что такое внешняя цепь в физике
Внутренняя и внешняя электрическая цепь
Вы будете перенаправлены на Автор24
Электрической цепью в физике считается определенный комплекс разного рода элементов, соединенных между собой проводниками, основным назначением которого является протекание тока.
Ассортимент элементов электрической цепи достаточно широк. Так, они бывают:
Элементы электрической цепи
Каждая электрическая цепь будет включать в себя разноплановые объекты и устройства, формирующие специальные пути для прохождения электротока. С целью детального описания электромагнитных процессов, осуществляемых в каждом из них, на практике применяют такие понятия, как:
Согласно условному распределению, все элементы электрической цепи подразделяются на три составные части. Первую представляют источники питания, вырабатывающие электроэнергию. Вторая характеризуется элементами, преобразующими электричество в иные виды энергии, больше известные в виде приемников. Третья часть составляют передающие устройства – провода и прочие установки, отвечающие за обеспечение соответствующего качества и уровня напряжения.
Внутренние и внешние части электрической цепи
Составными простейшей электрической цепи являются: источник, один или несколько приемников электроэнергии с последовательным соединением и соединительные провода.
Источник питания контролирует образование внутренней части цепи, а потребитель, в то же время, формирует ее внешнюю часть (в совокупности с измерительными приборами, коммутирующими аппаратами и соединительными проводами).
Внешний участок (иными словами, внешняя цепь) будет состоять из одного или нескольких приемников электроэнергии, а также из соединительных проводов и разных вспомогательных устройств, включенных в такую цепь. Наряду с тем, внутренний участок (называется также внутренняя цепь) — это и есть сам источник.
Готовые работы на аналогичную тему
При составлении расчетных схем элементы электроцепи, обладающие некоторым сопротивлением, (электролампы, например, или электронагревательные приборы) изображаются схематически в формате сосредоточенных в определенном месте схемы резисторов с сопротивлением. То же касается и элементов с индуктивностью (обмотки генераторов, трансформаторов и электродвигателей) и емкостью (трансформаторы).
Вспомогательным элементам электроцепей в виде включающих и выключающих аппаратов, защитных устройств, некоторых электроизмерительных приборов часто свойственно малое сопротивление, при этом они практически не оказывают воздействия на значения напряжений и токов. По этой причине они во внимание не принимаются и не указываются на схемах.
В момент образования замкнутого контура во внутренней и внешней части цепи, в ней фиксируют возникновение электрического тока. Силу тока, таким образом, определяет количество электричества (заряда), проходящего за единицу времени через поперечное сечение проводника:
Прохождение в цепи электрического тока взаимосвязано с процессами преобразования энергии в каждом ее элементе, которые происходят в непрерывном режиме. В рамках процесса преобразования иных видов энергии в электрическую мы наблюдаем возбуждение в источнике питания электродвижущей силы (ЭДС).
Обратная сопротивлению величина называется проводимостью:
Напряжение, электродвижущая сила, ток и сопротивление связывает в простейшей цепи закон Ома, который выражается формулой:
Основные законы для электрических цепей
При анализе цепей сложного и простого типа широко применимы законы Кирхгофа, Ома, Джоуля Ленца, Фарадея, Ампера. Законы Ома существуют в двух вариациях: для участка цепи и полной цепи. Ток в участке цепи будет прямо пропорциональным напряжению на таком участке и обратно пропорциональным сопротивлению на нем, то есть:
При произведении тока участка цепи на величину сопротивления возникает падение на данном участке. Ток в электроцепи будет прямо пропорционален ЭДС источника и обратно пропорциональным сумме сопротивлений, состоящим из внутреннего и внешнего типа сопротивления источника питания. Таким образом:
Закон Джоуля-Ленца позволяет определять количество тепловой энергии, которое будет выделяться на сопротивление при протекании по нему электрического тока. Согласно формуле, это записывается так:
Под эквивалентными преобразованиями понимается замена участков электрической цепи, содержащая последовательно и параллельно соединенные несколько элементов посредством одного элемента. При этом следствием такой замены становится неизменность общего тока и напряжения цепи.
В качестве основной особенности последовательного соединения выступает наличие общего тока, равного по значению для всех элементов (включая также и последовательные). Это, в свою очередь, способствует прямой пропорциональности напряжения сопротивлению участка цепи на каждом из включенных последовательно элементов.
