2. Простейшая Электрическая цепь

Электрический ток может длительно существовать только в замк­нутой электрической цепи. Электрическая цепь – это совокупность устройств и объектов, образующих путь электрического тока. Элементом электрической цепи называется отдельное устройство, выполняющее в ней определенную функцию. