7.2 Электрический ток, электрические цепи

Движение электрических зарядов порождает электрический ток –I

I =q /t - сила тока это изменении заряда-q по времени -t. Если в одну секунду заряд изменяется на один кулон то сила тока один ампер. В замкнутой электрической цепи, где имеется источник тока с напряжением –U вольт и сопротивление –R ом, сила тока определяется законом Ома. Сила тока в цепи равна напряжению –u деленному на сопротивлении –R.

Закон Ома I =u / R

Электрические цепи содержат множество элементов. Наиболее часто употребляемы показаны на таблице 1 с их условными обозначениями. Эти элементы электрических цепей можно включать последовательно и параллельно, как показано на рис 2

Таблица 1 Некоторые условные обозначения в схемах электрических цепей и приборов

На рис.23 Изображена простая разветвленная цепь состоящая и двух последовательно соединеных батарей, напряжение на которых измеряет параллельно присоединеный вольтметр. Далее последовательно соединено сопротивление R1 далее параллельно соединение сопротивления R2, R3, R4 и R5, R6, в которых и происходит ветвление токов, и наконец амперметр для измерения силы тока. Буквой J обозначено сила тока, а произведение силы тока на сопротивление J*R дает падение напряженияна на этом сопротивлении

Рис. 23 Простая разветвленная цепь состоящая из двух батарей, шести сопротивлений,

амперметра и вольтметра.

Работа совершаемая в цепи электрического тока определяется формулой Джоуля-Ленца:

A = I*U*t где А-Работа тока, I-сила тока, U-напряжение, t-время действия

Если ток переменный, то действующее значение напряжения-Ud равно максимальному напряжению – Umax деленному на корень из 2-х. Такая же формула для тока.

Ud =Umax */, Id =Imax/,

Работа переменного тока определяется по формуле

A = Ud Id cos () *t, где - есть разность фаз между напряжением и током.

Если в цепи нет других электроприемников, кроме сопротивлений, как на рис 2, то работа идет на нагрев сопротивлений, а батареи будут разряжаться

Правила Кирхгофа для разветвленной электрической цепи.

Расчет разветвленных цепей упрощается, если пользоваться правилами Кирхгофа. Первое правило относится к узлам цепи. Узлом называется точка, в которой сходится более чем два тока. Токи, текущие к узлу, считается имеют один знак плюс, от узла - минус. Первое правило Кирхгофа является выражением того факта, что в случае установившегося постоянного тока ни в одной точке проводника и ни на одном его участке не должны накапливаться электрические заряды и формулируется в следующем виде:

Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю

Второе правило Кирхгофа является обобщением закона Ома на разветвленные электрической цепи.

В любом замкнутом контуре произвольной разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма падений напряжений (произведений сил токов на сопротивление) соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме эдс входящих в контур.

Сопротивление может быть простым, омическим, зависящим от температуры –Т по формуле: Rt= Ro (1-k*T)где Rt,Ro текущее и начальное сопротивление, Т –разность температур, k -кoэффициент роста сопротивления с повышением температуры

R = R1+R2 +R3 – сложение 3-х сопротивлений в цепи при последовательном соединении.

Сложение проводимостей при параллельном соединении сопротивлений

1/R = 1/R1 +1/R2+1/R3

Для переменного тока с частотой-f, катушка намотанная на железный сердечник с индуктивностью –L, будет иметь индуктивное сопротивление по формуле: Ri = f * L.

Для емкости -С емкостное сопротивление-Rc, определяется по формуле Rc =С /f .

На рис.24 показана простая демонстрация наличия магнитной энергии вокруг катушки по которой течет ток. Если разомкнуть

ключ К, на схеме слева получим схему справа, где нет источника тока. Но лампочка ярко вспыхнет и затем медленно погаснет, израсходовав энергию магнитного поля катушки.

Рис.24 Простая схема демонстрации энергии магнитного поля

в катушке с током, при его отключении.

Закон Фарадея. Ток в растворах электролитов обусловлен движением положительных ионов металла к отрицательному электроду, где они оседают. Масса чистого металла, полученного в электролизе –М определятся силой тока -I, временем когда ток течет- t, атомным весом вещества-А, его валентностью-w, и постоянной Фарадея –F, по формуле:

Формула Фарадея для электролитов M =A*I*t /F*w

Движущиеся электрические заряды, постоянный и переменный ток порождает магнитное поле. В природе не существует магнитных зарядов и магнитное поле всегда связано с электрическим током. Силовые линии магнитного поля вокруг проводника с током спирально наматываются на него, по траектории ручек буравчика который вворачивается по направлению тока. Как и электрическое поле, магнитное характеризуется напряженностью, плотностью энергии и другим характеристиками.

H = 2*I / C*r -напряженность магнитного поля проводника с током I, на расстоянии –r.

F = 2  * I1 I2 l /r C - сила магнитного взаимодействия двух проводников с токами -I1, I2, длинной l, на расстоянии – r. -магнитная проницаемость среды, С-скорость света.

W=*H/ 8* -плотность энергии магнитного поля.

Рис. 25 Показаны силовые линии магнитного поля постоянного магнита

и катушки по которой течет электрический ток.

Опыты Фарадея показали , что при движении проводника поперек силовых линий магнитного поля, или при пересечении проводника переменным магнитным полем в нем возникает электродвижущая сила и по нему течет ток. Сила генерируемого тока и напряжение на концах проводника определяется изменением магнитного потока -Ф. Связь между напряженностью магнитного поля - H, магнитной индукцией-B, магнитным потоком-Ф, током-I и напряжением в катушке-U с числом витков-n, площадью одного витка катушки- S, определяется формулами:

B =  *H; B = * n*I/ r; Ф =В*S =  H S, U = - Ф*n /t

На рис.26 представлено геомагнитное поле Земли. Видно что геомагнитная ось не совнападает с осью вращения Земли и геомагнитные полюса не сопадают с полюсами Земли. Геомагнитное поле препятствует падению заряженных частиц на Землю, поперек силовых линий поля. Без сопротивления частицы падают на землю только на геомагнитных полюсах, двигаясь вдоль силовых линий.

Рис.26 Геомагнитное поле Земли.

Проникновение в электромагнитную картину мира дало Человечеству очень удобный вид энергии – электричество. Конец 19 –го века и первая половина 20-го века это век электричества. Электроэнергия освещаются и обогреваются наши дома, движутся многие машины и агрегаты. Человек научился превращать электрическую энергию в механическую и наоборот. На этой основе создана новая технология 20-го века.

Электромагнитные устройства проникли во все сферы человеческой жизни, существенно изменив их. Возросло технологическое могущество человека, теперь жизнь человека без электричества не мыслима. Потребности электромагнитных технологий стимулировали дальнейшее развитие электромагнитной теории, проникновение в глубь материи в атомное строение вещества и ядерную физику.