Внутренняя и внешняя электрическая цепь
Элементы электрических цепей классифицируют по различным признакам. К примеру, есть пассивные и активные элементы, линейные и нелинейные и так далее.
Элементы электрических цепей
В каждой электроцепи есть набор определенных устройств и приборов, которые формируют путь для течения электрического тока. Для характеристики их работы существует ряд основных параметров:
Внешние и внутренние составляющие цепи
Самая простая электроцепь состоит из источника и приемника, последовательно соединенных проводниками.
Источник является внутренней составляющей цепи, а приемник в комплексе со всеми приборами измерения, коммутационными устройствами и проводами, их соединяющими, является внешней составляющей электроцепи.
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Дополнительные элементы электроцепей, такие как переключатели, выключатели, приборы измерения, обладают очень низким сопротивлением и не влияют на величину тока и напряжения, поэтому их обычно не берут во внимание и не наносят на электросхемы.
При замыкании внешней и внутренней составляющих в замкнутый контур, по нему начинает течь электрический ток, величина которого определяется количеством заряда, протекающего в единицу времени через поперечное сечение проводника. Для постоянного тока его значение определяют по такой формуле:
Для переменного тока его величина определяется так:
Протекание электрического тока в цепи связано с непрерывными преобразовательными процессами в ее элементах. Например, при преобразовании других видов энергии в электрическую в источнике питания возникает ЭДС, благодаря которой при замыкании цепи, в которую включен источник, по ней течет ток.
Так же, как и источник питания, внешняя цепь обладает определенным сопротивлением протеканию электротока. Физическая природа сопротивления заключается в тепловом движении молекул и атомов. То есть, размер сопротивления будет определяться материалом, размерами и формой проводника:
где \(ρ\) – удельное сопротивление проводника;
\(l \) – длина проводника;
\(S\) – поперечное сечение проводника.
Величину, обратную сопротивлению, называют проводимостью:
Основные параметры простой электрической цепи связаны выражением закона Ома:
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Основополагающие законы для электрических цепей
Для расчета и анализа работы электроцепей применяют законы Ома, Кирхгофа, Джоуля-Ленца, Фарадея, Ампера.
Что касается закона Ома, существует два его варианта – для полной цепи и для ее участка. Сила тока участка цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна его сопротивлению:
Для полной цепи сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника питания и обратно пропорциональна суммарному сопротивлению цепи:
Для определения количества тепловой энергии, выделяемого при протекании тока через сопротивление, применяют закон Джоуля-Ленца:
Закон электромагнитной индукции Фарадея позволяет установить взаимосвязь между:
Согласно закону Фарадея электродвижущая сила, индуцируемая изменением магнитного потока, что проходит через поверхность, прямо пропорциональна скорости изменения потока:
где \(Ф\) – магнитный поток;
Эквивалентное преобразование цепи – это процесс замещения участков цепи с параллельным или последовательным соединением элементов одним элементом с соответствующим сопротивлением, при котором сила тока и напряжения не меняются. Данный прием используют для упрощения расчетов электроцепей.
Основной особенностью последовательного подключения элементов является общий ток для всех элементов, но напряжение на каждом из них будет падать в соответствии с сопротивлением. При параллельном подключении равным для всех элементов будет напряжение, а ток будет распределяться в соответствии с сопротивлением.
Внутренняя и внешняя электрическая цепь
Физика определяет электрическую цепь как совокупность разнородных элементов, связывающихся посредством проводников, и предназначенную для протекания тока.
Элементный состав электроцепей достаточно обширен. Можно выделить следующие их типы:
Основные элементы электроцепи
Любая электрическая цепь состоит из разнородных взаимодействующих объектов и технических устройств, создающих специализированный маршрут для протекания по нему электрического тока. Для понимания и объяснения данных процессов физики используют следующие понятия:
Ток – движущийся в определенном направлении поток заряженных частиц.
Все составные части электрической цепи условно подразделяются на 3 группы:
Внешние и внутренние составляющие
Даже самая простая цепь включает в себя: источник энергии, один или множество последовательно соединенных «приемников» электричества, а также необходимые для взаимодействия провода.
Внутренняя часть формируется за счет источника энергии, а потребитель, использующий ее, образует ее внешнюю часть (в эту систему также входят все измерительные устройства, коммутаторы и проводка).
