Формулировка и физический смысл закона утечки энергии в пределах замкнутой цепи

Сообщение на тему: Закон Ома для замкнутой цепи. Основные понятия.

Закон Ома для замкнутой цепи

Замкнутая (полная) электрическая цепь состоит из источника тока и сопротивления.

Источник тока имеет ЭДС () и сопротивление (r), которое называют внутренним. ЭДС (электродвижущая сила) — работа сторонних сил по перемещению положительного заряда по замкнутой цепи (физический смысл аналогичен напряжению, потенциалу). Полное сопротивление цепи — R+r.

• 
• 1) Напряжение на зажимах источника, а соответственно и во внешней цепи
• ,где величина  — падение напряжения внутри источника тока.
• 2) Если внешнее сопротивление замкнутой цепи равно нулю, то такой режим источника тока называется коротким замыканием.
• 3) Для полной цепи закон Джоуля-Ленца

1. Коэффициент полезного действия
2. Мощность, выделяемая на внешнем участке цепи, называется полезной
3. 
4. При условии R=r мощность, выделяемая во внешней цепи, максимальная для данного источника и равна
5. Полная мощность — сумма полезной и теряемой мощности

Коэффициент полезного действия источника тока — отношение полезной мощности к полной

Источник ЭДС

Для существования постоянного тока в цепи необходимо непрерывно разделять электрические заряды, которые под действием сил Кулона стремятся соединиться. Для этого необходимы сторонние силы.

ЭДС характеризует действие этих сторонних сил. А сама эта работа осуществляется внутри источников ЭДС.

Электрические заряды внутри источников ЭДС движутся против кулоновских сил под воздействием сторонних сил.

• Сравнивая электрический ток с течением жидкости в трубах, можно сказать, что источник работает, как насос, который подает воду из нижнего резервуара в верхний, из которого она под действием силы тяжести стекает в нижний резервуар.
• В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так, более того, обычно используемые в быту источники напряжения по своим характеристикам гораздо ближе к источнику ЭДС, чем к источнику тока из-за наличия внутреннего сопротивления.
• В настоящее время выпускают множество различных источников ЭДС — от маленьких батареек для часов до генераторов.
• Внутри источника тока происходит разделение зарядов из-за процессов, происходящих внутри источника, например, химических процессов.
• Гальванический элемент — химический источник тока, основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите (батарейки, аккумуляторы).

1. Генераторы — создают ток за счет расходования механической энергии.
2. Термоэлементы — используют энергию теплового движения заряженных частиц.
3. Фотоэлементы — создают ток за счет энергии света.
4. Соединение источников тока*
5. Рассмотрим n одинаковых источников ЭДС
6. Правила Кирхгофа**
7. Для расчета сложных разветвленных цепей, которые нельзя свести к эквивалентной цепи, используют правила Кирхгофа:
8. 1) Алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле равна нулю.
9. 2) Алгебраическая сумма падений напряжений в любом простом замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС, которые есть в этом контуре.

Источник: https://infourok.ru/soobschenie-na-temu-zakon-oma-dlya-zamknutoy-cepi-osnovnie-ponyatiya-3036846.html

ФизМат

Электродвижущая сила. 

ЭДС — энергетическая  характеристика источника. Это физическая величина, равная отношению работы, совершенной сторонни­ми силами при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи, к этому заряду: Измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для замкнутой цепи и неоднородного участка цепи.

Закон ома для замкнутой цепи говорит о том что. Величина тока в замкнутой цепи, которая состоит из источника тока обладающего внутренним сопротивлением, а также внешним нагрузочным сопротивлением. Будет равна отношению электродвижущей силы источника к сумме внешнего и внутреннего сопротивлений. 

При прохождении электрического тока в замкнутой цепи на свободные заряды действуют силы со стороны стационарного электрического поля и сторонние силы.

При этом на отдельных участках этой цепи ток создается только стационарным электрическим полем. Такие участки цепи называются однородными. На некоторых участках этой цепи, кроме сил стационарного электрического поля, действуют и сторонние силы.

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным участком цепи.

Для того чтобы выяснить, от чего зависит сила тока на этих участках, необходимо уточнить понятие напряжения.

Рис. 1
Рассмотрим вначале однородный участок цепи (рис. 1, а). В этом случае работу по перемещению заряда совершают только силы стационарного электрического поля, и этот участок характеризуют разностью потенциалов Δφ. Разность потенциалов на концах участка , где AK — работа сил стационарного электрического поля. Неоднородный участок цепи (рис. 1, б) содержит в отличие от однородного участка источник ЭДС, и к работе сил электростатического поля на этом участке добавляется работа сторонних сил. По определению, , где q — положительный заряд, который перемещается между любыми двумя точками цепи;  — разность потенциалов точек в начале и конце рассматриваемого участка; . Тогда говорят о напряжении для напряженности: Eстац. э. п. = Eэ/стат. п. + Eстор. Напряжение U на участке цепи представляет собой физическую скалярную величину, равную суммарной работе сторонних сил и сил электростатического поля по перемещению единичного положительного заряда на этом участке:

Из этой формулы видно, что в общем случае напряжение на данном участке цепи равно алгебраической сумме разности потенциалов и ЭДС на этом участке. Если же на участке действуют только электрические силы (ε = 0), то . Таким образом, только для однородного участка цепи понятия напряжения и разности потенциалов совпадают.

Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид:

где R — общее сопротивление неоднородного участка.

ЭДС ε может быть как положительной, так и отрицательной.

Это связано с полярностью включения ЭДС в участок: если направление, создаваемое источником тока, совпадает с направлением тока, проходящего в участке (направление тока на участке совпадает внутри источника с направлением от отрицательного полюса к положительному), т.е. ЭДС способствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε > 0, в противном случае, если ЭДС препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε < 0.

Правила Кихгофа. 

Работа и мощность тока. Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.

При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время Δt по цепи протекает заряд Δq = I Δt. Электрическое поле на выделенном учестке совершает работу 

ΔA = (φ1 – φ2) Δq = Δφ12 I Δt = U I Δt,

где U = Δφ12 – напряжение. Эту работу называют работой электрического тока.

• Если обе части формулы 
• Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи.
• Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена: 

Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой  и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. Закон Ома для полной цепи записывается в виде 

Умножив обе части этой формулы на Δq = IΔt, мы получим соотношение, выражающее закон сохранения энергии для полной цепи постоянного тока: 

R I2Δt + r I2Δt =  IΔt = ΔAст.

Первый член в левой части ΔQ = R I2Δt – тепло, выделяющееся на внешнем участке цепи за время Δt, второй член ΔQист = r I2Δt – тепло, выделяющееся внутри источника за то же время.

Выражение  IΔt равно работе сторонних сил ΔAст, действующих внутри источника.

При протекании электрического тока по замкнутой цепи работа сторонних сил ΔAст преобразуется в тепло, выделяющееся во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист). 

.

Следует обратить внимание, что в это соотношение не входит работа электрического поля. При протекании тока по замкнутой цепи электрическое поле работы не совершает; поэтому тепло производится одними только сторонними силами, действующими внутри источника. Роль электрического поля сводится к перераспределению тепла между различными участками цепи.

Внешняя цепь может представлять собой не только проводник с сопротивлением R, но и какое-либо устройство, потребляющее мощность, например, электродвигатель постоянного тока. В этом случае под R нужно понимать эквивалентное сопротивление нагрузки.

Энергия, выделяемая во внешней цепи, может частично или полностью преобразовываться не только в тепло, но и в другие виды энергии, например, в механическую работу, совершаемую электродвигателем.

Поэтому вопрос об использовании энергии источника тока имеет большое практическое значение.

Полная мощность источника, то есть работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равна 

Во внешней цепи выделяется мощность 

Отношение  равное 

называется коэффициентом полезного действия источника.

На рис. 1.11.1 графически представлены зависимости мощности источника Pист, полезной мощности P, выделяемой во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением r. Ток в цепи может изменяться в пределах от I = 0 (при ) до  (при R = 0).

Рисунок 1.11.1. Зависимость мощности источника Pист, мощности во внешней цепи P и КПД источника η от силы тока

Из приведенных графиков видно, что максимальная мощность во внешней цепи Pmax, равная 

достигается при R = r. При этом ток в цепи 

а КПД источника равен 50 %. Максимальное значение КПД источника достигается при I → 0, т. е. при R → ∞. В случае короткого замыкания полезная мощность P = 0 и вся мощность выделяется внутри источника, что может привести к его перегреву и разрушению. КПД источника при этом обращается в нуль.

Источник: https://fizmatinf.blogspot.com/2013/05/33.html

Закон Ома для полной электрической цепи: разница с выражением для участка контура, определение, формула

Среди известных широкой общественности физических формул лидирует E=mc2. По популярности с ней может соперничать только U=IR. Это простое выражение имеет фундаментальное значение для электротехники и описывает математически соотношение между параметрами участка электрической цепи. Менее известен закон Ома для полной цепи, который рассматривает нагрузку неотделимо от источника напряжения.

Основные понятия

Электрический ток течёт, когда замкнутый контур позволяет электронам перемещаться от высокого потенциала к более низкому в цепи.

