Презентация по электротехнике на тему "Электрическая цепь и ее законы"

1. Электрическая цепь и ее схемы. 2. Электрический ток. 3. Электрическое сопротивление проводников. 4. Электродвижущая сила. 5. Источники электрической энергии.    6. Законы электрической цепи.

Электрической  цепью  называется  совокупность  устройств,  образующих  путь  для  прохождения  электрического  тока.  Электрическая  цепь  состоит  из  отдельных  элементов:  источников  и  приемников  электрической  энергии  и  связующих  звеньев  между  ними. Источниками  энергии  в  электрической  цепи  происходит  являются  преобразование  в  энергии  относятся:  электрическую  аккумуляторы,  электромашинные  гальванические  и  термо­  фотоэлектрические элементы . какого­либо  энергию.  К  которых  вида  ним  устройства,  в  генераторы,  элементы,

поступающей  происходит  энергии,  Приемниками  энергии  называют  устройства,  в  которых  преобразование  электрической  от  источника,  в  другие  виды  энергии  (механическую,  тепловую, световую и т.д.). К приемникам энергии  относятся:  электродвигатели,  электронагревательные  и  электроосветительные  приборы,  разнообразные  бытовые  электроприборы  и т.д.

Графическое  изображение  электрической  цепи  при  называют  принципиальной  схемой  или,  короче,  схемой  электрической цепи. условных  помощи  знаков  Рис. 1. Схема электрической цепи

аккумуляторы);  П  На рис. 1 показана в качестве примера схема  электрической цепи,  на  которой изображены: И1 и  И2 – химические источники электрической энергии  (например,  плавкий  предохранитель;  В  –  выключатель  однополосный;  А  –  амперметр;  R1,  R2,  R3  –  резисторы  (электротехнические  обладающие  заданным  сопротивлением),  которые  являются  приемниками  электрической  энергии;  средняя  ветвь – пассивная, левая и правая – активные; Б и  Г – узлы электрической цепи; совокупность любых  двух  ветвей  образует  на  этой  схеме  контур  (замкнутый путь для тока). –  изделия,

Ветвью  электрической  цепи  и  ее  схемы  называется  участок,  состоящий  из  одного  или  нескольких элементов, соединенных так, что в этих  элементах  ток  имеет  одно  и  то  же  значение  и  направление. Узлом  электрической  цепи  и  ее  схемы  называется место соединения трех и более ветвей  цепи. Контуром электрической цепи и ее схемы  называется замкнутый путь, образованный  несколькими ветвями цепи.   Ветви,  содержащие  источники  электрической  энергии, называются активными, а не содержащие  источников энергии – пассивными.

Ток,  не  изменяющийся  с  течением  времени,  называется постоянным током. Ток, изменяющийся  с  течением  времени,  называется  переменным  током.  Ток,  с  течением  времени  периодически  изменяющийся, называется периодическим током. Рис. 2. Графики изменения во времени электрических токов

величину,  Под  термином  "электрический  ток"  понимают  характеризующую  скалярную  направленное  движение  носителей  электрических  зарядов  и  (или)  изменение  электрического  поля  во  времени, сопровождаемые магнитным полем. Если  за  время  t  через  поперечное  сечение  S  проводника  равномерно  прошло  n  электронов,  то  общий заряд всех электронов Q = е ∙ n, где e = 1,6 ∙     10­19  Кл  –  абсолютное  значение  заряда  одного  электрона, и электрический ток или, короче, ток: Q      e ∙ n ── ─── I =     t         t  =

Единица тока называется ампер (А): I] = [Q] /  [t] = кулон /секунда = ампер (А). Применяются также производные единицы:  килоампер (кА), миллиампер (мА), микроампер  (мкА), причем 1 кА = 1000 А; 1 мА = 0,001 А; 1  мкА = 10­6 А. Заряд частиц, переносимых в проводнике  через поперечное сечение, равен произведению  тока и времени его прохождения: Q = I ∙ S

Отношение  численного  площади  называется плотностью тока: J = I / S поперечного  значения  тока  к  проводника  сечения  I = Q / t = e ∙ n / t   = 16 ∙ 10­3 А = 16 мА. Единица  плотности  тока  [J]  =  [I  /  S]  =  А/м2.  В  связи  с  тем,  что  сечения  проводников  обычно  измеряют  в  квадратных  миллиметрах,  принято  измерять  плотность  тока  в  амперах  на  квадратный  миллиметр (А/мм2), причем 1 А/мм2 = 1 А / (10­3)2 м2 =  106 А/м2. Пример  1.  За  одну  микросекунду  через  поперечное  сечение  проводника  прошло  100  млрд.  электронов. Определить ток в проводнике. Решение. Подставляя значения e, n = 100 ∙ 109 и t  = 10­6 c, получим:

в  тока  Плотность  прямо  пропорциональна  напряженности  электрического  поля в проводнике ε, т.е. J = ν ∙ ε,    где  проводнике  J  или  коэффициент  удельной  пропорциональности,  электрической  удельной   ν –  называемый  проводимостью,  короче,  проводимостью материала проводника. Величина,  обратная  удельной  электрической  удельным  проводимости,  сопротивлением  или,  короче,  электрическим  удельным сопротивлением:  называется   = I /  ρ ν

R  =  ℓ ν   /  сопротивление  проводника.      ∙  S ℓ   =  ρ  ∙    –  электрическое    или,  короче,  сопротивление    /  S Сопротивление  проводника  численно  равно  отношению  напряжения  на  концах  проводника  к  току в нем: R = U / I  Единица сопротивления называется ом (Ом): [R] = [U] / [I] = вольт / ампер = Ом. Применяются  также  произвольные  единицы:  килом (кОм) и мегаом (МОм), причем 1 кОм = 103  Ом; 1 МОм = 106 Ом.

Величина,  обратная  называется  электрическому  электрической  сопротивлению,  проводимостью или, короче, проводимостью: G  =  1  /  R.  Проводимость  измеряется  в  сименсах  (См). Пример  2.  Определить  сопротивление  медного  провода  длиной  200  м  и  сечением  2,5  мм2,  а  также  длину,  которую  должен  иметь  нихромовый  провод  с  такими  же  сечениями  и  сопротивлением. Решение. Сопротивление медного провода: R =   / ℓ ν ∙ S = 200 / 57 ∙ 10 ∙106 ∙ 2,5 ∙ 10­6 = 1,4 Ом.

Здесь  удельная  электрическая  проводимость  меди ν = 57 ∙ 106 См/м. Для нихромового провода  R = 1,4 Ом, ν = 106 См/м, S = 2,5 мм2 и согласно  (3.7.) необходимая длинна    = ℓ R ∙ ν ∙ S = 1,4 ∙ 106 ∙  2,5 ∙ 10­6 = 3,5 м. Итак, 200 м медного провода и 3,5  нихромового провода одинакового сечения имеют  одинаковые сопротивления.

электрического  поля,  Ток в электрической цепи  вызывается воздействием  на  свободные  заряженные  частицы,  имеющиеся  в  проводниках  которое  создается источником электрической энергии. источника  Электрическое  сторонним.  электрической  Стороннее поле в источнике электрической энергии  может  быть  получено  в  результате  различных  физических  и  химических  явлений.  Поддерживая  электрический  ток  в  цепи,  силы  стороннего  электрического  поля  совершают  работу  за  счет  энергии источника. внутри  называют  поле  энергии

величина,  Физическая  характеризующая  способность  источника  электрической  энергии  совершать  работу  по  поддержанию  в  замкнутом контуре электрической цепи, называется  электродвижущей силой (сокращенно ЭДС). тока  Если  при  переносе  частиц  с  зарядом  Q  по  электрической  замкнутому  энергии совершил работу А, то его ЭДС Е = А / Q. контуру  источник  ЭДС  численно  равна  работе,  совершаемой  источником электрической энергии при переносе по  замкнутому  контуру  положительно  заряженных  частиц с единичным зарядом. Электродвижущая  сила  измеряется  в  вольтах  (В): [Е] = [А] / [Q] = джоуль / кулон = вольт

Главными  источниками  в  большой  энергетике,  энергии,  которые  дают  потребляемой  в  нашей  стране,  являются  тепловые  и  атомные электростанции. 80  %  более  всей  В  малой  электроэнергетике  в  настоящее  время  источниками  служат,  прежде  всего,  химические  гальванические  элементы  и  аккумуляторы  и,  кроме  того,  термоэлектрогенераторы  и  фотоэлементы.  Но  термогенераторы  и  фотоэлементы  имеют  малую  мощность,  небольшую  ЭДС  и  низкий  КПД  и  получили ограниченное применение.