При разработке расчетных схем важно учесть элементы цепи, имеющие собственное сопротивление (электронагревательные устройства, электролампы и проч.). На бумагах, описывающих будущую электроцепь, они указываются как резисторы с сопротивлением. Это же относится и к объектам, обладающим индуктивностью (обмотка электрических двигателей, генераторов), а также емкостью (трансформаторы).
На схеме их нужно искать в местах скопления индуктивных катушек и конденсаторов. При планировании и предварительных расчетах цепи часто указывают идеальные источники энергии, имеющие нулевое внутреннее сопротивление: Ro=0. Однако реальные источники всегда обладают уровнем сопротивления больше, чем 0. И хотя на схеме он обозначается как «нулевой» резистор (Ro), впоследствии сопротивление реального источника учитывается при построении цепи в натуре.
Вспомогательные элементы цепи (защитные приборы, включающие/выключающие устройства, измерительные аппараты) имеют малое сопротивление, почти никогда не влияющее на уровень напряжения. Соответственно, их можно не учитывать и не обозначать на схемах.
Как только контур внутренней и внешней частей электроцепи замыкается, в ней появляется ток. Сила тока зависит от того, какое количества энергии пропускает – за определенный временной промежуток – сечение «проводника». Формула расчета для переменного и постоянного тока отличается:
Функционирование тока внутри сети тесно связано с преобразовательными процессами, непрерывно происходящими в ее элементах. Возникновение электричества из другой энергии сопровождается появлением возбуждения в устройстве питания электродвижущей силы (ЭДС).
Внешний участок цепи, как и источник питания, имеет определенный параметр сопротивления, препятствующий пропуску электротока. Величина сопротивления зависит от размера и формы «проводника», а также материала, из которого сделан:
Еще одна величина – проводимость – обратная сопротивлению:
Закон Ома описывает взаимодействие ЭДС, напряжения, сопротивления и тока:
Базовые законы электроцепей
При исследовании как сложных, так и простых цепей обычно используются закон Ома, Джоуля-Ленца, Ампера, Фарадея и Кирхгофа. В зависимости от того, анализируется ли участок или же вся цепь, применяются разные варианты закона Ома. Например, на отдельном участке электроцепи ток находится в отношениях обратной пропорции к сопротивлению на данном отрезке и прямой пропорции – к напряжению:
Произведение тока на уровень сопротивления (на конкретном отрезке цепи) приводит к его падению. Ток в цепи пропорционален ЭДС источника энергии и обратно пропорционален сумме величин сопротивлений (внешнего и внутреннего типов) источника питания. То есть:
Закон, выведенный Джоулем-Ленцем, служит для подсчета суммарной тепловой энергии, приходящейся на сопротивления из-за прохождения по нему тока. Формула его такова:
Закон Фарадея (электромагнитной индукции) учитывает в электроцепях отношения:
Между колебаниями магнитного потока, взаимодействующего с поверхностью, ограниченной контуром цепи, и индуктированием ЭДС.
Индуктированием ЭДС проводника (при проникновении магнитного поля)
Согласно данному закону, индуцируемая в цепи (ЭДС в связи колебаниями магнитного потока, идущего через ограниченную контуром поверхность), равна скорости с которой, он изменяется, но с отрицательным знаком. Формула рассчитывается так:
Процесс замены отрезков электроцепи, где один элемент посредством параллельного и последовательного соединения взаимодействует с несколькими другими элементами, носит наименование эквивалентных преобразований. При таком изменении напряжение всей цепи и ток сохраняют свои прежние значения.
Последовательное соединение характеризуется одной важной особенностью: значение тока в таких частях цепи равно для всех ее составляющих элементов (и последовательных тоже). Данный факт позволяет сделать вывод, что напряжение прямо пропорционально уровню сопротивления на данном участке для каждого из последовательно подключенных элементов.
Электрическая цепь и ее элементы
Элементы цепи
Независимо оттого, из каких частей состоят электрические цепи, их объединяет одно – их составляющие должны производить, передавать или потреблять электричество.
Элементы подразделяются на пассивные и активные. К первым из них относят всё, что потребляет или передает электроэнергию: лампы, нагревательные элементы, электродвигатели и т.д. Ко вторым – источники, вырабатывающие электроэнергию: генераторы, аккумуляторы, солнечные батареи и т.д. Также элементы делятся на двухполюсные (те, которые имеют 2 вывода) и многополюсные (те, которые имеют 4 и более вывода). В качестве примера двухполюсника можно привести резистор. В качестве четырехполюсника – повышающий или понижающий трансформатор.
Обязательными составляющими цепи являются:
Основными электроприемниками являются:
При чтении схем и расчетах пользуются следующими понятиями: контур, узел и ветвь.
Облегчить чтение схем можно с помощью вот такой таблички:
Режимы работы цепи
Опираясь на показатели нагрузки, различают такие режимы функционирования цепи: номинальный, холостой ход, замыкание и согласование.
При номинальной работе система выполняет характеристики, заявленные в техпаспорте оборудования. Холостой ход образуется в случае обрыва цепи. Этот режим работы относится к аварийным. Электрическая цепь в режиме короткого замыкания имеет сопротивление, которое равно нулю. Это также аварийный режим.
Согласование характеризуется перемещением наибольшей мощности от источника энергии к проводнику. В таком режиме нагрузка равняется сопротивлению источника питания.
Ознакомившись с основными характеристиками и видами такой системы, как электрическая цепь, становится возможным понять принцип функционирования любого электрооборудования. Данное устройство работы системы применяется к любому электрическому бытовому прибору. Применяя полученные знания, можно понять причину поломки оборудования или оценить правильность его работы в соответствии с техническими характеристиками, заявленными производителем.
Законы электрических цепей
Закон Ома
Пусть имеется однородный участок цепи — им может служить кусок металла постоянного сечения, все точки которого имеют одинаковую температуру, и пусть на концах этого проводника поддерживается неизменная разность потенциалов U. Тогда, согласно закону Ома, в однородном участке цепи сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах участка:
Существуют участки цепи, в которых зависимость силы тока от разности потенциалов на их концах нелинейна. В этом случае рассматривают среднее значение сопротивления:
Переходя к пределу при условии, что Di-> 0, получаем динамическое сопротивление:
Первый закон Кирхгофа — закон баланса токов в узле
Реальные электрические цепи включают в себя комбинации последовательно и параллельно соединенных нагрузок и генераторов. В рассчитывать разности потенциалов на всех участках цепи и силы токов в них, а также электродвижущие силы источников тока, входящих в данную цепь, можно с помощью закона Ома и закона сохранения заряда. Однако для упрощения расчетов Г. Кирхгофом были предложены два простых правила, нашедших широкое применение в электротехнике.
Первое из них относится к узлам разветвления цепи, в которых сходятся и из которых расходятся токи. Токи, подходящие к узлу, условились считать положительными, а токи, исходящие из узла — отрицательными. В этом случае в каждой точке разветвления проводов алгебраическая сумма всех сил токов равна нулю (первое правило Кирхгофа):
Электрический заряд в узле не накапливается.
Второй закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма ЭДС источников питания в любом контуре равна алгебраической сумме падений напряжения на элементах этого контура:
Второе закон, по существу, является следствием закона Ома для неоднородного участка цепи.
Закон Джоуля — Ленца
Количество теплоты, выделяемое проводником с током I на сопротивлении R, прямопропорционально произведению квадрата силы тока, на сопротивление и на время прохождения тока:
Электрическая цепь и ее элементы
Теория > Физика 8 класс > Электрические явления
Электрическая цепь — совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. Цепь образуется источниками энергии (генераторами), потребителями энергии (нагрузками), системами передачи энергии (проводами).
Электрическая цепь — совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока. Её задача – передавать энергию устройству и обеспечивать требуемый режим работы.
Простейшая электрическая установка состоит из источника (гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т. п.), потребителей или приемников электрической энергии (ламп накаливания, электронагревательных приборов, электродвигателей и т. п.) и соединительных проводов, соединяющих зажимы источника напряжения с зажимами потребителя.
Электрическая цепь делится на внутреннюю и внешнюю части.
К внутренней части электрической цепи относится сам источник электрической энергии. Источники питания цепи — это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. В современной технике в качестве источников энергии применяют главным образом электрические генераторы.
Во внешнюю часть цепи входят потребители энергии и вспомогательные элементы.
