Презентация "Постоянный электрический ток" – проект, доклад

III. ЭДС (электродвижущая сила).

ЭДС – это физическая величина, определяемая работой сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда.

ε – ЭДС, [В] - определение ЭДС

Аст – работа сторонних сил по перемещению заряда q.

То есть

- ЭДС – это циркуляция вектора Е поля сторонних сил

Кроме сторонних сил на заряд действуют силы электрического поля (силы Кулона):

Результирующая сила, действующая на заряд в цепи:

Работа результирующей силы на участке 1-2:

IV. Напряжение.

Напряжение – это физическая величина, определяемая работой, совершаемой общим полем кулоновских и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда.

U – напряжение, [В]

- определение напряжения

где

Амперме́тр — прибор для измерения силы тока. Включается в цепь последовательно с тем участком, на котором измеряется сила тока. Амперметр не должен изменять силу тока в цепи, поэтому его сопротивление должно быть очень малым.

Приборы для измерения силы тока и напряжения

Вольтме́тр — прибор для измерения напряжения и ЭДС. Включается в цепь параллельно тому участку, на котором измеряется напряжение. Сопротивление вольтметра должно быть очень большим. Для измерения ЭДС вольтметр включается параллельно источнику тока при разомкнутой цепи.

Схемы включения:

а — амперметра и вольтметра; б— шунта; в - добавочного сопротивления

Для расширения пределов измерения амперметров применяются шунты, благодаря которым в прибор ответвляется лишь часть измеряемого тока. Шунт - это сопротивление, включаемое последовательно в цепь измеряемого тока, амперметр же включается параллельно шунту (рис.б). По отношению к прибору шунты бывают внутренние и наружные.

Для расширения пределов измерения вольтметров применяются добавочные сопротивления (рис. в), которые включаются последовательно с вольтметром.

V. Сопротивление.

Сопротивление – это физическая величина, характеризующая способность вещества проводить электрический ток.

R – сопротивление, [Ом]

- определение сопротивления

ρ – удельное сопротивление проводника (характеристика материала), [Ом·м]; L – длина проводника; S – площадь поперечного сечения проводника.

Экспериментально установлено, что удельное сопротивление проводника зависит от температуры.

ρ – удельное сопротивление при температуре t; ρ0 – удельное сопротивление при t = 0 0С; α – температурный коэффициент сопротивления (характеристика материала); t – температура в 0С.

Для многих металлов и сплавов при T → 0 К (критической температуре) у проводника резко исчезает сопротивление. Такое явление называется сверхпроводимость.

Для ртути Ткр =4,12 К.

Соединения проводников

Чему равно общее (эквивалентное) сопротивление данного участка цепи?

Ответ: 15 Ом.

Сопротивлением обладают все элементы электрической цепи (потребители электроэнергии).

Условные обозначения элементов электрической цепи:

Электрическая цепь постоянного тока

а) натурное изображение, б) схема; 1 – аккумулятор, 2 – ключ, 3,4 – лампы накаливания, 5 – вольтметр, 6 – амперметр, 7 – соединительный провод.

4. Закон Ома

Георг Симон Ом 1787 - 1854

Ом экспериментально установил, что сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению R проводника.

- закон Ома для постоянных полей

Где

- удельная проводимость проводника, [См/м]

- закон Ома в дифференциальной форме для любых полей

j – плотность тока в произвольной точке проводника, Е – напряженность эл. поля в той же точке

Для однородного участка цепи (участка, не содержащего источник ЭДС):

Для неоднородного участка цепи (участка, содержащего источник ЭДС):

Для полной замкнутой цепи:

- закон Ома для полной цепи

R – сопротивление внешнего участка цепи; r – внутреннее сопротивление источника тока

- закон Ома для неоднородного участка цепи

2

Короткое замыкание

Соединение проводов «накоротко», т.е. когда внешнее сопротивление R = 0.

Соединение, не предусмотренное конструкцией и нарушающее нормальную работу устройства.

Аналогия между током и течением жидкости

Механическая модель электрической цепи

5. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Густав Кирхгоф 1824 - 1887

Разветвленные цепи – это цепи, содержащие несколько замкнутых контуров, которые могут иметь общие участки, и несколько источников тока.

(Правила Кирхгофа вытекают из законов Ома).

I правило Кирхгофа (для узлов): Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна 0.

Узел – точка цепи, в которой сходится не менее трех проводников.

I > 0 – если ток входит в узел; I < 0 – если ток выходит из узла

Количество уравнений, составленных по I правилу Кирхгофа, должно быть на 1 меньше, чем общее число узлов в цепи.

II правило Кирхгофа (для замкнутых контуров): Алгебраическая сумма напряжений на участках замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в данном контуре.

За положительное направление обхода обычно принимается направление по часовой стрелке.

- если ток на участке совпадает с направлением обхода;

- если ток на участке НЕ совпадает с направлением обхода;

- если ЭДС действует по выбранному направлению обхода.

Общее количество уравнений, составленных по I и II правилам Кирхгофа, должно равняться количеству неизвестных в цепи. В систему должны входить все сопротивления и ЭДС рассматриваемой цепи.

Алгоритм применения правил Кирхгофа

1) определяем количество токов в цепи и обозначаем их стрелками; направление стрелок - произвольное (если отгадаем, получим в ответе плюс; если нет - минус, то есть противоположное направление); 2) пишем уравнение неразрывности для нашего узла (всего таких уравнений на одно меньше количества узлов):

3) пишем законы Ома для разных замкнутых контуров цепи; круговыми стрелками показано направление обхода контуров, оно произвольное (э.д.с. берётся со знаком плюс, если направление тока в нём (от "-" к "+") совпадает с направлением обхода; если не совпадает - с минусом):

4) решаем полученную систему уравнений (число уравнений равно числу неизвестных).

Пример применения правил Кирхгофа

Для контура абде: Для узла б: Для контура авге:

Мост Уитстона

Мост Уитстона – это четырехполюсник, к двум полюсам которого (A,D) подключен источник тока, а к двум другим (C,B) – гальванометр (вольтметр). Устройство моста используется для измерения сопротивления.

Резисторы – плечи моста.

Если мост находится в равновесии, то ток через гальванометр не идет. Тогда: