Электрическая проводимость. Определение, единицы измерения.
Электрическая проводимость характеризует способность тела проводить электрический ток. Проводимость – величина обтаная сопротивлению. В формуле она обратно пропорциональна электрическому сопротивлению, и используются они фактически для обозначения одних и тех же свойств материала. Измеряется проводимость в Сименсах: [См]=[1/Ом].
– Электронная проводимость, где переносчиками зарядов являются электроны. Такая проводимость характерна в первую очередь для металлов, но присутствует в той или иной степени практически в любых материалах. С увеличением температуры электронная проводимость снижается.
– Ионная проводимость. Существует в газообразных и жидких средах, где имеются свободные ионы, которые также переносят заряды, перемещаясь по объёму среды под действием электромагнитного поля или другого внешнего воздействия. Используется в электролитах. С ростом температуры ионная проводимость увеличивается, поскольку образуется большее количество ионов с высокой энергией, а также снижается вязкость среды.
– Дырочная проводимость. Эта проводимость обуславливается недостатком электронов в кристаллической решётке материала. Фактически, переносят заряд здесь опять же электроны, но они как бы движутся по решётке, занимая последовательно свободные места в ней, в отличии от физического перемещения электронов в металлах. Такой принцип используется в полупроводниках, наряду с электронной проводимостью.
Самыми первыми материалами, которые стали использоваться в электротехнике исторически были металлы и диэлектрики (изоляторы, которым присуща маленькая электрическая проводимость). Сейчас получили широкое применение в электронике полупроводники. Они занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и характеризуются тем, что величину электрической проводимости в полупроводниках можно регулировать различным воздействием. Для производства большинства современных проводников используются кремний, германий и углерод. Кроме того, для изготовления ПП могут использоваться другие вещества, но они применяются гораздо реже.
В электротехнике важное значение имеет передача тока с минимальными потерями. В этом отношении важную роль играют металлы с большой электропроводностью и, соответственно, маленьким электросопротивлением. Самым лучшим в этом отношении является серебро (62500000 См/м), далее следуют медь (58100000 См/м), золото (45500000 См/м), алюминий (37000000 См/м). В соответствии с экономической целесообразностью чаще всего используются алюминий и медь, при этом медь по проводимости совсем немного уступает серебру. Все остальные металлы не имеют промышленного значения для производства проводников.
Сименс (См)
В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.
Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль – ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.
Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.
Сименс (русское обозначение: См; международное обозначение: S) — единица измерения электрической проводимости в Международной системе единиц (СИ), величина, обратная ому.
Единица названа в честь немецкого учёного и предпринимателя Вернера фон Сименса. Наименование «сименс» для единицы электрической проводимости в СИ принято XIV Генеральной конференцией по мерам и весам в 1971 году.
Раньше применялось название мо (англ. mho), представляющее собой прочитанное назад слово «ом» (ohm); обозначалось перевёрнутым символом Ω.
До Второй мировой войны (в СССР до 1960-х годов) сименсом называлась единица электрического сопротивления, соответствующая сопротивлению столба ртути длиной 1 м и диаметром 1 мм при 0°C. Она соответствует примерно 0,9534 Ом. Эта единица была введена Сименсом в 1860 году и конкурировала с омом, который был окончательно выбран в качестве единицы сопротивления на Всемирном конгрессе электротехников в 1881 году. Тем не менее, сименс как единица сопротивления широко использовался связистами во всём мире до середины XX века.
Материалы по теме:
- 9-й Международный симпозиум ЭМС-2011
- Устройства органической электроники будут компактными, гибкими и прозрачными
- Приглашение на Международную научно-практическую конференцию «Преобразование электроэнергии и управление двигателями»
1. Основные определения
Электротехника — это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях.
Каждая наука имеет свою терминологию. Запомним термины, понятия электротехники.
Электрическая цепь — это совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи, преобразования и использования электрического тока.
Все электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три большие группы.
Источники энергии, т.е. устройства, вырабатывающие электрический ток (генераторы, термоэлементы, фотоэлементы, химические элементы).
Приемники, или нагрузка, т.е. устройства, потребляющие электрический ток (электродвигатели, электролампы, электромеханизмы и т.д.).
Проводники, а также различная коммутационная аппаратура (выключатели, реле, контакторы и т.д.).
Направленное движение электрических зарядов называют электрическим током. Электрический ток может возникать в замкнутой электрической цепи. Электрический ток, направление и величина которого неизменны, называют постоянным током и обозначают прописной буквой I.
Электрический ток, величина и направление которого не остаются постоянными, называется переменным током. Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным и обозначают строчной буквой i.
Для работы электрической цепи необходимо наличие источников энергии. В любом источнике за счет сторонних сил неэлектрического происхождения создается электродвижущая сила. На зажимах источника возникает разность потенциалов или напряжение, под воздействием которого во внешней, присоединенной к источнику части цепи, возникает электрический ток.
Различают активные и пассивные цепи, участки и элементы цепей. Активными называют электрические цепи, содержащие источники энергии, пассивными — электрические цепи, не содержащие источников энергии.
Электрическую цепь называют линейной, если ни один параметр цепи не зависит от величины или направления тока, или напряжения.
Электрическая цепь является нелинейной, если она содержит хотя бы один нелинейный элемент. Параметры нелинейных элементов зависят от величины или направления тока, или напряжения.
Электрическая схема — это графическое изображение электрической цепи, включающее в себя условные обозначения устройств и показывающее соединение этих устройств. На рис. 1.1 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии, электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.
Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения.
Схема замещения — это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов.
На рисунке 1.2 показана схема замещения.
1.2. Пассивные элементы схемы замещения
Простейшими пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность и емкость.
В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д. Общим свойством всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве. В схеме замещения во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление.
Сопротивление проводника определяется по формуле
где l — длина проводника;
S — сечение;
r — удельное сопротивление.
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью.
Сопротивление измеряется в омах (Ом), а проводимость — в сименсах (См).
Сопротивление пассивного участка цепи в общем случае определяется по формуле
где P — потребляемая мощность;
I — ток.
Сопротивление в схеме замещения изображается следующим образом:
Индуктивностью называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность цепи накапливать магнитное поле. Полагают, что индуктивностью обладают только индуктивные катушки. Индуктивностью других элементов электрической цепи пренебрегают.
Индуктивность катушки, измеряемая в генри [Гн], определяется по формуле
где W — число витков катушки;
Ф — магнитный поток катушки, возбуждаемый током i.
На рисунке показано изображение индуктивности в схеме замещения.
Емкостью называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность участка электрической цепи накапливать электрическое поле. Полагают, что емкостью обладают только конденсаторы. Емкостью остальных элементов цепи пренебрегают.
Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф), определяется по формуле:
где q — заряд на обкладках конденсатора;
Uс — напряжение на конденсаторе.
На рисунке показано изображение емкости в схеме замещения
Активные элементы схемы замещения
Любой источник энергии можно представить в виде источника ЭДС или источника тока. Источник ЭДС — это источник, характеризующийся электродвижущей силой и внутренним сопротивлением.Идеальным называется источник ЭДС, внутреннее сопротивление которого равно нулю.
На рис. 1.3 изображен источник ЭДС, к зажимам которого подключено сопротивление R.
Ri — внутреннее сопротивление источника ЭДС.
Стрелка ЭДС направлена от точки низшего потенциала к точке высшего потенциала, стрелка напряжения на зажимах источника U12 направлена в противоположную сторону от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом.
Рис. 1.3
тЙУ. 1.3
У идеального источника ЭДС внутреннее сопротивление Ri = 0, U12 = E.
Из формулы (1.3) видно, что напряжение на зажимах реального источника ЭДС уменьшается с увеличением тока. У идеального источника напряжение на зажимах не зависит от тока и равно электродвижущей силе.
Возможен другой путь идеализации источника: представление его в виде источника тока.
Источником тока называется источник энергии, характеризующийся величиной тока и внутренней проводимостью.
Идеальным называется источник тока, внутренняя проводимость которого равна нулю.
Поделим левую и правую части уравнения (1.2) на Ri и получим
где — ток источника тока;
У идеального источника тока gi = 0 и J = I.
Ток идеального источника не зависит от сопротивления внешней части цепи. Он остается постоянным независимо от сопротивления нагрузки. Условное изображение источника тока показано на рис. 1.4.
Любой реальный источник ЭДС можно преобразовать в источник тока и наоборот. Источник энергии, внутреннее сопротивление которого мало по сравнению с сопротивлением нагрузки, приближается по своим свойствам к идеальному источнику ЭДС.
Если внутреннее сопротивление источника велико по сравнению с сопротивлением внешней цепи, он приближается по своим свойствам к идеальному источнику тока.
1.4.Основные определения, относящиеся к схемам
Различают разветвленные и неразветвленные схемы.
На рис. 1.5 изображена неразветвленная схема.
На рис. 1.6 показана разветвленная схема, содержащая два источника ЭДС и 5 сопротивлений.
Сопротивления соединительных проводов принимают равными нулю.
Разветвленная схема — это сложная комбинация соединений пассивных и активных элементов.
На рис. 1.6 показана разветвленная схема, содержащая два источника ЭДС и 5 сопротивлений.
Сопротивления соединительных проводов принимают равными нулю.
Рис. 1.5 Участок электрической цепи, по которому проходит один и тот же ток, называется ветвью. Место соединения двух и более ветвей электрической цепи называется узлом. Узел, в котором сходятся две ветви, называется устранимым. Узел является неустранимым, если в нем соединены три и большее число ветвей. Узел в схеме обозначается точкой.
Последовательным называют такое соединение участков цепи, при котором через все участки проходит одинаковый ток. При параллельном соединении все участки цепи присоединяются к одной паре узлов, находятся под одним и тем же напряжением.
Любой замкнутый путь, включающий в себя несколько ветвей, называется контуром.
Рис. 1.6
1.5. Режимы работы электрических цепей
В зависимости от нагрузки различают следующие режимы работы: номинальный, режим холостого хода, короткого замыкания, согласованный режим.
При номинальном режиме электротехнические устройства работают в условиях, указанных в паспортных данных завода-изготовителя. В нормальных условиях величины тока, напряжения, мощности не превышают указанных значений.
Режим холостого хода возникает при обрыве цепи или отключении сопротивления нагрузки.
Режим короткого замыкания получается при сопротивлении нагрузки, равном нулю. Ток короткого замыкания в несколько раз превышает номинальный ток. Режим короткого замыкания является аварийным.
Согласованный режим — это режим передачи от источника к сопротивлению нагрузки наибольшей мощности. Согласованный режим наступает тогда, когда сопротивление нагрузки становится равным внутреннему сопротивлению источника. При этом в нагрузке выделяется максимальная мощность.
1.6. Основные законы электрических цепей
На рис. 1.7 изображен участок цепи с сопротивлением R. Ток, протекающий через сопротивление R, пропорционален падению напряжения на сопротивлении и обратно пропорционален величине этого сопротивления.
Падением напряжения на сопротивлении называется произведение тока, протекающего через сопротивление, на величину этого
Рис. 1.7 сопротивления.
Основными законами электрических цепей, наряду с законом Ома, являются законы баланса токов в разветвлениях (первый закон Кирхгофа) и баланса напряжений на замкнутых участках цепи (второй закон Кирхгофа). В соответствии с первым законом Кирхгофа, алгебраическая сумма токов в любом узле цепи равна нулю:
Возьмем схему на рис. 1.8 и запишем для нее уравнение по первому закону Кирхгофа.
Токам, направленным к узлу, присвоим знак «плюс», а токам, направленным от узла — знак «минус». Получим следующее уравнение:
Согласно второму закону Кирхгофа, алгебраическая сумма ЭДС вдоль любого замкнутого контура равна алгебраической сумме падений напряжений в этом контуре
Возьмем схему на рис. 1.9 и запишем для внешнего контура этой схемы уравнение по второму закону Кирхгофа.
Для этого выберем произвольно направление обхода контура, например, по часовой стрелке. ЭДС и падения напряжений записываются в левую и правую части уравнения со знаком «плюс», если направления их совпадают с направлением обхода контура, и со знаком «минус», если не совпадают.