Потребители энергии преобразовывают электрическую энергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, и т. д.) К ним относятся: электродвигатели, нагревательные и осветительные приборы и др.
В качестве вспомогательного оборудования в электрическую цепь входят аппараты для включения и отключения (например, рубильники), приборы для измерения электрических величин (например, амперметры и вольтметры), аппараты защиты (например, плавкие предохранители).
Электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока.
Чтобы удобнее было анализировать и рассчитывать электрическую цепь, её изображают в виде схемы. В ней содержатся условные обозначения элементов, а также способы из соединения.
Ниже приведены некоторые элементы электрической цепи:
А теперь помотрим как применяются эти обозначения при составлении схемы:
Задание 1. Начертите в тетради схему последовательного соединения потребителей электроэнергии из 2-х лампочек.
Задание 2. Начертите в тетради схему параллельного соединения потребителей электроэнергии из 2-х лампочек.
Теория | Калькуляторы | ГДЗ | Таблицы и знаки | Переменка | Главная Карта Сайта
Виды электрических цепей
Неразветвлённые и разветвлённые электрические цепи
Рисунок 1 — Разветвлённая цепь
Электрические цепи подразделяют на неразветвлённые и разветвлённые. Во всех элементах неразветвлённой цепи течёт один и тот же ток. Простейшая разветвлённая цепь изображена на рисунке 1. В ней имеются три ветви и два узла. В каждой ветви течёт свой ток. Ветвь можно определить как участок цепи, образованный последовательно соединенными элементами (через которые течёт одинаковый ток) и заключённый между двумя узлами. В свою очередь, узел есть точка цепи, в которой сходятся не менее трёх ветвей. Если в месте пересечения двух линий на электрической схеме поставлена точка (рисунок 1), то в этом месте есть электрическое соединение двух линий, в противном случае его нет. Узел, в котором сходятся две ветви, одна из которых является продолжением другой, называют устранимым или вырожденным узлом.
Линейные и нелинейные электрические цепи
Линейной электрической цепью называют такую цепь, все компоненты которой линейные. К линейным компонентам относятся зависимые и независимые идеализированные источники токов и напряжений, резисторы (подчиняющиеся закону Ома), и любые другие компоненты, описываемые линейными дифференциальными уравнениями, наиболее известны электрические конденсаторы и катушки индуктивности.
Если цепь содержит отличные от перечисленных компоненты, то она называется нелинейной.
Изображение электрической цепи с помощью условных обозначений называют электрической схемой. Функция зависимости тока, протекающего по двухполюсному компоненту, от напряжения на этом компоненте называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Часто ВАХ изображают графически в декартовых координатах. При этом по оси абсцисс на графике обычно откладывают напряжение, а по оси ординат — ток.
В частности, омические резисторы, ВАХ которых описывается линейной функцией и на графике ВАХ являются прямыми линиями, называют линейными.
Примерами линейных (как правило, в очень хорошем приближении) цепей являются цепи, содержащие только резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности без ферромагнитных сердечников.
Некоторые нелинейные цепи можно приближенно описывать как линейные, если изменение приращений токов или напряжений на компоненте мало, при этом нелинейная ВАХ такого компонента заменяется линейной (касательной к ВАХ в рабочей точке). Этот подход называют «линеаризацией». При этом к цепи может быть применён мощный математический аппарат анализа линейных цепей. Примерами таких нелинейных цепей, анализируемых как линейные, являются практически любые электронные устройства, работающие в линейном режиме и содержащие нелинейные активные и пассивные компоненты (усилители, генераторы и др.).
Виды цепей
Чтобы успешно пользоваться электросхемами, необходимо иметь представление, какую электрическую цепь называют замкнутой и разомкнутой.
Замкнутой называют непрерывную цепь, состоящую из электроприборов и проводников. Как только она прерывается – становится разомкнутой. В таком состоянии она неспособна проводить ток, хотя в ней может быть напряжение, так как в ней появляется диэлектрик. В подавляющем большинстве случаев в качестве такого диэлектрика выступает обычный атмосферный воздух. На этом принципе работают приборы, предназначенные для размыкания – выключатели, рубильники, предохранители, кнопки.
