§ 100. Закон Ома для неоднородного участка цепи. Обобщенный закон ома для участка цепи

Обобщенный закон Ома для произвольного участка цепи — МегаЛекции

Структура электрической цепи.

Структура электрических цепей это соединения элементов определенным способом, и она не зависит от типа элементов. Поэтому структуру можно изучать по абстрактным графическим схемам цепи, на которых не отображается тип элементов. Такие схемы называют графами электрических цепей.

3. Граф и матрица электрической цепи:

Условное изображение схемы, в котором каждая ветвь заменяется отрезком линии, называется графом электрической цепи. При этом следует помнить, что ветви могут состоять из каких-либо элементов, в свою очередь соединенных различным образом.

Отрезок линии, соответствующий ветви схемы, называется ветвьюграфа. Граничные точки ветви графа называют узлами графа. Ветвям графа может быть дана определенная ориентация, указанная стрелкой. Граф, у которого все ветви ориентированы, называется ориентированным.

Матрица (используются также другие названия этой матрицы: полная матрица инциденций, матрица соединений, структурная матрица) – это таблица, в которой число столбцов равно числу ветвей графа p, а число строк равно числу узлов q. Номера строк совпадают с номерами узлов (строка с нулевым номером обычно располагается последней), номера столбцов совпадают с номерами ветвей. Элемент матрицы aij, расположенный на пересечении i-й строки и j-го столбца, может принимать значения +1, -1 и 0: aij = 1, если ветвь j инцидентна узлу i и направлена от этого узла; aij = -1, если ветвь j инцидентна узлу i и направлена к этому узлу; aij = 0, если ветвь j не инцидентна узлу i.

4. Законы Кирхгофа:

Cумма токов, подходящих к узловой точке электрической цепи, равна сумме токов, уходящих от этого узла.

В замкнутом контуре электрической цепи сумма всех ЭДС равна сумме падения напряжения в сопротивлениях того же контура.

E1 + E2 + E3 +...+ En = I1R1 + I2R2 + I3R3 +...+ InRn.

5. Эквивалентные преобразования последовательного параллельного и смешанного соединения потребителей:

При последовательном соединении нескольких резисторов конец первого резистора соединяют с началом второго, конец второго — с началом третьего и т. д. При таком соединении по всем элементам последовательной цепи проходит один и тот же ток I.

R=R1+R2

При параллельном соединении нескольких приемников они включаются между двумя точками электрической цепи, образуя параллельные ветви .Заменяя схемы параллельного соединения приемников лампы резисторами с сопротивлениями R1, R2, R3 При параллельном соединении ко всем резисторам приложено одинаковое напряжение U. Например, при двух параллельно включенных резисторах результирующее сопротивление цепи

R=R1*R2/(R1+R2)

Обобщенный закон Ома для произвольного участка цепи

IR = U12 = φ1 – φ2 + E

Где Е - ЭДС

Произведение силы тока на сопротивление участка цепи равно алгебраической сумме падения потенциала на этом участке и ЭДС всех источников электрической энергии, включенных на данным участке цепи.

8 Баланс мощностей:

В любой электрической цепи должен соблюдаться энергетический баланс - баланс мощностей: алгебраическая сумма мощностей всех источников равна арифметической сумме мощностей всех приемников энергии.

6. Эквивалентные преобразования соединения потребителей звездой и треугольником.

Звезда->Треугольник: Треугольник - > Звезда:

9. Расчет неразветвленных цепей.

Простейш неразветвленная цепь:

I=E/R

P=E*I

10. Расчет разветвленных цепей с одним источником.

RЭКВ = R1 + R2, 3 + R4

Uаб = R2, 3·I1

РИ = Е·I1

11. Метод уравнений Кирхгофа.

Рисунок для заданий 11-13:

Первый закон Кирхгофа: в узле электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю.

Второй закон Кирхгофа: в замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех сопротивлениях контура.

Эти системы дают достаточное количество уравнений для отыскания всех неизвестных токов.

12. Метод контурных токов.

Составляется системы уравнений по второму закону кирхгофа для контурных токов в каждом контуре:

После решения системы действительные токи ветвей определяются по найденным контурным:

13. Метод узловых потенциалов.

Уравнения, составляемые по этому методу, называются узловыми уравнениями. В качестве неизвестных они содержат потенциалы узлов, причем один из них задается заранее – обычно принимается равным нулю.