6.1.  Закон  Ома.  Соотношение  между  напряжением  и  током  для  любого  пассивного  элемента, которое получено Г.С. Омом и называется  законом Ома: I = U / R = G ∙ U, где G = 1 / R. энергии,  полученной  в  и  электрическая  6.2.  Закон  Джоуля­Ленца.  При  наличии  электрического  тока  в  проводнике  последний  нагревается,  поля  переходит  в  тепловую  в  соответствии  с  законом  сохранения и превращения энергии.  закону  количество  Согласно  энергии,  электрической  преобразованной  в  тепловую  энергию,  и  количество  тепловой  результате  преобразования, равны между собой: Wт = W . этому  (электромагнитной)  энергия

Пример 3. Определить какая тепловая энергия  будет  получена  в  резисторе  с  сопротивлением  10  Ом в течение 10 минут при токе 5 А. Решение: Тепловая энергия: Wт = R ∙ I2 ∙ t =  = 10 ∙ 52 ∙ 10 ∙ 60 = 150 ∙ 103 Дж = 150 кДж. 6.3.Первый  закон  Кирхгофа.  Алгебраическая  сумма  токов  в  ветвях,  соединенных  в  узле  электрической  цепи,  равна  нулю.  В  этом  заключается  первый  закон  Кирхгофа.  В  общем  случае  в  математической  форме  этот  закон  записывается  так:  ∑  Ik  =  0,  где  k  –  порядковый  номер  тока  в  ветви,  присоединенной  к  узлу  электрической цепи.

Пример 4. Определить ток в неразветвленной  части электрической цепи, изображенной на схеме  на рис. 3, если токи в других ветвях цепи известны:   I1 = 5 А, I2 = 3 А, I3 = 4 A. Рис. 3. К примеру  4 Решение: Согласно первому закону Кирхгофа  ток  в  неразветвленной  части  цепи  должен  быть  равен  сумме  токов  в  трех  пассивных  ветвях  этой  цепи: I = I1 + I2 + I3 = 5 + 3 + 4 = 12 А.

6.4. Второй закон Кирхгофа. Алгебраическая  сумма  ЭДС  источников  энергии,  действующих  в  замкнутом  контуре  электрической  цепи,  равна  алгебраической  сумме  электрических  напряжений  на  пассивных  участках  этого  контура.  В  этом  Кирхгофа.  заключается  Математически он записывается так: ∑ Еk = ∑ Uk. второй  закон  Пример 5. Записать уравнения второго закона  Кирхгофа  для  контуров  электрической  цепи,  изображенной  на  рис.  1,  считая  ЭДС  источников  равными  соответственно  Е1  и  Е2,  их  внутренние  сопротивления  и  сопротивления  амперметров  равными  нулю  замкнуты).  Выбранные  положительные  направления  токов  трех ветвей показаны на рис. 1. (выключатели  В

Решение:  Принимаем  направления  обхода  всех  контуров  совпадающих  с  направлением  движения  часовой  стрелки.  Рассмотрим  левый  контур. В этом контуре действует источник с ЭДС  Е1.  Направление  действия  ЭДС  Е1  совпадает  с  выбранным направлением обхода контура, поэтому  ЭДС Е1 записывается в уравнении со знаком плюс.  Положительные  направления  токов  I1  и  I3  в  участках  контура  совпадают  с  направлением  обхода  контура.  Поэтому  токи  и  напряжения  на  участках контура U1 = R1 ∙ I1 и U3 = R3 ∙ I3 входят в  уравнение  со  знаком  плюс.  Уравнение  второго  рассматриваемого  для  закона  Кирхгофа  контура: Е1 = R1 ∙ I1 + R3 ∙ I3.