При определении тока в ветви, содержащей источник ЭДС, используют закон Ома для активной ветви.
Возьмем ветвь, содержащую сопротивления и источники ЭДС. Ветвь включена к узлам a-b, известно направление тока в ветви (рис. 1.10).
Возьмем замкнутый контур, состоящий из активной ветви и стрелки напряжения Uab, и запишем для него уравнение по второму закону Кирхгофа. Выберем направление обхода контура по часовой стрелке.
Из этого уравнения выведем формулу для тока
где ?R — сумма сопротивлений ветви;
?E — алгебраическая сумма ЭДС.
ЭДС в формуле записывается со знаком «плюс», если направление ее совпадает с направлением тока и со знаком «минус», если не совпадает.
Б1.В.ОД.15 Электрорадиотехника
Межпредметные связи электрорадиотехники с общей и экспериментальной физикой, математикой, компьютерным моделированием другими профессиональными дисциплинами обеспечивают формирование единой базы физической и информационной подготовки. Целью изучения курса электрорадиотехники является подготовка учителей физики и информатики, способных технически грамотно эксплуатировать школьное физическое оборудование и вычислительную технику, правильно пользоваться измерительными приборами, уметь читать функциональные и принципиальные электрические схемы, устранять типовые неисправности в школьных приборах, ставить демонстрационный эксперимент, руководить техническим творчеством учащихся.
Лекция 1 Электрические цепи постоянного тока.
Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.
Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения. Электрическая схема простейшей электрической цепи, обеспечивающей работу осветительной аппар атуры, представлена на рис. 1
Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:
1) Источники электрической энергии (питания).
Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).
2) Потребители электрической энергии.
Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.
3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.
В электрической схеме на рис. 1 электрическая энергия от источника ЭДС E , обладающего внутренним сопротивлением r 0 , с помощью вспомогательных элементов цепи передаются через регулировочный реостат R к потребителям (нагрузке): электрическим лампочкам EL 1 и EL 2 .
Основные понятия и определения для электрической цепи
Для расчета и анализа реальная электрическая цепь представляется графически в виде расчетной электрической схемы (схемы замещения). В этой схеме реальные элементы цепи изображаются условными обозначениями, причем вспомогательные элементы цепи обычно не изображаются, а если сопротивление соединительных проводов намного меньше сопротивления других элементов цепи, его не учитывают. Источник питания показывается как источник ЭДС E с внутренним сопротивлением r 0 , реальные потребители электрической энергии постоянного тока заменяются их электрическими параметрами: активными сопротивлениями R 1 , R 2 ,…, R n . С помощью сопротивления R учитывают способность реального элемента цепи необратимо преобразовывать электроэнергию в другие виды, например, теплову ю или световую .
При этих условиях схема на рис. 1 может быть представлена в виде расчетной электрической с хемы (рис. 2), в которой есть источник питания с ЭДС E и внутренним сопротивлением r 0 , а потребители электрической энергии: регулировочный реостат R , электрические лампочки EL 1 и EL 2 заменены активными сопротивлениями R , R 1 и R 2 .
Источник ЭДС на электрической схеме (рис. 2) может быть заменен источником напряжения U , причем условное положительное направление напряжения U источника задается противоположным направлению ЭДС.
При расчете в схеме электрической цепи выделяют несколько основных элементов.
Ветвь электрической цепи (схемы) – участок цепи с одним и тем же током. Ветвь может состоять из одного или нескольких последовательно соедине нных элементов. Схема на рис. 2 имеет три ветви: ветвь bma, в которую включены элементы r 0 , E , R и в которой возникает ток I ; ветвь ab с элементом R 1 и током I 1 ; ветвь anb с элементом R 2 и током I 2 .
Узел электрической цепи (схемы) – место соединения трех и более ветвей. В схеме на рис. 2 – два узла a и b. Ветви, присоединенные к одной паре узлов, называют параллельными. Сопротивления R 1 и R 2 (рис. 2) находятся в параллельных ветвях.