Запишем для каждой ветви выражение закона Ома:

Подставляем эти токи в систему:

И получим n-1 уравнений (n-число узлов):

14. Метод наложения.

ток в любой ветви сложной электрической цепи, содержащей несколько ЭДС, может быть найден как алгебраическая сумма токов в этой ветви от действия каждой ЭДС в отдельности.

15. Метод эквивалентного источника напряжения.

Нужно рассчитать ток I3:

Р е ш е н и е.

а) Расчет режима холостого хода.

Убираем третью ветвь, оставляя зажимы m и n разомкнутыми (рис. 1.21, а). Напряжение между ними, равное UX, находится как падение напряжения на сопротивлении R2:

б) Расчет режима короткого замыкания. Замыкаем накоротко зажимы m и n (рис. 1.21, б). Ток короткого замыкания:

Ik=E1/R1=75 (A)

Внутреннее сопротивление эквивалентного генератора:

Rэ=Ux/Ik

16. Цепи синусоидального тока. Основные характеристики гармонических сигналов. (3.1)

Период

Частота . (3.2)

Также существует понятие угловой (циклической) частоты:

. (3.3)

синусоидального тока и напряжения.

, (3.4)

где – мгновенное значение;

– амплитуда переменного сигнала – максимальная по модулю его величина;

– фаза гармонического сигнала – аргумент при синусе в каждый момент времени;

– начальная фаза – значение аргумента в начальный момент времени (t = 0). Фаза измеряется в радианах или градусах.

действующим значением тока:

. (3.8)

. (3.9)

Мгновенная мощность

Средняя мощность за период называется активной мощностью:

. (3.11)

17. Цепи синусоидального тока. Гармонический ток в сопротивлении.

Если напряжение u = Um sin(ωt + y) подвести к сопротивлению R, то через сопротивление пройдет гармонический ток

напряжение на зажимах сопротивления и ток, проходящий через это сопротивление, имеют одинаковую начальную фазу,

18. Цепи синусоидального тока. Гармонический ток в индуктивности.

напряжение на емкости C синусоидально u = Umsin(wt+y).

Электродвижущая сила самоиндукции определяется по формуле

(1.3)

. Значит, напряжение на индуктивности

19. Цепи синусоидального тока. Гармонический ток в емкости.

ток i опережает приложенное напряжение и на угол π/2

20. Цепи синусоидального тока. Последовательное соединение R, L, C.

Для мгновенных значений токов и напряжений выполняются I и II законы Кирхгофа.

При прохождении синусоидального тока через электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных элементов R, L, C (рис. 3.9), на выводах a – b этой цепи создается синусоидальное напряжение, равное по IIзакону Кирхгофа алгебраической сумме синусоидальных напряжений на отдельных элементах:

(3.21)

– цепь носит чисто активный характер

– цепь носит индуктивный характер, т.е. ;

– цепь носит емкостный характер, т.е. .

Полное сопротивление цепи

;

угол разности фаз

(3.24)

что удобно представлять с помощью треугольника сопротивлений (рис. 3.10).

Умножив левые и правые части выражений для сопротивлений (3.24) на действующее значение тока I, получим соответственно действующие значения напряжений на активном и реактивном сопротивлениях, которые называют активной и реактивной составляющими напряжения:

(3.25)

Тогда действующее значение суммарного напряжения можно определить как Для напряжений также можно построить прямоугольный треугольник напряжений.

21. Цепи синусоидального тока. Параллельное соединение R, L, C.

Если к выводам электрической цепи, состоящей из параллельно соединенных R, L, C приложено синусоидальное напряжение то по I закону Кирхгофа синусоидальный ток в неразветвленной части равен алгебраической сумме синусоидальных токов в параллельных ветвях

Активная проводимость цепи , всегда положительна.

Реактивная проводимость цепи , в зависимости от знака может иметь индуктивный (В > 0)или емкостный (B < 0)характер. Если В = 0, цепь носит активный характер.

– угол разности фаз определяется по оси в направлении от напряжения к току и является острым или прямым .

– при индуктивном характере цепи, т.е. при B > 0; при этом ток опережает по фазе напряжение.

– при емкостном характере цепи, т.е. при B < 0; при этом ток опережает по фазе напряжение.

– при резистивном характере цепи, т.е. при равенстве

22. …

23.Символический метод расчета. Законы Ома и Кирхгофа.

Закон Ома:

Пусть мгновенные значения напряжения и тока на зажимах произвольного пассивного двухполюсника определяются выражениями, комплексы действующих значений которых соответственно равны :

а их отношение определяет комплексное сопротивление двухполюсника:

Величина, обратная комплексному сопротивлению – комплексная проводимость:

Сопротивления z, R, x и проводимости y, G и B, входящие в два последних выражения, есть не что иное, как эквивалентные параметры двухполюсника.

24. Символический метод расчета. Последовательное соединение R, L, C.

Величины напряжений на отдельных элементах цепи:

Из треугольника oab по теореме Пифагора находим:

Вынося из под знака радикала, записываем последнее выражение в виде: U=I*z; где,z - полное сопротивление.

В последней формуле разность индуктивного и емкостного сопротивлений мы обозначили буквой х. Это общее реактивное сопротивление цепи: х = хL – xC.

Выражение U=Iz называется законом Ома для всей цепи. Оно может быть записано и так: I=U/z=Uy.

где, y– полная проводимость цепи, представляющая величину, обратную полному сопротивлению 1/z

Если необходимо определить угол сдвига фаз между напряжением и током, то это можно сделать из треугольника напряжений oab

25. Символический метод расчета. Параллельное соединение R, L, C.

Рассмотрим схему, состоящую из параллельно соединенных активного и реактивных элементов.

Требуется по известным G, ВL, ВC, U рассчитать токи

Подставив в уравнение первого закона Кирхгофа, получаем:

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

megalektsii.ru

Закон Ома для замкнутой цепи

На рисунке 2 показана простейшая замкнутая цепь, состоящая из реального источника э.д.с. Е, имеющего внутреннее сопротивлениеRвти нагрузочного резистора с сопротивлениемR(сопротивление соединительных проводов включено в сопротивлениеRрезистора).

Закон Ома для замкнутой цепиформулируется следующим образом:сила тока (ток, величина тока) прямо пропорциональна электродвижущей силе (э.д.с.) источника и записывается в виде:

(4)

где – коэффициент пропорциональности.

(4а)

ерепишем равенство (4) в виде

и введем обозначение U=IR– напряжение на выходных зажимах источника э.д.с. (генератора), которое одновременно является падением напряжения, создаваемым токомIна внешнем сопротивленииRнагрузочного резистора.

(5)

одставив это обозначение в правую часть равенства (4а), можно получить следующую зависимость:

которая представляет собой аналитическое выражение внешней характеристики источника э.д.с. Эту зависимость можно сокращенно записать в видеU = F(I) при E = const, Rвт = const. Внешней характеристикой принято называть графическую зависимость U = F(I), показанную на рисунке 3.

Сплошной линией показана внешняя характеристика реального источника э.д.с., в котором с ростом тока I увеличивается падение напряжения на внутреннем сопротивлении IRвт, в результате чего с ростом тока выходное напряжение источника U уменьшается. Пунктирной линией на рисунке 3 показана внешняя характеристика идеального источника э.д.с., у которого отсутствует внутреннее сопротивление (Rвт = 0), а, следовательно, и внутреннее падение напряжения (IRвт = 0). В результате равенство (5) принимает вид

(5а)

и характеристика представляет собой горизонтальную линию. Такой идеальный источник называют источником (генератором) бесконечной мощности, поскольку он гарантирует постоянство напряжения при сколь угодно больших токах нагрузки.

Закон Ома для участка цепи, содержащего источник э.Д.С. (обобщенный закон Ома)

На рисунках 4а и 4б показаны одинаковые участки, содержащие последовательно включенные резистор R и источник э.д.с. Е, по которым протекает ток I одного и того же направления. Что касается источников, то э.д.с. в схеме на рисунке 4а совпадает с направлением тока, а на рисунке 4б – действует встречно с током.

Рис. 4

(6)

ак известно,под напряжением Uна участке цепипонимают разность электрических потенциаловφмежду крайними точками этого участка (аисна рисунке 4). Ток всегда течет от более высокого потенциала к более низкому потенциалу. Поскольку ток в обоих случаях (рис. 4а и 4б) направлен от точкиак точкес, то напряжение

Выразим более высокий потенциал точки ачерез потенциал точкис. При перемещении (рис. 4а) от точкиск точкеb(встречно к направлению э.д.с. Е) потенциал точкиbоказывается ниже потенциала точкисна величину э.д.с. Е, то есть. Применительно к схеме на рисунке 4б потенциал точкиbбудет выше на величину э.д.с. Е, то есть. Поскольку потенциал точкиавыше потенциала точкиbна величину падения напряженияIRна резисторе с сопротивлениемR, то.