Иначе говоря, ток требует источника электронов, обладающего энергией для приведения их в движение, а также точки их возвращения отрицательных зарядов, для которой характерен их дефицит.

Как физическое явление ток в цепи характеризуется тремя фундаментальными величинами:

• напряжение;
• сила тока;
• сопротивление проводника, по которому движутся электроны.

Сила и напряжение

Вольт — единица измерения, применяемая для электрической разницы потенциалов, самого потенциала и электродвижущей силы. Термин напряжение (U) относится к электрической разности потенциалов между точками. Любые статические заряды имеют значение в Вольтах, а величина их разности определяется как U.

Напряжение можно проиллюстрировать таким явлением, как давление, или как разность потенциальной энергии предметов под воздействием гравитации.

Для того чтобы создать этот дисбаланс, нужно затратить предварительно энергию, которая и будет реализована в движении при соответствующих обстоятельствах.

Например, в падении груза с высоты реализуется работа по его подъёму, в гальванических батареях разность потенциалов на клеммах образуется за счёт преобразования химической энергии, в генераторах — в результате воздействия электромагнитного поля.

Сопротивление проводников

Независимо от того, насколько хорош обычный проводник, он никогда не будет пропускать сквозь себя электроны без какого-либо сопротивления их движению. Можно рассматривать сопротивление как аналог механического трения, хотя это сравнение не будет совершенным.

Когда ток протекает через проводник, некоторая разность потенциалов преобразуется в тепло, поэтому всегда будет падение напряжения на резисторе.

Электрические обогреватели, фены и другие подобные устройства предназначены исключительно для рассеивания электрической энергии в виде тепла.

Форма имеет важнейшее значение, это очевидно на гидравлической аналогии: протолкнуть воду через длинную и узкую трубу гораздо тяжелее, чем через короткую и широкую. Материалы играют определяющую роль.

Например, электроны могут свободно перемещаться в медном проводе, но не способны протекать вообще через такие изоляторы, как каучук, независимо от их формы.

Кроме геометрии и материала, существуют и другие факторы, влияющие на проводимость.

Закон для участка цепи

Существует фундаментальная связь между напряжением, током и проводимостью. Это знаменитое уравнение называется законом Ома, и его можно отобразить тремя эквивалентными способами:

Приведённые математические соотношения — основа для электротехники и электроники. Закон был назван в честь немецкого физика Георга Симона Ома, который в монографии, опубликованной в 1827 г., описал измерения приложенного напряжения и тока с помощью простых электрических цепей, состоящих из проводов различной длины.

Исследователь объяснил свои экспериментальные результаты несколько сложнее, чем отражено в приведённых уравнениях, известных в современной физике как неполный закон Ома. Для того чтобы сформулировать закон Ома для полной электрической цепи, необходимо оперировать понятиями внутреннего сопротивления источника тока и электродвижущей силы.

Электродвижущая сила

Под воздействием внешних сил заряды двигаются внутри источника тока против сил электростатического поля. Это позволяет поддерживать постоянный ток в замкнутом контуре до тех пор, пока работают внешние силы. Физическая величина, равная отношению затраченной энергии сторонних сил на перемещение заряда, называется электродвижущей силой источника тока. Она может быть представлена формулой ℰ = A/q. В этом выражении:

• ℰ — ЭДС в вольтах;
• A — работа в джоулях;
• q — заряд в кулонах.

По аналогии с замкнутой гидравлической системой и насосом, электрические заряды протекают непрерывно по всему контуру, и привести их в движение могут только внешние силы.

Это означает, что работу по перемещению заряда любым источником можно рассматривать как ЭДС и измерять в вольтах.

Вывод о модели цепи с источником, в которой протекает ток, как о замкнутом контуре крайне важен для понимания закона Ома для полного участка цепи.

Внешнее и внутреннее сопротивление

Все батареи и генераторы обладают внутренним сопротивлением: электроды и электролиты неабсолютные проводники, как и провода обмоток электрических машин.

Оно может варьироваться от тысячных долей ома до нескольких ом. Этот физический параметр является ключевым в законе Ома для всей цепи.

В качестве математических моделей для рассмотрения и иллюстрации электрических процессов различают:

• Идеальный источник тока (ИИТ). Генерирует электрический ток, не зависящий от изменений напряжения. Внутреннее сопротивление ИИТ бесконечно, напряжение полностью определяется подключённой схемой. Ни один физический источник тока не может работать в условиях разрыва цепи, поэтому ИИТ возможен только в качестве абстрактной модели.
• Идеальный источник напряжения (ИИН). Представляет собой устройство, поддерживающее постоянное выходное напряжение независимо от тока, протекающего по контуру. Обладает нулевым внутренним сопротивлением. ИИН удобен для моделирования практических источников, которые можно представить как ИНН с подключённым резистором.