Контур – любой замкнутый путь, проходящий по неско льким ветвям. В схеме на рис. 2 можно выделить три контура: I – bmab; II – anba; III – manbm, на схеме стрелкой показывают направление обхода контура.
Условные положительные направления ЭДС источников питания, токов во всех ветвях, напряжений между узлами и на зажимах элементов цепи необходимо задать для правильной записи уравнений, описывающих процессы в электрической цепи или ее элементах. На схеме (рис. 2) стрелками укажем положительные направления ЭДС, напряжений и токов:
а) для ЭДС источников – произвольно, но при этом следует учитывать, что полюс (зажим источника), к которому направлена стрелка, имеет более высокий потенциал по отношению к другому полюсу;
б) для токов в ветвях, содержащих источники ЭДС – совпадающими с направлением ЭДС; во всех других ветвях произвольно;
в) для напряжений – совпадающими с направлением тока в ветви или элемента цепи.
Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные. Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным, например электропечь. Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке. Следовательно, в линейной электрической цепи все элементы – линейные, а нелинейной называют электрическую цепь, содержащую хотя бы один нелинейный элемент.
Основные законы цепей постоянного тока.
Расчет и анализ электрических цепей производится с использованием закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа. На основе этих законов устанавливается взаимосвязь между значениями токов, напряжений, ЭДС всей электрической цепи и отдельных ее участков и параметрами элементов, входящих в состав этой цепи.
Закон Ома для участка цепи
Соотношение между током I , напряжением UR и сопротивлением R участк а аb электрической цепи (рис. 3) выражается законом Ома
Рис. 3
или U R = RI .
В этом случае U R = RI – называют напряжением или падением напряжения на резисторе R , а – током в резисторе R .
При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением R , а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью:
.
В этом случае закон Ома для участка цепи запишется в виде:
Закон Ома для всей цепи .
Этот закон определяет зависимость между ЭДС E источника питания с внутренним сопротивлением r 0 (рис. 3), током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением R Э = r 0 + R всей цепи:
.
Сложная электрическая цепь содержит, как правило, несколько ветвей, в которые могут быть включены свои источники питания и режим ее работы не может быть описан только законом Ома. Но это можно выполнить на основании первого и второго законов Кирхгофа, являющихся следствием закона сохранения энергии.
Первый закон Кирхгофа
В любом узле электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю
,
где m – число ветвей подключенных к узлу.
При записи уравнений по первому закону Кирхгофа токи, направленные к узлу, берут со знаком «плюс», а токи, направленные от узла – со знаком «минус». Н апример, для узла а (см. рис. 2) I − I 1 − I 2 = 0.
Второй закон Кирхгофа
В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех его участках
,
где n – число источников ЭДС в контуре;
m – число элементов с сопротивлением R k в контуре;
U k = R k I k – напряжение или падение напряжения на k -м элементе контура.
Для схемы (рис. 2) запишем уравнение по второму закону Кирхгофа:
Если в электрической цепи включены источники напряжений, то второй закон Кирхгофа формулируется в следующем виде: алгебраическая сумма нап ряжений на всех элементах , включая источники ЭДС равна нулю
.
При записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо:
1) задать условные положительные направления ЭДС, токов и напряжений;
2) выбрать направление обхода контура, для которого записывается уравнение;
3) записать уравнение, пользуясь одной из формулировок второго закона Кирхгофа, причем слагаемые, входящие в уравнение, берут со знаком «плюс», если их условные положительные направления совпадают с обходом контура, и со знаком «минус», если они противоположны.
Запишем уравнения по II закону Кирхгофа для конту ров электрической схемы (рис. 2):
В действующей цепи электрическая энергия источника питания преобразуется в другие виды энергии. На участке цепи с сопротивлением R в течение времени t при токе I расходуется электрическая энергия
Скорость преобразования электрической энергии в другие виды представляет электрическую мощность
.
Из закона сохранения энергии следует, что мощность источников питания в любой момент времени равна сумме мощностей, расходуемой на всех участках цепи.
.
