протекающее через поперечное сечение проводника за единицу времени есть (рис.5.2):,left0 где  - концентрация зарядов.Рис.5.2. К выводу формулы для плотности тока.Или в векторном виде:Как мы знаем, при равновесии зарядов, то есть при отсутствии тока, потенциал всех точек проводника имеет одно и то же значение, а напряженность электрического поля внутри него равна нулю (рис.5.3а). При наличии тока электрическое поле внутри проводника отлично от нуля, и вдоль проводника с током имеет место падение потенциала (рис.5.3б).Тleft0ока нет: Рис.5.3а. Электрическое поле проводника при отсутствии тока.Тleft0ок есть: Рис.5.3б. Электрическое поле проводника при наличии тока.Таким образом, для существования тока в проводнике необходимо выполнение двух условий: 1) наличие носителей заряда и 2) наличие электрического поля в проводнике.2. Закон Ома для однородного участка цепи. Сопротивление проводников. Между падением потенциала - напряжением ^ U и силой тока в проводнике I существует функциональная зависимость , называемая вольтампернойхарактеристикой данного проводника (ВАХ). Вид этой зависимости для разных проводников и устройств может быть самым разнообразным.Кleft0ак показывает опыт, для многих проводящих материалов выполняется зависимость:  ,пleft0олучившая название закона Ома (Ohm G., 1787-1854) для однородного участка цепи. (ВАХ приведена на рис.5.4).Рис.5.4. ВАХ проводника, подчиняющегося закону Ома.Коэффициент пропорциональности R называется сопротивлением проводника. Сопротивление однородного проводника (рис.5.5) зависит от материала, из которого он изготовлен, его формы, размеров, а также от температуры.left0Рис.5.5. Однородный проводник.Размерность сопротивления: [R] = . Кратные единицы измерения: 1кОм = 103Ом ; 1Мом = 106Ом.ρ – удельное сопротивление. Размерность ρ в СИ: [ρ] = Ом∙м.Для многих веществ зависимость сопротивления от температуры в широком интервале температур вблизи Т≈300К определяется эмпирической зависимостью от температуры их удельного сопротивления:,где α – температурный коэффициент сопротивления; - значение  при .Для металлов , поэтому сопротивление металлов в указанной области температур пропорционально температуре (рис.5.6).Рис.5.6. Зависимость сопротивления металлов от температуры.Для электролитов α<0, зависимость их сопротивления от температуры имеет вид, изображенный на рис.5.7. Для разных электролитов α различно.Рис.5.7. Зависимость сопротивления электролитов от температуры.^ 3. Дифференциальная форма закона Ома.Если проводник неоднороден по своему составу и/или имеет неодинаковое сечение, то для характеристики тока в различных частях проводника используют закон Ома в дифференциальной форме. Для его вывода выделим внутри проводника элементарный цилиндрический объем (рис.5.8) с образующими, параллельными вектору плотности тока . Если выделенный объем достаточно мал, его можно считать однородным и применить к нему закон Ома: left0 , где , откудаРис.5.8. К выводу закона Ома в дифференциальной форме.Или в векторном виде:Величина  называется коэффициентом электропроводности или проводимостью материала. Единицей измерения σ в СИ является (Ом∙м)-1=См (сименс).^ 4. Сторонние силы. ЭДС источника тока. Закон Ома для неоднородного участка цепи и для замкнутой цепи.Для протекания электрического тока в проводнике необходимо, чтобы на его концах поддерживалась разность потенциалов. Очевидно, для этой цели не может быть использован заряженный конденсатор. Действительно, если включить в цепь проводника заряженный конденсатор (рис.5.9) и замкнуть цепь, то под действием сил электростатического поля заряды придут в движение, возникнет кратковременный ток, после чего установится равновесное распределение зарядов, при котором потенциалы концов проводника выравниваются и ток прекращается. Другими словами, электростатическое поле конденсатора не может осуществить постоянную циркуляцию зарядов в цепи (то есть электрический ток), что является следствием потенциальности электростатического поля – равенства нулю работы сил электростатического поля по замкнутому контуру. Таким образом, для поддержания постоянного тока в замкнутой цепи необходимо действие сторонних сил неэлектростатического происхождения и не являющихся потенциальными силами.left0Кратковременный ток.Рис.5.9. Заряженный конденсатор не может служить источником постоянного тока.Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей заряда через границу двух разнородных проводников, магнитнымиполями, другими причинами. Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают по перемещению зарядов в замкнутой цепи. Величина, равная работе сторонних сил Аст, отнесенная кединице положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС). Единицей измерения ЭДС в СИ (как и напряжения) является В (Вольт).