Внутренне сопротивление источника электрической энергии является фактором обеспечения максимальной мощности для подключённой к нему нагрузки. Наиболее эффективный перенос энергии происходит, когда внешнее сопротивление значительно превышает внутреннее у источника.

Например, свинцово-кислотные аккумуляторы автомобиля, благодаря низкому внутреннему сопротивлению, способны создавать относительно высокие токи при сравнительно низком напряжении. Однако, с другой стороны, высоковольтные источники должны иметь высокое внутренне сопротивление, чтобы ограничить количество тока, протекающего в результате случайного короткого замыкания.

Полный закон

В этом уравнении предусмотрено наличие в контуре источника питания электродвижущей силы ℰ c внутренним сопротивлением r. Поскольку ЭДС — практически величина, зависящая от внешних сил, то физический смысл имеет расчёт силы тока для полной цепи при помощи выражения: I=ℰ/(R+r).

Таким образом, полный постулат Ома гласит о зависимости силы тока в замкнутом контуре от внутреннего сопротивления его источника, то есть учитывает сопротивление электролита и электродов для гальванических элементов и проводимость обмоток генераторов. Основное практическое применение — расчёт силы тока в линейных электрических цепях DC, определение мощности и импеданса любых элементов цепи.

Источник: https://rusenergetics.ru/novichku/smysl-polnogo-zakona-oma

Закон Джоуля-Ленца: определение, формула, применение

Мы ежедневно пользуемся электронагревательными приборами, не задумываясь, откуда берётся тепло. Разумеется, вы знаете, что тепловую энергию вырабатывает электричество. Но как это происходит, а тем более, как оценить количество выделяемого тепла, знают не все. На данный вопрос отвечает закон Джоуля-Ленца, обнародованный в позапрошлом столетии.

В 1841 году усилия английского физика Джоуля, а в 1842 г. исследования русского учёного Ленца увенчались открытием закона, применение которого позволяет количественно оценить результаты теплового действия электрического тока [ 1 ]. С тех пор изобретено множество приборов, в основе которых лежит тепловое действие тока. Некоторые из них, изображены на рис. 1.

Рис. 1. Тепловые приборы

Определение и формула

Тепловой закон можно сформулировать и записать в следующей редакции: «Количество тепла, выработанного током, прямо пропорционально квадрату приложенного к данному участку цепи тока, сопротивления проводника и промежутка времени, в течение которого электричество действовало на проводник».

Обозначим символом Q количество выделяемого тепла, а символами I, R и Δt – силу тока, сопротивление и промежуток времени, соответственно. Тогда формула закона Джоуля-Ленца будет иметь вид: Q = I2*R*Δt

Согласно законам Ома I=U/R, откуда R = U/I. Подставляя выражения в формулу Джоуля-Ленца получим: Q = U2/R * Δt ⇒ Q = U*I*Δt.

Выведенные нами формулы – различные формы записи закона Джоуля-Ленца. Зная такие параметры как напряжение или силу тока, можно легко рассчитать количество тепла, выделяемого на участке цепи, обладающем сопротивлением R.

Дифференциальная форма

Чтобы перейти к дифференциальной форме закона, проанализируем утверждение Джоуля-Ленца применительно к электронной теории.

Приращение энергии электрона ΔW за счёт работы электрических сил поля равно разности энергий электрона в конце пробега (m/2)*(u=υmax)2и в начале пробега (mu2)/2 , то есть

Здесь u – скорость хаотического движение (векторная величина), а υmax – максимальная скорость электрического заряда в данный момент времени.

Поскольку установлено, что скорость хаотического движения с одинаковой вероятностью совпадает с максимальной (по направлению и в противоположном направлении), то выражение 2*u*υmax в среднем равно нулю. Тогда полная энергия, выделяющаяся при столкновениях электронов с атомами, образующими узлы кристаллической решётки, составляет:

Это и есть закон Джоуля-Ленца, записанный в дифференциальной форме. Здесь γ – согласующий коэффициент,  E – напряжённость поля.

Интегральная форма

Предположим, что проводник имеет цилиндрическую форму с сечением S. Пусть длина этого проводника составляет l. Тогда мощность P, выделяемая в объёме V= lS составляет:

гдеR – полное сопротивление проводника.

Учитывая, чтоU = I×R, из последней формулы имеем:

• P = U×I;
• P = I2R;
• P = U2/R.

Если величина тока со временем меняется, то количество теплоты вычисляется по формуле:

Данное выражение, а также вышеперечисленные формулы, которые можно переписать в таком же виде, принято называть интегральной формой закона Джоуля-Ленца.

Формулы очень удобны при вычислении мощности тока в нагревательных элементах. Если известно сопротивление такого элемента, то зная напряжение бытовой сети легко определить мощность прибора, например, электрочайника или паяльника.

Физический смысл

Вспомним, как электрический ток протекает по металлическому проводнику.

Как только электрическая цепь замкнётся, то под действием ЭДС движение свободных электронов упорядочивается, и они устремляются к положительному полюсу источника питания.

Однако на их пути встречаются стройные ряды кристаллических решёток, атомы которых создают препятствия упорядоченному движению, то есть оказывают сопротивление.

На преодоление сопротивления уходит часть энергии движущихся электронов. В соответствии с фундаментальным законом сохранения энергии, она не может бесследно исчезнуть. Она-то и превращается в тепло, вызывающее нагревание проводника. Накапливаемая тепловая энергия излучается в окружающее пространство или нагревает другие предметы, соприкасающиеся с проводником.

На рисунке 2 изображёна схема опыта, демонстрирующего закон теплового действия тока, разогревающего участок провода в электрической цепи.

Рис. 2. Тепловое действие тока

Явление нагревания проводников было известно практически с момента получения электротока, но исследователи не могли тогда объяснить его природу, и тем более, предложить способ оценки количества выделяемого тепла. Эту проблему решает закон  Джоуля-Ленца, которым мы пользуемся по сегодняшний день.

Практическая польза закона Джоуля-Ленца

При
сильном нагревании можно наблюдать излучение видимого спектра света, что
происходит, например, в лампочке накаливания. Слабо нагретые тела тоже излучают
тепловую энергию, но в диапазоне инфракрасного излучения, которого мы не видим,
но можем ощутить своими тепловыми рецепторами.

Допускать сильное нагревание проводников нельзя, так как чрезмерная температура разрушает структуру металла, проще говоря – плавит его. Это может привести к выводу из строя электрооборудования, а также стать причиной пожара. Для того, чтобы не допустить критических параметров нагревания необходимо делать расчёты тепловых элементов, пользуясь формулами, описывающими закон Джоуля-Ленца.

Проанализировав выражение U2/R убеждаемся, что когда сопротивление стремится к нулю, то количество выделенного тепла стремится к бесконечности. Такая ситуация возникает при коротких замыканиях. В это основная опасность КЗ.

В борьбе с короткими замыканиями используют:

• автоматические выключатели:
• электронные защитные блоки;
• плавкие предохранители;
• другие защитные устройства.

Применение и практический смысл

Непосредственное
превращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономически
выгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современного
человечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборы
продолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

• электрочайники;
• утюги;
• фены;
• варочные плиты;
• паяльники;
• сварочные
  аппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

Закон Джоуля-Ленца без преувеличения можно назвать гениальным. Это один из тех законов, которые повлияли на развитие электротехники.

Источник: https://www.asutpp.ru/zakon-dzhoulya-lentsa.html

Замкнутая и разомкнутая электрическая цепь

Определение 1

Электрической цепью называют совокупность различных устройств, которые соединены конкретным способом. Устройства должны обеспечивать путь для протекания электрического тока. Существуют различные элементы цепей, служащие для множества целей. Для описания цепей используют специальные электрические схемы.

В состав любой электрической цепи входят различные элементы:

• Источник тока. Им, например, может быть катушка индуктивности, по которой какое-то время шёл ток внешнего источника.
• Проводники;
• Нагрузка (в случае, когда она постоянна, вольтамперная характеристическая кривая представляет собой прямую линию, а такая нагрузка зовётся линейной;
• Устройства защиты;
• Устройства коммутации.

Различают два вида элементов цепей: пассивные и активные. Пассивные представляют собой соединительные элементы и приборы-потребители электроэнергии, также к пассивным элементам относятся конденсаторы. Активные элементы — это электродвигатели, заряжающиеся аккумуляторы и различные источники ЭДС.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Основными видами электрической цепи являются:

• замкнутая цепь;
• разомкнутая цепь.

Замкнутая электрическая цепь

Замкнутая электрическая цепь представляет собой наиболее простой вариант соединения. Она состоит из источника электроэнергии, потребителя энергии и соединительных элементов в виде обычных проводов. Провода в цепи обязательно должны иметь соответствующую изоляцию.

Для обеспечения стабильной и безопасной работы электрической цепи ее снабжают дополнительными элементами. Обычно это различные электроизмерительные приборы, с помощью которых можно узнать величину токов и напряжения в системе, а также оборудование, предназначенное для замыкания и размыкания цепи.

Все замкнутые электрические цепи делят на две основные части:

• внешний участок цепи;
• внутренний участок цепи.

Определение 2

Внутренний участок цепи – непосредственно источник электроэнергии у потребителя.

Внешний участок цепи – система, которая состоит из одного или многих потребителей электроэнергии, а также соединительных проводов и приборов. Все они должны иметь отношение к функционированию замкнутой электрической цепи.

Закон Ома для замкнутой цепи

Закон Ома для замкнутой цепи показывает определенное значение тока. Оно зависит от сопротивления источника, а также от сопротивления нагрузки.

Величина тока в замкнутой цепи, которая состоит из источника цепи, будет равняться отношению электродвижущей силы источника к сумме внешнего и внутреннего сопротивлений. При этом источник тока должен обладать внешним и внутренним нагрузочным сопротивлением.

Такая зависимость была установлена экспериментальным путем в начале 19 века известным ученым Георгом Омом. Он смог описать результаты собственных опытов на математическом уровне.

Закон Ома для замкнутой цепи можно записать следующим образом:

$I=frac{varepsilon}{R+r}$, где:

• $varepsilon$ — электродвижущая сила источника напряжения;
• $R$ — сопротивление всех внешних элементов цепи, например, проводников;
• $r$ — внутреннее сопротивление источника напряжения;
• $I$ – сила тока в цепи.

• Расчет для определенного сопротивления:
• $varepsilon =I_1 R_1+I_1 r$
• $varepsilon=I_2 R_2+I_2 r$
• После подстановки полученных значений, формула приобретает такой вид:
• $varepsilon=frac{I_1 I_2 (R_2-R_1)}{I_2-I_1}$

Физический смысл закона Ома для замкнутой цепи

Замкнутую электрическую цепь образуют потребители энергии только в совокупности с источником тока. Проходящий через потребителя ток течет обратно на его источник. Поэтому току достается сопротивление проводника и источника. Из этого складывается общее сопротивление замкнутой цепи, предполагающее наличие двух основных компонентов: сопротивления источника и сопротивления потребителя.

Зависимость тока от электродвижущей силы источника и сопротивления цепи состоит в следующем: при увеличении электродвижущей силы увеличивается энергия носителей зарядов. Это означает, что становится больше скорость движения зарядов в упорядоченном виде. Если увеличивать размер сопротивления цепи, то величина тока будет уменьшаться.

Электрический ток проходит непосредственно по замкнутой цепи. Необходимым условием присутствия электрического тока в цепи является надежное соединение проводниками источника электрической энергии с ее потребителями.

Источники электроэнергии для различной аппаратуры: генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы.

В различных устройствах могут быть определенные потребители электрической энергии. Чаще всего их представляют в виде ламп или электродвигателей.

Для соединения источников и потребителей в единую цепь применяют проводники из металлических материалов. Они могут быть различной формы, длины, толщины, обладать определенными техническими характеристиками. Часто применяются проводники, которые изолированы друг от друга.

Для возникновения тока нужно соединить две точки. Одна из точек должна иметь избыток электронов по отношению ко второй точке. Специалисты называют это действие созданием разности потенциалов между точками. Источник тока служит основным элементом для создания разности потенциалов в электрической цепи.

Любой потребитель электрической энергии может являться нагрузкой в цепи. Нагрузка создает сопротивление электрическому току.

Электрический ток активно используют при создании искусственного освещения. Электрические простые лампы служат примером замкнутой цепи.

Разомкнутая электрическая цепь

При отсутствии потока электронов необходимое напряжение источника цепи проявляется на концах точек. В этом случае происходит процесс ожидания момента соединения концов точек, чтобы возобновился поток электронов. Подобную цепь принято называть разомкнутой.

Замечание 1

При связывании концов проводов, где существует разрыв, непрерывность всей цепи восстановится. Это основная разница между замкнутой и разомкнутой цепью.

При включении и выключении электрического освещения (лампы) требуется постоянно осуществлять похожие процессы. Для удобства были созданы специальные устройства. Их называют выключателями или рубильниками. Они в автоматическом режиме по сигналу управляют потоками электронов в цепи, контролируя начало и завершение работы электрооборудования.

Рубильники практически идеально подходят для демонстрации принципов работы выключателей и переключателей.