Рассмотрим  правый  контур.  Здесь  ЭДС  Е2  второго  источника  действует  в  направлении,  противоположном  выбранному  выше  направления  обхода  контура.  Поэтому  в  уравнении  второго  закона Кирхгофа ЭДС Е2 войдет со знаком минус.  Положительные  направления  с  током  I2  и  I3  в  рассматриваемом  противоположны  выбранному  направлению  обхода  контура.  Поэтому  токи  и  напряжения  на  участках  рассматриваемого контура U2 = R2 ∙ I2 и U3 = R3 ∙ I3  знаком  минус.  также  Следовательно, для правого контура: – Е2 = – R2 ∙  I2 – R3 ∙ I3. записать  контуре  надо  со

Рассмотрим  внешний  контур,  обходя  его  по  направлению  движения  часовой  стрелки.  В  этом  случае  ЭДС  Е1  нужно  записать  со  знаком  плюс,  а  ЭДС Е2 – со знаком минус. Алгебраическая сумма  ЭДС, действующих в этом контуре, ∑ Еk = Е1 – Е2.  Положительное  направление  тока  I1  на  участке  с  сопротивлением  R1  совпадает  с  направлением  обхода контура, а положительное направление тока  I2 на участке с сопротивлением R2 противоположно  направлению обхода. Поэтому ток I1 и напряжение  U1  =  R1  ∙  I1  войдут  в  уравнение  со  знаком  плюс,  а  ток I2 и напряжение U2 = R2 ∙ I2 – со знаком минус.

Уравнение  второго  закона  Кирхгофа  для  рассматриваемого контура имеет вид: Е1 – Е2 = R1 ∙  I1 – R2 ∙ I2.  (не  Если  направление  действия  ЭДС  источника  задано),  то  до  составления  неизвестно  ее  уравнений  Кирхгофа  необходимо  положительное  направление,  указав  его  стрелкой  на  схеме  замещения.  Аналогично  для  источника  тока. задать

сопротивлением  1.  Что  понимают  в  общем  случае  под  термином  «электрический ток»? 2.  Какие  величины  называют  электрическими  сопротивлением  и  проводимостью,  удельными  электрическими  и  проводимостью? 3.  Назовите  единицы  измерения  электрического  тока,  электрического  сопротивления,  проводимости,  сопротивления,  удельного  удельной электрической проводимости. 4.  Как  влияет  температура  проводника  на  его  электрическое сопротивление? плотности  тока,  электрической  электрического

5.  Что  такое  узел,  контур,  ветвь,  элемент  электрической цепи? 6.  Какие  элементы  называют  линейным  и  нелинейным  элементом  цепи,  и  какие  цепи  называют линейной и нелинейной? электрической  7.  Какие  источники  применяются в малой электроэнергетике? 8.  Чему  равно  напряжение  на  выводах  источника  энергии  в  режиме  холостого  хода,  в  режиме  короткого замыкания? энергии

9. В чем заключается закон Джоуля­Ленца? Какими  формулами  можно  математически  выразить  этот  закон? 10.  Сформулируйте  первый  и  второй  Кирхгофа. 11.  Как  влияет  температура  проводника  на  его  электрическое сопротивление? 12.  Что  такое  коэффициент  полезного  действия  электрической  энергии?  Чему  он  равен  в  режиме  холостого  хода  источника  и  в  режиме  короткого  замыкания? законы

1.  Какое  число  электронов  проходит  через  поперечное сечение проводника за 1 мс при токе 8  мкА? 2.  Определите  заряд  частиц,  прошедших  через  поперечное  сечение  проводника  за  5  минут  при  токе 10 А. 3.  Чему  равен  ток  в  проводнике  сечением  16  мм2  при плотности тока   2,5 А/мм2? 4. Определите электрическое сопротивление 1140 м  медного провода сечением 10 мм2.

удельную  Определите  5.  электрическую  проводимость провода длиной 1,92 м и сечением   1  мм2,  если  при  температуре  20  оС  его  электрическое  сопротивление равно 0,8 Ом. 6. Определите, насколько увеличилось электрическое  сопротивление  алюминиевого  провода,  если  его  температура  возросла  на  60  оС,  а  до  повышения  температуры  сопротивление  провода  равнялось  10  Ом. 7. Определите сопротивление провода, если при токе  3 А напряжение между концами провода равно 15 В.

8.  Определите  ток  в  проводнике,  если  каждую  секунду  через  поперечное  сечение  проводника  переносится  6,25 ∙ 1015 электронов. 9.  Определите  плотность  тока  в  проводнике  сечением 16 мм2, если ток в проводнике равен       40 А. 10. Определите электрическое сопротивление 1 км  алюминиевого провода сечением 35 мм2.