Законы постоянного тока
Содержание
Постоянный ток в отличие от переменного не имеет такого параметра, как частота, точнее, она равняется нулю. Кроме того, направление постоянного электротока со временем не меняется. Неизменной остается также его величина. Для оценки тока в электроцепи применяются законы постоянного тока.
Природа электрического тока
Нас окружают предметы, которые состоят из атомов. Структура каждого из них включает в себя ядро и электроны, вращающиеся вокруг ядра по круговым орбитам. В определённых ситуациях частицы способны отрываться от своего атома и перемещаться независимо. В результате образуются свободно движущиеся отрицательно заряженные электроны, а также положительные ионы. То есть, происходит образование электрических зарядов. Когда электрическое поле отсутствует, заряды движутся хаотично.
Постоянный ток образуется тогда, когда на заряды начинают действовать какие-либо силы, отличные от тех, что создает электростатическое поле. Эти силы называются сторонними силами, то есть, в цепи должен быть источник тока. Когда он включается, то движение зарядов приобретает упорядоченный характер. В физике принято считать, что электроток является движением частиц с положительным зарядом, а его направление соответствует их перемещению от положительной клеммы батареи к отрицательной, хотя на самом деле речь идет о движении электронов.
Взаимодействие между двумя точечными электрозарядами описывает закон Кулона. Он является основным законом электростатики. С его открытием связано развитие науки, изучающей электромагнитные воздействия. Закон Кулона — это фундаментальный закон природы, не зависящий от других законов.
Характеристики электротока
Важной характеристикой электрического тока является его сила. Кратко определение этого параметра формулируется так: сила тока равна величине суммарного электрического заряда, проходящего через сечение проводника в вертикальной плоскости за время, которое равно единице. Рассматриваемая величина измеряется в Амперах (1 А = 1 Кулон/сек).
Следует отметить, что несмотря на то, что скорость электронов представляет собой векторную величину, сила тока является скалярной.
Ещё одной важной физической величиной является плотность электротока. Она по абсолютной величине равна частному от деления силы тока на площадь сечения провода. Плотность имеет то же направление, что и вектор, соответствующий направлению скорости электронов. Определить ее можно с помощью следующей формулы:
Плотность электротока можно выразить ещё одним образом. Как известно, он представляет собой упорядоченное движение электронов. Каждый из них имеет один и тот же заряд. Поэтому любой заряд можно рассматривать как заряд электрона, умноженный на определённое целое число. Следовательно, плотность электротока — это произведение концентрации, величины и средней скорости зарядов:
Закон Ома
Этот закон является одним из основных для постоянного электротока. Его можно сформулировать так: сила тока на участке цепи равна частному от деления разности потенциалов на его концах на величину сопротивления. При этом предполагается, что на участке цепи отсутствует источник тока.
Формулировка закона Ома для цепи с одним или двумя источниками электротока выглядит следующим образом: произведение силы тока на полное сопротивление цепи равно сумме разницы потенциалов и электродвижущей силы.
Чтобы правильно применить эту формулу, на схеме нужно выбрать направление обхода. Если ток направлен одинаково с ним, то его значение является положительным. Если противоположно, то отрицательным.
Электродвижущая сила также учитывается со знаком. Если направление от клеммы, имеющей положительный знак, к отрицательной совпадает с направлением обхода, то ЭДС будет больше нуля. Когда не совпадает, используется знак «минус».
Полное сопротивление представляет собой сумму двух слагаемых — сопротивления цепи и внутреннего сопротивления источников (их количество может быть больше одного). Закон Ома для полной цепи утверждает, что сила тока представляет собой частное от деления электродвижущей силы на полное сопротивление.
Силу электротока можно определить, используя поток вектора плотности тока сквозь произвольную поверхность:
Данная формула выражает закон Ома в интегральной форме.
Закон Джоуля-Ленца
С законом Ома связана еще одна важная зависимость, с помощью которой описывается преобразование электрической энергии в тепловую. Данная зависимость называется законом Джоуля-Ленца и выражается формулой:
Эта формула справедлива лишь для проводника, по которому протекает постоянный ток. При использовании переменного она приобретает более сложный вид.
Если вместо I подставить выражение для тока из закона Ома I = U/R, то формула Джоуля-Ленца будет иметь такой вид:
С учетом того, что работа электротока определяется по формуле A=I×U×t, а электрическая мощность — P=I×U, можно записать такое выражение для определения количества теплоты:
Из этой формулы видно, что количество теплоты прямо пропорционально мощности нагревательного элемента и времени нагревания. Поэтому, зная мощность, можно вычислить время, необходимое для нагревания, например, определенного количества воды до нужной температуры.
Законы Кирхгофа
Некоторые их называют правилами, так как они не представляют собой фундаментальных законов физики. Однако в электротехнике они могут рассматриваться как основные. Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда и заключается в том, что в любой точке электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю.
Если рассматривать точку, лежащую внутри ветви цепи, тогда справедливым становится утверждение о равенстве входящего и выходящего токов. Там, где сходится три или большее количество ветвей, закон Кирхгофа позволяет строить уравнения, с помощью которых определяются различные характеристики электрических цепей. Этот закон является одним из проявлений закона сохранения энергии. Нужно всегда учитывать, что ток не может в какой-нибудь точке изменяться скачком. Ситуация, когда он возникает ниоткуда или пропадает в никуда, исключается первым законом Кирхгофа.
Простая электрическая цепь состоит из источника тока, его потребителя, например, электрической лампочки, и проводов, соединяющих их. Реальные цепи являются значительно более сложными, но при этом любая из них подчиняется законам электротехники. В частности, в цепи могут присутствовать многочисленные разветвления и замкнутые внутренние контуры. Второй закон Кирхгофа гласит, что сумма падений напряжений при обходе контура равна сумме имеющихся в нём ЭДС источников тока.
Значение законов постоянного тока
Для проведения расчётов сначала на схеме указываются все известные электрические характеристики и отмечаются неизвестные. Затем на основе упомянутых законов составляется система линейных уравнений. После этого производятся вычисления для определения нужных величин.
Использование закона Ома в различных формах и законов Кирхгофа позволяет создать систему уравнений для определения электрических характеристик всех участков цепи при помощи относительно несложных математических операций.
Загрузка...