Так как некоторые части рубильников открыты, то существует вероятность воспламенения горючих материалов. В современных выключателях применяются подвижные и неподвижные контакты, которые защищены изоляционным корпусом.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektricheskie_cepi_-_chto_eto/zamknutaya_i_razomknutaya_elektricheskaya_cep/

Закон сохранения. Физический смысл закона сохранения энергии и заряда. Закон сохранения заряда как основа электроники

• Законы сохранения – это фундаментальные физические законы, согласно которым при определенных условиях некоторые измеримые физические величины , характеризующие замкнутую физическую систему, не изменяются с течением времени.
• E=Q+A E=const
• Суть закона сохранения энергии состоит в том, что энергия никуда не исчезает, а переходит из одного вида энергии в другую.

Закон сохранения заряда утверждает, что во время взаимодействия некоторой замкнутой системы с окружающим пространством количество заряда которое выходит из системы через ее поверхность равно количеству заряда поступившего внутрь системы. Другими словами алгебраическая сумма всех зарядов системы равна нулю.

Как известно в природе существует два вида зарядов. Это положительные и отрицательные. Также величина заряда дискретна, то есть он может меняться только порциями. Элементарным зарядом считается заряд электрона. Если к атому добавить один электрон, то он становится отрицательно заряженным ионом. А если его отнять то положительным.

Основная идея закона сохранения заряда состоит в том, что заряд не возникает из неоткуда и не исчезает в никуда. При возникновении заряда одного знака тут же появляется заряд противоположного знака той же величины.

2. Вакуумная электроника, основные понятия и устройства.

Вакуумная электроника – это раздел электроники, включающий в себя исследования взаимодействия потока свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а так же методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется.

К электровакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-луче­вые трубки и фотоэлектронные приборы. Электронные лампы, так же как и полу­проводниковые приборы, предназначены для различного рода преобразований электрических сигналов.

В настоящее время их применяют главным образом на сверхвысоких частотах и в мощных усилителях и генераторах.

В электронно­лучевых трубках (ЭЛТ) движение электронов происходит в виде узкого луча, что позволяет преобразовывать электрические сигналы в видимые изображения (кинескопы в телевидении, ЭЛТ в осциллографах) или, наоборот, видимые изоб­ражения преобразовывать в электрические сигналы (передающие телевизионные трубки). В фотоэлектронных приборах (ФЭП) осуществляется преобразование электромагнитного излучения в электрические сигналы. Принцип работы ФЭП основан на фотоэлектронной эмиссии.

Билет №7

Методология использования законов сохранения в науке и технике.

Существует множество законов сохранения, таких как, закон сохранения энергии, импульса, заряда, движений и т.д. Все эти законы важны в методологическом плане. Они позволяют с помощью простых приемов (анализ энергетического баланса) определить достоверность полученных физико-математических моделей.

Современные средства отображения информации.

Отображение информации – это свойство технической системы воспроизводить требуемую информацию в форме, удобной для непосредственного восприятия человеком.

Технические средства, используемые для формирования информационных моделей, называются средствами отображения информации (СОИ). С помощью СОИ полученная от одного или нескольких источников информация преобразуется в информационную модель, удобную для непосредственного восприятия.

1. Существует три способа отображения информации:
2. 1)индикация – представление информации в форме изображения (информационной модели), параметры которого обеспечивают требуемую быстроту и точность восприятия, информационную емкость и удовлетворяют требованиям инженерной психологии (эргономики)
3. 2)сигнализация – это отображение информации для привлечения внимания к изменению состояния системы, характеризуемое четко различимыми изменениями параметров информационной модели;
4. 3)регистрация– это представление информации на материальном носителе с возможностью хранения без затрат энергии.
5. Билет №8

1. Понятие «энергия», «пространство» и результат их взаимодействия. Раскрыть эти понятия и показать их взаимодействие на практических примерах взаимосвязи.

Эне́ргия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в течение которого система будет являться замкнутой.

Это утверждение носит название закона сохранения энергии.

Все материальные тела имеют протяженность и занимают определенное место в пространстве. Эта позиция еще в древнейшие времена была проверена экспериментально. И таким образом первые характеристики материальных тел выражались в виде геометрических размеров.

С тех пор ученые поделились на две части ( зависимость и независимость с пространсвом).

E=mc2=mvc2=Ek+En=mc2/2+En

В настоящее время можно считать, что пространство не может существовать само по себе. Однако, для практического изучения нас мира, оба подхода ( независимость и зависимость) оказались приемлемы и высокоэффективны для решения своих задач.

Первой появилась Декартова система координат, которая возникла в виде трехмерного пространства. Формирование такой методики изучающего пространства, привело к целому ряду понятий.

• 1 ) материальная точка – это абстракция , которая позволяет ввести в рассмотрение некоторую гепотетическую первочастицу, как часть материального мира.
• Рассмотрение этой системы координат позволило : 1) определить координаты любого предмета, 2) сделать вывод, что геометрические размеры не меняются от расположения в пространстве.
• В связи с тем, что размер объекта не меняется в декартовой системе, его длинна является инвариантой и может быть выражена следующим уравнением.
• l2= Δx2+ Δy2+ Δz2



Источник: https://infopedia.su/2×5313.html

Закон Ома для замкнутой цепи

Замкнутая
цепь содержит: источник тока, сопротивления
(потреби тока),
приборы для контроля характеристик
тока, провода, ключ. Приме может
служить цепь, приведенная на рис.5.

По
отношению к источнику можно выделит
внешнюю цепь, содержащую элементы,
находящиеся данного
источника, если проследить за током от
одной его клеммы другой, и внутреннюю,
к которой относят проводящую среду
внутри источника
обозначим сопротивление внешней цепи
через R,
внутреннее
сопротивление
источника r.

Тогда
ток в цепи определяется по закону для
замкнутой цепи, который гласит, что ток
в замкнутой цепи прямопропорционален
величине ЭДС и обратно пропорционален суммевнутреннего
и внешнего сопротивления цепи,
т.е.

Из
этого закона вытекают следующие частные
случаи:

• Если
Rстремится
к нулю (т.е. R
> r),
ток I
уменьшается, и падение напряжения внутри
источника Irстановится
намного меньше IR,
следовательно

png»>IR.

Значит,
величину
ЭДС
источника можно практически измерить
с помощью вольтметра,
присоединенного
к клеммам источника при условии, что
сопротивление
вольтметра
RV
>> rпри
разомкнутой внешней цепи.

Распределение
энергии при работе источника постоянного
тока

• сопротивление
  rи
  замкнут на сопротивление внешней
  нагрузки R.
• Проанализируем
  несколько величин, характеризующих
  распределение энергии
  при работе источника постоянного тока.
• а)
  Затраченная
  источником мощность Р.
• Работа,
  совершаемая сторонними силами в замкнутой
  цепи по
• перемещению
  заряда dq,
  равна:
• dA
  = dq(9)
• Исходя
  из определения, мощность, развиваемая
  сторонними силами в
• источнике,
  равна:

Эта
мощность расходуется источником во
внешней и внутренней по отношению
к источнику частях цепи. Используя закон
Ома для замкнутой цепи,
можно затраченную мощность представить
в виде:

(11)

Если
сопротивление нагрузки Rуменьшается,
стремясь к нулю, то Рзат
Pmax=

png»>Если
Rувеличивается,
стремясь в бесконечность, то Рзат.

График зависимости затраченной сторонними
силами мощности Рзат
от
величины внешнего сопротивления Rпоказан
на рисунке 5.

б)
Полезная
мощность Рпод:_

Полезной
по отношению к источнику мощностью Рпод
считается мощность,
расходуемая источником во внешней цепи,
т.е. на внешней нагрузке.
Она равна:

(12)

Пользуясь
законом Ома для замкнутой цепи, или
заменив в последнем выражении I
на /(R+r),
можно
представить в виде

Если
числитель и знаменатель этого выражения
разделить на R,
то
получится выражение

наглядно
демонстрирующее то, что Рполстремится
к нулю как при уменьшении
Rдо
нуля, так и при его бесконечном увеличении,
т.к. в обоих случаях
знаменатель этого выражения стремится
к бесконечности. Это означает,
что при некотором оптимальном значении
Rполезная
мощность достигает
максимального значения

1. Определить
   оптимальное значение R,
   а
   также и значение ,
   можно,
   приравняв нулю первую производную
   функции Рпоя
   =f(R)
   пo
   R:
2. (14)
3. Как
   видно, полученное равенство соблюдается
   при условии
4. (15)
5. из
   чего следует, что R
   = r.
   Таким
   образом, при сопротивлении внешней цепи
   R,
   равном
   сопротивлению внутренней цепи г,
   полезная
   мощность источника тока
   имеет максимальное значение, которое
   может быть найдено по формуле:

График
зависимости Pпол=f(R)
показан
на рисунке 6.

• в)
  Коэффициент
  полезного действия.
• Величина
  коэффициента полезного действия цепи
  г| источника тока, в соответствии
  с определением, составляет:
• (17)

При
R
величина 0, приR

png»>
величина 100%. В последнемслучае
Рпол
стремится к нулю, и такие режимы работы
источника не представляют
практического интереса. График зависимости
КПД

png»>источника
тока от величины нагрузки Rпоказан
на рисунке 7.

Источник: https://studfile.net/preview/2147140/page:3/