Курс лекций по физике Электротехника

Закон Ома Расчет электрических цепей Электрические машины переменного тока Электронные усилители и генераторы Трехфазные выпрямители

Электрическая цепь и ее элементы. Электродвижущая сила

1. Электрическая цепь. Упорядоченное движение электрически заряженных частиц (или электрический ток) в проводниках возникает под действием сил электрического поля. Для возникновения тока необходима замкнутая электрическая цепь. Простейшая цепь состоит из источника энергии с ЭДС Е, приемника электрической энергии с сопротивлением r и соединительных проводов. Кроме источников и приемников электрические цепи содержат большое число вспомогательных элементов, выполняющих разнообразные функции. К ним относятся выключатели и переключатели, электроизмерительные приборы, защитные устройства и др. На рис. 3.5 дана схема простейшей электрической цепи, т. е. ее графическое изображение.

В источниках электрической энергии, которые называют также источниками ЭДС, электрическая энергия получается из механической, химической, тепловой и т. д. При преобразовании любого вида энергии в электрическую в источниках образуется электродвижущая сила (ЭДС).

К источникам энергии относятся электрические генераторы, первичные элементы и аккумуляторы, термоэлементы и фотоэлементы, магнитогидроди-намические генераторы.

К приемникам электрической энергии относятся электродвигатели, лампы накаливания, нагревательные устройства и др.

2. Электродвижущая сила (ЭДС). Основным источником электрической энергии является электрический генератор. На его вращающейся части — якоре, который движется в магнитном поле, расположена обмотка. На рис. 3.6 показан прямолинейный проводник АБ этой обмотки, движущийся с постоянной скоростью u в однородном магнитном поле. Из курса физики известно, что на электрически заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, действуют силы электромагнитной индукции (сторонние силы) Fн. Такие силы действуют и на электроны проводника АБ, перемещая их на конец Б.

В результате здесь образуется избыточный электрический заряд — Q. На конце А проводника АБ вследствие недостатка электронов появляется положительный заряд +Q. Заряды —Q и + Q внутри проводника создадут электрическое поле, силы поля Fэ будут действовать противоположно силам электромагнитной индукции Fи. Следовательно, результирующая сила, действующая на каждый электрон проводника АБ, F = Fи – Fэ.

С разделением и накоплением электрических зарядов на концах проводника АБ увеличивается сила Fэ и уменьшается результирующая сила F. Когда силы электрического поля полностью уравновесят силы электромагнитной индукции, перемещение электрически заряженных частиц в проводнике АБ прекращается.

В источнике ЭДС на перемещение электрических зарядов затрачивается некоторая работа Аи. В электрических генераторах она совершается за счет сил неэлектрического происхождения (сторонних сил).

Отношение работы Аи, совершаемой сторонними силами при переносе заряженной частицы внутри источника, к ее заряду называется электродвижущей силой источника энергии. Электродвижущая сила

E = Aи/Q.

Если Q = 1 Кл, то Е = Аи.

Следовательно, ЭДС численно равна работе, совершаемой силами электромагнитной индукции при переносе единицы заряда на участке АБ. ЭДС выражается в тех же единицах, что и электрическое напряжение:

[Е]=[Ан/Q] = Дж/Кл = В.

3. Замкнутая электрическая цепь с источником ЭДС. К полюсам источника ЭДС, изображенного в виде проводника АБ, присоединим приемник энергии (рис. 3.7). Под действием сил электрического поля свободные электроны с отрицательного полюса источника Б будут перемещаться по внешнему участку цепи к положительному полюсу А. При этом силы электрического поля Fэ будут меньше сторонних сил Fи. Поэтому свободные электроны, подходящие к полюсу А, будут перемещаться и по внутреннему участку цепи от полюса А к полюсу Б силой F= Fh – Fэ. Таким образом, в замкнутой цепи возникает направленное движение электронов, т. е. электрический Ток. На внешнем участке цепи БВА электроны перемещаются силами электрического поля, а на внутреннем — сторонними силами (электромагнитной индукции в машинных генераторах, химического процесса в гавальнических элементах и аккумуляторах, лучистой энергии в фотоэлементах). В § 3.1 указывалось, что принятое направление тока в металлических проводах противоположно движению свободных электронов. Поэтому считается, что ток во внешнем участке цепи направлен от положительного к отрицательному полюсу, а во внутреннем — наоборот. Направление ЭДС совпадает с указанным направлением тока.

 

Сопротивление и проводимость

1. Электрическое сопротивление. В § 3.2 рассматривалась работа источника энергии, когда к его полюсам подключен приемник электрической энергии. В замкнутой электрической цепи с источником энергии возникает направленное движение свободных электронов, или электрический ток. При своем движении поток свободных электронов сталкивается с атомами или молекулами проводника. При столкновении кинетическая энергия электронов передается кристаллической решетке металлов, проводник нагревается, т. е. происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Таким образом, проводник оказывает противодействие электрическому току, которое характеризует электрическое сопротивление проводника.

В СИ за единицу электрического сопротивления принят Ом. Более крупными единицами электрического сопротивления являются килоом (кОм) и мегаом (МОм): 1 кОм=103 Ом; 1 МОм= 106 Ом.

Устройства, имеющие сопротивления и включаемые в электрическую цепь для ограничения или регулирования тока, называются резисторами и реостатами.

Опыты показали, что электрическое сопротивление зависит от материала, размеров (длины, поперечного сечения) и температуры проводников. Для сравнения сопротивлений различных материалов введено понятие об удельном электрическом сопротивлении.

Сопротивление, которым обладает изготовленный из данного материала провод длиной 1 м с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 20 °С, называют удельным электрическим сопротивлением.

 Удельное сопротивление обозначают р и выражают в Ом • мм2/м.

Значения удельных сопротивлений для некоторых материалов указаны в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Материал

Удельное

электрическое

сопротивление,

Ом • мм2/м

Среднее

значение

температур-

ного коэффи-

циента сопротивления от 0 до 100 °С, град-1

Материал

Удельное

электрическое

сопротивление,

Ом • мм2/м

Среднее

значение

температур-

ного коэффи-

циента сопротивления от 0 до 100 °С,

град-1

Медь

0,0175

0,004

Константан

0,4—0,5

0,000005

Алюминий

0,029

0,004

Нихром

1,1

0,00015

Сталь

0,13—0,25

0,006

Хромаль

1,3

0,00004

Манганин

Вольфрам

0,42

0,0612

0,000006

0,0047

Фехраль

1,4

0,00028

Из перечисленных материалов наименьшее удельное сопротивление имеют медь и алюминий. Поэтому они хорошо проводят электрический ток и широко применяются для изготовления воздушных и кабельных линий электропередачи, обмоток электрических машин, трансформаторов и т. д.

Материалы с большим удельным сопротивлением (фехраль, хромаль, нихром и т.д.) используются в электронагревательных приборах.

Выясним влияние длины металлического проводника l и его сечения S на электрическое сопротивление. Известно, что сопротивление проводника вызвано столкновением движущихся электронов с атомами и молекулами проводника. Количество таких столкновений, а значит, и электрическое сопротивление возрастает при удлинении проводника и уменьшаются с увеличением ее поперечного сечения. Поэтому сопротивление проводника при температуре 20 °С определяют по формуле

где l — длина проводника, м; S — площадь поперечного сечения, мм2.

Расчет сечения проводов по допустимому нагреву