Неразветвленной называют электрическую цепь, состоящую из источника и последовательно соединенных компонентов. Важнейшим признаком здесь является то, что во всех участках ток имеет одинаковую величину. Разветвленной – имеющую в своем составе одно или несколько параллельно соединенных компонентов.
Каждая может иметь одновременно несколько классификаций и названий:
Простейшей электрической цепью является источник, соединенный проводниками с электропотребителем, а простой называют любую одноконтурную. Сложными называются цепи, имеющие два и более контура. Они в свою очередь делятся на многоузловые, многоконтурные, объемные и плоскостные.
Основные компоненты
Инвентор электрического тока
Все составные части в цепи участвуют в одном электромагнитном процессе. Условно их разделяют на три группы.
Основой электрической сети является схема. Это графический рисунок, который содержит условные изображения и обозначения элементов и их соединение. Они выполняются согласно ГОСТу 2.721-74 – 2.758-81
Схема простейшей линии включает в себя гальванический элемент. С помощью проводов к нему через выключатель подсоединена лампа накаливания. Для измерения силы тока и напряжения в нее включен вольтметр и амперметр.
Трехфазные электрические цепи
Трехфазная цепь в рабочем режиме
Среди электрических цепей распространены как однофазные, так и многофазные системы. Каждая часть многофазной цепи характеризуется одинаковым значением тока и называется фазой. Электротехника различает два понятия этого термина. Первое – непосредственная составляющая трехфазной системы. Второе – величина, изменяющаяся синусоидально.
Трехфазная цепь – это одна из многофазных систем переменного тока, где действуют синусоидальные ЭДС (электродвижущая сила) одинаковой частоты, которые сдвинуты во времени относительно друг друга на определенный фазовый угол. Она образована обмотками трехфазного генератора, тремя приемниками электроэнергии и соединительными проводами.
Такие цепи служат для обеспечения генерации электрической энергии, для ее передачи, распределения, и имеет следующие преимущества:
Что называется электрической цепью
ЭЦ – это комплекс элементов, при помощи которых создаётся, передаётся и потребляется электрическая энергия. Данные элементы, или участки, содержат источники электрической энергии, а также промежуточные устройства и проводники между ними, обеспечивающие неразрывность соединений.
Как по другому называется электрическая цепь
Источниками электрической энергии являются устройства, вырабатывающие ток путём физических, химических или световых преобразований.
Важно! Приемниками электроэнергии являются устройства, работа которых напрямую зависит от активности источника. Промежуточные элементы с функциональными устройствами служат для передачи электрической энергии от источников к приемникам
В зависимости от назначения, они непосредственно передают энергию с конкретными параметрами источника
Промежуточные элементы с функциональными устройствами служат для передачи электрической энергии от источников к приемникам. В зависимости от назначения, они непосредственно передают энергию с конкретными параметрами источника.
Обозначения элементов на схеме
Прежде чем приступить к монтажу оборудования необходимо изучить нормативные сопровождающие документы. Схема позволяет донести до пользователя полную характеристику изделия с помощью буквенных и графических обозначений, занесенных в единый реестр конструкторской документации.
К чертежу прилагаются дополнительные документы. Их перечень может быть указан в алфавитном порядке с цифровой сортировкой на самом чертеже, либо отдельным листом. Классифицируют десять видов схем, в электротехнике обычно используют три основные схемы.
Выключатель на схеме выглядит как кружок с наклоненной вправо чертой. По виду и количеству черточек определяют параметры устройства.
Кроме основных чертежей есть схемы замещения.
Энергия электрического поля
Рассмотрим систему из двух проводников, на которых распределены равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Опыт показывает, что разность потенциалов между этими проводниками пропорциональна модулю заряда: U=q/C, где С — постоянный коэффициент, определяемый в общем случае размерами проводников, их формой и расположением в пространстве, а также диэлектрической проницаемостью среды, в которую помещены проводники. Величину С, равную отношению заряда системы проводников к разности потенциалов между ними, называют электрической емкостью (короче — электроемкостью) данной системы проводников:
Единицей электроемкости является кулон на вольт (Кл/В). В честь М. Фарадея эта единица получила название фарад (Ф): 1 Ф = 1 Кл/В.
Систему из двух изолированных друг от друга металлических проводников, между которыми находится диэлектрик, называют конденсатором.
Накопление энергии в электрическом поле конденсатора
— электрическая емкость конденсатора, Ф.