Таким образом, для рисунка 4а: , а для рисунка 4б:.

Соответственно напряжение между границами аисучастка:

;

Решив равенства (6а) и (6б) относительно тока, получим обобщенный закон Ома (закон Ома для участка цепи, содержащего источник э.д.с.):

;

В общем случае

(7)

В частном случае, когда э.д.с. отсутствует (Е = 0) уравнение (7) превращается в закон Ома для участка цепи, не содержащего э.д.с. (1).

studfiles.net

§ 100. Закон Ома для неоднородного участка цепи

Рассмотрим неоднородный участок цепи, где действующую э.д.с. на участке 1—2 обозначим через ξ12, а приложенную на концах участка разность потенциалов — через 1-2.

Если ток проходит по неподвижным проводникам, образующим участок 1—2, то работа A12 всех сил (сторонних и электростатических), совершаемая над носителями тока, по закону сохранения и превращения энергии равна теплоте, выделяющейся на участке. Работа сил, совершаемая при перемещении заряда Q0 на участке 1—2, согласно (97.4),

A12=Q0ξ12 + Q0(1-2). (100.1)

Э.д.с. ξ12, как и сила тока I,— величина скалярная. Ее необходимо брать либо с положительным, либо с отрицательным знаком в зависимости от знака работы, совершаемой сторонними силами. Если

э.д.с. способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении (в направлении 1—2), то ξ12>0. Если э.д.с. препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то

ξ12<0.

За время t в проводнике выделяется теплота (см. (99.5))

Q=I2Rt=IR(It)=IRQ0. (100.2) Из формул (100.1) и (100.2) получим

Выражение (100.3) или (100.4) представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме, который является обобщенным законом Ома.

Если на данном участке цепи источник тока отсутствует (ξ12=0), то из (100.4) приходим к закону Ома для однородного участка цепи (98.1):

I=(1-2)/R=U/R

(при отсутствии сторонних сил напряжение на концах участка равно разности потенциалов (см. §97)). Если же электрическая цепь замкнута, то выбранные точки 1 и 2 совпадают, 1=2; тогда из (100.4) получаем закон Ома для замкнутой цепи:

I=ξ/R,

где ξ— э.д.с., действующая в цепи, R — суммарное сопротивление всей цепи. В общем случае R = r+R1, где r — внутреннее сопротивление источника э.д.с., R1 — сопротивление внешней цепи. Поэтому закон Ома для замкнутой цепи будет иметь вид

I=ξ/(r+R1).

Если цепь разомкнута и, следовательно, в ней ток отсутствует (I=0), то из закона Ома (100.4) получим, что ξ12=2-1 т. е. э.д.с., действующая в разомкнутой цепи, равна разности потенциалов на ее концах. Следовательно, для того чтобы найти э.д.с. источника тока, надо измерить разность потенциалов на его клеммах при разомкнутой цепи.

§ 99. Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца

Рассмотрим однородный проводник, к концам которого приложено напряжение U. За время At через сечение проводника переносится заряд dq = Idt. Так как ток представляет собой перемещение заряда dq под действием электрического поля, то, по формуле (84.6), работа тока

dA=Udq=IUdt. (99.1)

Если сопротивление проводника R, то, используя закон Ома (98.1), получим

dA=I2Rdt=(U2/r)dt. (99.2)

Из (99.1) и (99.2) следует, что мощность тока

P=dA/dt=UI=I2R=U2/R. (99.3)

Если сила тока выражается в амперах, напряжение — в вольтах, сопротивление — в омах, то работа тока выражается в джоулях, а мощность — в ваттах. На практике применяются также внесистемные единицы работы тока: ватт-час (Вт•ч) и киловатт-час (кВт•ч). 1 Вт•ч — работа тока мощностью в 1 Вт в течение 1 ч: 1 Вт•ч = 3600 Вт•с = 3,6•103 Дж; 1 кВт•ч=103 Вт•ч = 3,6•106 Дж.

Если ток проходит по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока идет на его нагревание и, по закону сохранения энергии,

dQ=dA. (99.4)

Таким образом, используя выражения (99.4), (99.1) и (99.2), получим

Выражение (99.5) представляет собой закон Джоуля — Ленца, экспериментально установленный независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. X. Ленцем.

Выделим в проводнике элементарный цилиндрический объем dV=dSdl (ось цилиндра совпадает с направлением тока),

сопротивление которого R= (dl/dS). По закону Джоуля — Ленца, за время dt в этом объеме выделится теплота

Количество теплоты, выделяющееся за единицу времени в единице объема, называется удельной тепловой мощностью тока. Она равна

w=j2. (99.6)

Используя дифференциальную форму закона Ома (j =E) и соотношение =1/, получим

w =jE =E2. (99.7)

Формулы (99.6) и (99.7) являются обобщенным выражением закона Джоуля — Ленца в дифференциальной форме, пригодным для любого проводника.

Тепловое действие тока находит широкое применение в технике, которое началось с открытия в 1873 г. русским инженером А. Н. Лодыгиным (1847—1923) лампы накаливания. На нагревании, проводников электрическим током основано действие электрических муфельных печей, электрической дуги (открыта русским инженером В. В. Петровым (1761 — 1834)), контактной электросварки, бытовых электронагревательных приборов и т. д.

studfiles.net

Закон Ома для участка и полной замкнутой цепи

В 1826 г. немецкий ученый Георг Ом экспериментально установил прямую пропорциональную зависимость между силой тока I в проводнике и напряжением U на его концах: , где G - электрическая проводимость проводника. Величина, обратная проводимости называется электрическим сопротивлением проводника R. Таким образом, закон Ома для участка цепи, не содержащего источника э.д.с., имеет вид . Учитывая, что в общем случае участок цепи может содержать и э.д.с., закон Ома следует представить в виде .

Сопротивление проводника зависит от его размеров, формы и материала, из которого он изготовлен. Для однородного линейного проводника , где l - длина, S - площадь поперечного сечения проводника, r - удельное электрическое сопротивление, зависящее от материала, из которого изготовлен проводник. Единица сопротивления 1 Ом - это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1В течет ток в 1А.

Если цепь замкнута, то , , где R - общее сопротивление всей цепи, включая сопротивление источника э.д.с. Тогда закон Ома для замкнутой цепи следует записать , где e - алгебраическая сумма всех э.д.с., имеющихся в этой цепи.

Принято называть сопротивление источника тока r - внутренним, а сопротивление всей остальной цепи R - внешним. Окончательный вид формулы закона Ома для замкнутой цепи . В системе единиц СИ напряжение и э.д.с. измеряются в Вольтах (В), сопротивление - в Омах (Ом), удельное электрическое сопротивление - в Ом-метрах (Ом×м), электрическая проводимость в Сименсах (См).

Рис.2.1. Отрезок проводника.

Закон Ома можно записать и для плотности тока. Рассмотрим участок электрической длиной dl и поперечным сечением dS (рис.2.1). Сила тока на этом участке , сопротивление , падение напряжения , где Е - напряженность электрического поля в проводнике. Подставив эти параметры в закон Ома для участка цепи, получим . Отсюда или , где - удельная электрическая проводимость проводникаили удельная электропроводность. В векторном виде имеем (единицей измерения g в системе СИ является сименс на метр (См/м)). Полученное выражение есть закон Ома в дифференциальной форме : плотность тока в любой точке внутри проводника прямо пропорциональна напряженности поля в этой точке.

1.14 Сопротивление проводника. Явление сверхпроводимости.

Способность вещества проводить ток характеризуется его удельной проводимостьюg, либо удельным сопротивлением r. Их величина определяется химической природой проводника и условиями, в частности температурой, при которой он находится. Для большинства металлов r растет с температурой приблизительно по линейному закону: , - удельное сопротивление при 0°С, t - температура по шкале Цельсия, a - температурный коэффициент сопротивления близкий к 1/273 К-1 при не очень низких температурах. Так как R~r, то , где - сопротивление при 0°С. Преобразовав две последние формулы, можно записать и , где Т – температура по Кельвину. На основе температурной зависимости сопротивления металлов созданы термометры сопротивления - термисторы, позволяющие определять температуру с точностью до 0.003 К.

При низких температурах нарушается линейность зависимости сопротивления металлов от температуры и при температуре 0 К наблюдается остаточное сопротивление Rост. Величина Rост зависит от чистоты материала и наличия в нем механических напряжений. Лишь у идеально чистого металла с идеально правильной кристаллической решеткой Rост ®0 при Т®0 (пунктирная часть кривой).