Это соотношение называют уравнением баланса мощностей. При составлении уравнения баланса мощностей следует учесть, что если действительные направления ЭДС и тока источника совпадают, то источник ЭДС работает в режиме источника питания, и произведение EI подставляют со знаком плюс. Если не совпадают, то источник ЭДС работает в режиме потребителя электрической энергии, и произведение EI подставляют со знаком минус. Для цепи, показанной на рис. 2 уравнение баланса мощностей запишется в виде:
При расчете электрических цепей используются определенные единицы измерения. Электрический ток измеряется в амперах (А), напряжение – в вольтах (В), сопротивление – в омах (Ом), мощность – в ваттах (Вт), электрическая энергия – ватт-час (Вт-час) и проводимость – в сименсах (См)
Кроме основных единиц используют более мелкие и более крупные единицы измерения: миллиампер (1 мA = 10 –3 А), килоампер (1 кA = 10 3 А), милливольт (1 мВ = 10 –3 В), киловольт (1 кВ = 10 3 В), килоом (1 кОм = 10 3 Ом), мегаом (1 МОм = 10 6 Ом), киловатт (1 кВт = 10 3 Вт), киловатт-час (1 кВт-час = 10 3 ватт-час).
Способы соединения сопротивлений и расчет эквивалентного
сопротивления электрической цепи .
Сопротивления в электрических цепях могут быть соединены последовательно, параллельно, по смешанной схеме и по схемам «звезда», «треугольник». Расчет сложной схемы упрощается, если сопротивления в этой схеме заменяются одним эквивалентным сопротивлением R экв , и вся схема предст авляется в виде схемы на рис. 3, где R = R экв , а расчет токов и напряжений производится с помощью законов Ома и Кирхгофа.
Электрическая цепь с последовательным соединением элементов
Рис. 4
Рис. 5
Последовательным называют такое соединение элементов цепи, при котором во всех включенных в цепь элементах возникает один и тот же ток I (рис. 4).
На основан ии второго закона Кирхгофа общее напряжение U всей цепи равно сумме напряжений на отдельных участках:
Таким образом, при последовательном соединении элементов цепи общее эквивалентное сопротивление цепи равно арифметической сумме сопротивлений отдельных участков. Следовательно, цепь с любым числом последовательно включенных сопротивлений можно заменить простой цепью с одним эквивалентным сопротивлением R экв (рис. 5). После этого расчет цепи сводится к определению тока I всей цепи по закону Ома
,
и по вышеприведенным формулам рассчитывают падение напряжений U 1 , U 2 , U 3 на соответствующих учас тках электрической цепи (рис. 4).
Недостаток последовательного включения элементов заключается в том, что при выходе из строя хотя бы одного элемента, прекращается работа всех остальных элементов цепи.
Электрическая цепь с параллельным соединением элементов .
Параллельным называют такое соединение, при котором все включенные в цепь потребители электрической энергии, находятся под одн им и тем же напряжением (рис. 6).
В этом случае они присоединены к двум узлам цепи а и b, и на основании первого закона Кирхгофа (1.3) можно записать, что общий ток I всей цепи равен алгебраической сумме токов отдельных ветвей:
I = I 1 + I 2 + I 3 , т.е. ,
откуда следует, что
.
В том случае, когда параллельно включены два сопротивления R 1 и R 2 , они заменяются одним эквивалентным сопротивлением
.
Из соотношения следует, что эквивалентная проводимость цепи равна арифметической сумме проводимостей отдельных ветвей:
По мере роста числа параллельно включенных потребителей проводимость цепи g экв возрастает, и наоборот, общее сопротивление R экв уменьшается.
Напряжения в электрической цепи с параллельно соеди ненными сопротивлениями (рис. 6)
Отсюда следует, что
,
т.е. ток в цепи распределяется между параллельными ветвями обратно пропорционально их сопротивлениям. По параллельно включенной схеме работают в номинальном режиме потребители любой мощности, рассчитанные на одно и то же напряжение. Причем включение или отключение одного или нескольких потребителей не отражается на работе остальных. Поэтому эта схема является основной схемой подключения потребителей к источнику электрической энергии.
Каковы показания приборов в цепях, пре дставленных схемами на рисунке ? Напряжение сети И = 220 В, R = 100 Ом, С = 10 мкФ.