Если напряжение источника в цепи конденсатора изменяется, то происходит перераспределение зарядов на его пластинах, что приводит к возникновению тока в цепи:
Мощность конденсатора положительна при его заряде и отрицательна при разряде конденсатора.
Если напряжение возрастает, то i>0. Это значит, что ток и напряжение совпадают по направлению, энергия электрического поля в конденсаторе возрастает.
При убывании напряжения ток также уменьшается, энергия возвращается обратно к источнику.
Величины R(OM), L(Гн), С(Ф) зависят от свойств самого устройства, его конструкции и являются параметрами этого устройства.
Энергия электромагнитного поля
Опыт показывает, что в контуре из двух электроламп, соленоида и реостата при отключении источника тока еще некоторое время течет электрический ток, причем сила тока со временем уменьшается от некоторого начального значения до нуля.
Одновременно с током, как известно, исчезает и магнитное поле тока. Так как никаких других источников энергии, которые поддерживали бы электрический ток в контуре, нет, то остается предположить, что энергией обладает само магнитное поле. Найдем начальную энергию W магнитного поля, считая, что она расходуется на индуцирование э. д. с. и тока самоиндукции в контуре, когда магнитный поток убывает от некоторого начального значения до нуля.
Бесконечно малое изменение энергии поля равно элементарной работе тока в контуре:
Знак минус указывает, что энергия поля уменьшается. Интегрируя это выражение, находим
— индуктивность или коэффициент пропорциональности между током и потокосцеплением;
Потокосцеплением самоиндукции y цепи называется сумма произведений магнитных потоков, обусловленных только током в этой цепи, на число витков, с которыми они сцеплены.
Если все витки пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, то потокосцепление равно произведению магнитного потока на число витков y=Фw, а w = nI, где I-длина соленоида, n — густота обмотки.
В СИ потокосцепление измеряется в веберах, индуктивность — в генри.
Генри — это индуктивность соленоида, в котором при силе тока 1 А создается магнитный поток 1 Вб.
Зависимость потокосцепления от тока может быть постоянной (линейная зависимость) или нелинейной.
При изменении тока изменяется потокосцепление и в катушке наводится ЭДС самоиндукции:
Знак минус показывает, что ЭДС противодействует изменению тока в цепи.
Напряжение и мощность индуктивности равны:
Мощность может быть как положительной (при намагничивании), так и отрицательной (при размагничивании).
Явление самоиндукции можно наблюдать на опыте, собрав цепь с источником постоянного тока и двумя параллельными ветвями (смотри рисунок выше). Одна ветвь состоит из электролампы Л1 и реостата R, другая — из такой же электролампы Л2 и соленоида. С помощью реостата в обеих ветвях устанавливают одинаковую силу постоянного тока. После включения рубильника видно, что лампа Л2 начинает светиться позже, чем лампа Л1. Это объясняется тем, что в соленоиде индуцируется э. д. с. самоиндукции, препятствующая некоторое время нарастанию силы тока. У разных соленоидов время нарастания силы тока оказывается различным, так как вокруг каждого из них создаются разной величины магнитные потоки, которые индуцируют различные э. д. с. самоиндукции.
Физические величины, характеризующие цепь
Величин, которыми можно описать любую электрическую цепь несколько. Основными из них являются:
Знание формул позволяет проводить практические расчеты. К примеру, сопротивление резистора зависит не только от тока, но и от напряжения. Формула, которая это отражает, называется Законом Ома для участка цепи и выглядит так:
Если резистор имеет постоянное сопротивление независимо от того, какой ток по нему протекает, он имеет название «линейный элемент».
Когда по резистору протекает ток, его сопротивление увеличивается из-за увеличения колебания на молекулярном уровне кристаллической решетки в проводнике. Колебания мешают движению электронов, и в результате энергия теряется понапрасну. Для того чтобы предотвратить перегорание резистора в цепь последовательно ему часто устанавливают предохранитель. Он содержит внутри легкоплавкий проводник, рассчитанный на перегорание при превышении параметров. Перегорая, предохранитель уберегает от повреждения всю схему и экономит, порой, часы при ремонте, так как поменять предохранитель легче, чем искать поврежденный компонент среди десятков таких же.
Узнать больше об электрических цепях можно с помощью видео: