Интернет-энциклопедия по школьным предметам от Maximum Education. Учебник поможет решить домашнее задание, подготовиться к контрольной и вспомнить прошлые темы.
Вспомогательные приборы электрической цепи
Ключ – визуальное отображение разрыва цепи. При разрыве в части цепи с ключом тока быть не может.
Электродвижущая сила (ЭДС) совершает работу по перемещению зарядов в цепи, т. е. обеспечивает ток в цепи.
Электродвижущая сила равна работе, которую сторонние силы совершают по перемещению единичного положительного заряда во всей цепи:
\(\varepsilon = \frac{A_{сторонних\ сил}}{q}\), где
ε ― электродвижущая сила, [В],
Aсторонних сил ― работа сторонних сил по перемещению заряда, [Дж],
q ― величина заряда, перемещающегося в цепи, [Кл].
Сторонние силы ― это силы неэлектрического происхождения, их обеспечивают такие устройства как аккумуляторы, батареи, блоки питания.
Как видно из формулы ниже, ЭДС аналогична напряжению, но ЭДС создается неэлектрическими силами и характеризует всю цепь, а напряжение создается электрическими силами, и характеризует участок цепи.
Напряжение равно разности электрических потенциалов участков цепи, которая равна работе по перемещению единичного заряда:
\(U = \varphi_{2} - \varphi_{1} = \frac{A}{q}\), где
U ― напряжение на участке цепи, [В],
\(\varphi_{2} - \varphi_{1}\)― электрический потенциал на конечном и начальном участках цепи соответственно, [В],
A ― работа электростатического поля по перемещению заряда, [Дж],
q ― величина заряда, перемещающегося в цепи, [Кл].
Источник ЭДС обладает двумя полюсами (клеммами) ― положительным и отрицательным. На рисунке показаны примеры обозначения клемм источника ЭДС. Чаще всего положительная клемма обозначается тонкой длинной линией, а отрицательная ― короткой жирной со знаками «+» и «–» или без них.
Закон Ома для полной (замкнутой) цепи включает в себя ЭДС источника тока:
\(I = \frac{\varepsilon}{R + r}\), где
I ― сила тока [А],
ε ― ЭДС источника тока [В],
R ― сопротивление цепи [Ом],
r ― внутреннее сопротивление источника ЭДС [Ом].
Отсюда ЭДС источника тока может быть записано как:
ε = IR + Ir или ε = U + Ir, где
U ― напряжение в цепи [В].
Короткое замыкание ― это состояние, когда сопротивление нагрузки пренебрежимо мало.
Соответственно, током короткого замыкания называется сила тока, проходящего через ненагруженную сопротивлением ветвь.
Из закона Ома для полной цепи следует, что сила тока короткого замыкания равна:
\(I_{КЗ} = \frac{\varepsilon}{r}\), где
IКЗ ― сила тока короткого замыкания, [A]б
ε ― ЭДС источника тока [В],
r ― внутреннее сопротивление источника ЭДС [Ом].
Заряженные частицы, перемещаясь в электрической цепи, совершают работу. Работа силы тока равна:
A = IUt, где
A ― работа силы тока, [Дж],
I ― сила тока в цепи [А],
U ― напряжение в цепи [В],
t ― время, за которое совершается работа, [c].
Мощность электрического тока ― это работа, совершенная в единицу времени \(P = \frac{A}{t} = UI\).
Заряженные частицы, проходя через проводник, сталкиваются друг с другом и с теми частицами, что оставались неподвижными, из-за чего на источнике сопротивления выделяется тепловая энергия.
Количество теплоты, которые выделяется на источнике сопротивления, определяется законом Джоуля Ленца:
\(Q = I^{2}Rt,\ \)где
Q ― выделяющееся на источнике сопротивления количество теплоты, [Дж],
I ― сила тока на элементе [А],
R ― сопротивление нагревающегося элемента [Ом],
t ― время, за которое по нагревающемуся элементу проходит ток, [c].
Тепловая мощность равна количеству теплоты, выделяемому в единицу времени \(P = \frac{Q}{t}\) или \(P = I^{2}R = \frac{U^{2}}{R}\)
Согласование цепи - настройка сопротивления цепи, обеспечивающая оптимальную передачу энергии от и источника к приемнику путем преобразования выходного сопротивления источника или входного сопротивления приемника.
То есть R = r. При абсолютном согласовании выделяемая цепью тепловая мощность максимальна.
Возможно только при использовании реостата – резистора переменного (настраиваемого) сопротивления.
Подключения приборов
Для измерения силы тока в цепи или на отдельном участке цепи используется амперметр, а для измерения напряжения ― вольтметр. При этом амперметр (А) должен подключаться к цепи последовательно (поскольку при последовательном соединении сила тока на всех участках цепи одинакова), ведь его сопротивление крайне мало, а вольтметр (V) должен подключаться параллельно (так как при этом соединении на всех участках цепи одинаково напряжение), ведь его сопротивление стремиться к бесконечности.
Пример подключения амперметра и вольтметра к электрической цепи:
Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод – элемент электрической цепи, пропускающий ток только в одном направлении, то есть имеющий близкое к нулю сопротивление при протекании тока в прямом направлении, и близкое к бесконечности – при протекании тока в обратном направлении.