Кроме этого, в 1911 г. Г.Каммерлинг-Оннес обнаружил, что при Тк = 4.1К сопротивление ртути скачкообразно уменьшается практически до нуля. Эта температура была названа критической, а наблюдаемое явление - сверхпроводимостью. Впоследствии этот эффект был обнаружен у целого ряда других металлов (Ti, Al, Pb, Zn, V и др.) и их сплавов в интервале температур 0.14-20 К. Вещества в сверхпроводящем состоянии обладают необычными свойствами. Однажды возбужденный в них ток может длительно существовать без источника тока. Переход в сверхпроводящее состояние сопровождается скачкообразным изменением теплоемкости, теплопроводности, магнитных свойств вещества. Выяснилось, что внешнее магнитное поле не проникает в толщину сверхпроводника, т.е. магнитная индукция внутри него всегда равна нулю. Явление сверхпроводимости объясняется на основе квантовой теории. К настоящему времени это явление обнаружено также у ряда композиционных веществ (например, соединений металлов и диэлектриков), при этом критическая температура доходит до температуры сжижения азота, что позволяет достаточно экономично использовать явление высокотемпературной сверхпроводимости в инженерной практике. Данное явление позволяет создавать: системы передачи без потерь электрического тока по проводам из таких веществ, системы для накопления электроэнергии, мощные электромагниты, магнитные подвески для различных целей.

1.15 Работа и мощность тока, закон Джоуля-Ленца.

Определим работу, совершаемую постоянным током в проводнике, имеющем сопротивление R и находящемся под напряжением . Так как ток представляет собой перемещение заряда q под действием поля, то работу тока можно определить по формуле . Учитывая формулу и закон Ома, получим , или , или , где t - время протекания тока. Поделив обе части равенства на t, получим выражения для мощности постоянного тока N

, , . Работа тока в системе единиц СИ измеряется в доулях (Дж), а мощность - в ваттах (Вт). На практике применяются также внесистемные единицы работы тока: ватт-час (Вт×ч) и киловатт-час (кВт×ч). 1Вт×ч - работа тока мощностью 1Вт в течение одного часа. 1Вт×ч=3.6×103 Дж.

Опыт показывает, что ток всегда вызывает некоторое нагревание проводника. Нагревание обусловлено тем, что кинетическая энергия движущихся по проводнику электронов (т.е. энергия тока) при каждом их столкновении с ионами металлической решетки переходит в теплоту Q. Если ток идет по неподвижному металлическому проводнику, то вся работа тока расходуется на его нагревание и, следуя закону сохранения энергии, можно записать . Данные соотношения выражают закон Джоуля-Ленца. Впервые этот закон был установлен опытным путем Д.Джоулем в 1843 г. и независимо от него Э.Ленцем в 1844 г. Применение теплового действия тока в технике началось с открытия в 1873 г. русским инженером А.Ладыгиным лампы накаливания.

На тепловом действии тока основан целый ряд электрических приборов и установок: тепловые электроизмерительные приборы, электропечи, электросварочная аппаратура, бытовые электронагревательные приборы - чайники, кипятильники, утюги. В пищевой промышленности широко применяется метод электроконтактного нагрева, заключающийся в том, что электрический ток, проходя через продукт, обладающий определенным сопротивлением, вызывает его равномерное нагревание. Например, для производства колбасных изделий через дозатор фарш поступает в формы, торцевые стенки которых служат электродами. При такой обработке обеспечивается равномерность нагрева по всему объему продукта, возможность поддержания определенного температурного режима, наивысшая биологическая ценность изделия, наименьшие длительность процесса и расход энергии.

Определим удельную тепловую мощность токаw, т.е. количество теплоты, выделяющееся в единице объема за единицу времени. Выделим в проводнике элементарный цилиндрический объем dV с поперечным сечением dS и длиной dl параллельной направлению тока, и сопротивлением , . По закону Джоуля-Ленца, за время dt в этом объеме выделится теплота . Тогда и, используя закон Ома для плотности тока и соотношение , получим . Эти соотношения выражают закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме.

1.16. Правило Кирхгофа для разветвленных электрических цепей.

До сих пор нами рассматривались простейшие электрические цепи, состоящие из одного замкнутого неразветвленного контура. На всех его участках силы тока одинаковы. Расчет I, R, e в такой цепи выполняется с помощью законов Ома.

Рис.2.2.Разветвленная электрическая цепь.

Более сложной является разветвленная электрическая цепь, состоящая из нескольких замкнутых контуров, имеющих общие участки. В каждом контуре может быть несколько источников тока. Силы тока на отдельных участках замкнутого контура могут быть различными по величине и направлению (рис.2.2). В 1847 г. Г.Кирхгоф сформулировал два правила, значительно упрощающих расчет разветвленных цепей.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма сил токов в узле равна нулю: . Узел - точка цепи, в которой сходятся не менее трех проводников. В электрической цепи на рис.2.2 имеются два узла А и В. Ток, входящий в узел, считается положительным, выходящий - отрицательным. Например, для узла А первое правило Кирхгофа следует записать .

Первое правило выражает закон сохранения электрического заряда, так как ни в одной точке цепи они не могут возникать или исчезать.

Второе правило Кирхгофа относится к любому замкнутому контуру, выделенному в разветвленной цепи: алгебраическая сумма произведений токов на сопротивления, включая и внутренние, на всех участках замкнутого контура равна алгебраической сумме электродвижущих сил, встречающихся в этом контуре . Контур ‑ это замкнутый участок схемы, по которому можно пройти и вернуться в исходную точку. Второе правило Кирхгофа получается из закона Ома, записанного для всех участков от узла до узла (ветвей) разветвленной схемы. В электрической цепи на рис.2.2 имеются три контура: AMNBA, CABDC, CMNDC. При этом, токи Ii в ветвях контура, совпадающие с произвольно выбранным направлением обхода контура, считаются положительными, а направленные навстречу обхода - отрицательными. Э.д.с., проходимые от «+» к «-» считаются положительными и наоборот. В рассматриваемой электрической цепи (рис.2.2) выберем обход контуров по часовой стрелке и запишем для них уравнения по II правилу Кирхгофа: для AMNBА ; для CABDС ; для CMNDС . В данном примере внутренними сопротивлениями источников тока пренебрегаем. Первое и второе правила Кирхгофа позволяют составить систему линейных алгебраических уравнений, которые связывают параметры (I, R, ) и позволяют, зная одни, найти другие.

Простые электрические цепи имеют очень большое практическое применение. В повседневной жизни полезно знать, как подключить динамики или проигрыватель к стереосистеме, как подсоединить сигнализацию для охраны или автомобильный кассетный проигрыватель, как зарядить аккумуляторы или осветить новогоднюю елку.

Большинство электрических цепей содержит комбинацию последовательно или параллельно подключенных резисторов (резистор - это элемент цепи, обладающий только сопротивлением). Полное сопротивление участка цепи определяется отношением падения напряжения на нем к величине силы тока . При последовательном соединении (рис.2.3 а) через все резисторы течет один и тот же ток. При параллельном соединении (рис.2.3 б) полный ток равен сумме токов, текущих в отдельных резисторах.

При последовательном соединении падение напряжения на участке АВ равно , т.е. сумме падений напряжения на трех резисторах. Разделим обе части равенства на I и получим , т.е. . Таким образом, полное сопротивление участка цепи, состоящего из последовательно соединенных резисторов, равно их алгебраической сумме .

При параллельном соединении (рис..2.3 б) мы имеем . Разделим обе части равенства на U, где U - падение напряжения на участке цепи АВ, причем , и получим . Из этого равенства следует . Величина обратная полному сопротивлению параллельно соединенных резисторов равна алгебраической сумме величин их обратных сопротивлений .

В электрическую цепь может быть включено регулируемое (изменяющееся с помощью специального движка), сопротивление, которое называется реостатом. По назначению реостаты делятся на пусковые, служащие для ограничения силы тока во время пуска двигателей, и регулирующие - для регулировки силы тока в цепи (постепенное снижение освещенности в театральных залах), регулировки скорости вращения электродвигателей и т.д. Реостат может быть использован в качестве так называемого датчика перемещения. В автоматических регуляторах уровня жидкости в резервуарах применяется поплавково-реостатный датчик. Специальный поплавок крепится к движку реостата. Изменение уровня жидкости сдвигает поплавок, изменяет сопротивление реостата, и следовательно, силы тока в цепи, величина которого дает информацию об уровне.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

zdamsam.ru