Рleft0абота сторонних сил по замкнутому контуру не равна нулю (рис.5.10):Рис.5.10. Источник электродвижущей силы в замкнутой цепи.Участок цепи, содержащий источник ЭДС, называется неоднородным (рис.5.11). Всякий источник ЭДС характеризуется величиной ЭДС ε и внутренним сопротивлением r.left0- напряжение на концах участка цепи.Рис.5.11. Неоднородный участок цепи.Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид:При соединении концов неоднородного участка цепи идеальным проводником образуется замкнутая цепь, в которойпотенциалы φ1 и φ2 выравниваются и мы приходим к закону Ома для замкнутой (или полной) цепи:Если сопротивление внешней цепи , то имеем случай короткого замыкания. В этом случае в цепи течет максимальный ток:При  имеем разомкнутую цепь. В этом случае ток в цепи равен нулю:^ 5left0. Напряжение на зажимах источника тока.Как видно из рис.5.12: или Рис.5.12. Напряжение на зажимах источника тока.График зависимости приведен на рис.5.13.Пleft0Vри коротком замыкании V = 0. V = ε для разомкнутой цепи.Рис.5.13. Зависимость V от сопротивления внешней нагрузки R.^ 6. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа.Эleft0лектрическая цепь, содержащая в себе узлы, называется разветвленной. Узел – место в цепи, где сходятся три или более проводников (рис.5.14). Для расчета разветвленных цепей применяют правила Кирхгофа (Kirchhoff G.,1824-1887), являющиеся прямым следствием основных законов теории электричества. Этих правил два.Рис.5.14. Участок разветвленной цепи.Первое правило: алгебраическая сумма всех токов, сходящихся в узле равна нулю:^ Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда в применении к узлу, через который протекают постоянные токи. Если в цепи имеется N узлов, то пишется N -1 уравнение для любых узлов.Второе правило: для любого замкнутого контура, выделенного внутри разветвленной цепи, алгебраическая сумма падений напряжений на сопротивлениях равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом контуре:^ Второе правило Кирхгофа является следствием равенства нулю циркуляции электро- статического поля по замкнутому контуру, то есть следствием его потенциальности.^ 7. Соединение сопротивлений.Соединение сопротивлений бывает последовательным, параллельным и смешанным.1) Последовательное соединение.При последовательном соединении ток, текущий через все сопротивления, одинаковый, а падения напряжения разные (рис.5.15).Рис.5.15. Последовательное соединение сопротивлений. , откуда следует, что2) Параллельное соединение.При параллельном соединении падения напряжения на всех сопротивлениях одинаковые, а токи, текущие в них, разные (рис.5.16).Рис.5.16. Параллельное соединение сопротивлений. , откуда следует, что^ 8. Работа и мощность постоянного тока. Закон Джоуля – Ленца.При протекании по проводнику электрического тока проводник нагревается. Нагревание происходит за счет работы, совершаемой силами поля над носителями заряда: ,left0Рис.5.17. Проводник с током.Джоуль (Joule J., 1818-1889) и независимо от него Э.Х.Ленц (1804-1865) установили экспериментально, что количество теплоты, выделяющейся в проводнике, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока:Если сила тока изменяется со временем, то за промежуток времени Δt = t2 – t1 выделится теплота:Написанные соотношения выражают собой закон Джоуля – Ленца.Если теплоту измерять в калориях, то: .Количество теплоты, выделяющееся в единице объема проводника за единицу времени, называется удельной мощностью: , где - плотность тока.Это соотношение представляет собой закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме: Работа, производимая током за единицу времени, называется мощностью:.Размерность мощности в СИ: (ватт).^ 9. КПД источника тока.Перемещая электрические заряды по замкнутой цепи, источник тока совершает работу. Различают полезную и полную работу источника тока. Полезная работа – это та, которую совершает источник по перемещению зарядов во внешней цепи; полная работа – это работа источника по перемещению зарядов во всей цепи: - полезная работа; - полная работа.Соответственно этому, различают полезную и полную мощность источника тока:Коэффициентом полезного действия (КПД) источника тока называют отношение:Выясним, при каком сопротивлении внешней цепи  полезная мощность максимальна. Имеем: , где ;left0, откуда.Рис.5.18. Зависимость Рполезн от R.Условие  называется условием согласования источника и нагрузки. В этом случае мощность, выделяемая источником во внешней цепи, максимальна (рис.5.18). Отметим, что при выполнении условия согласования КПД источника тока , то есть максимальная полезная мощность и максимальный КПД несовместимы. Из приведенного графика видно также, что одну и ту же полезную мощность можно получить при двух различных сопротивлениях внешней нагрузки .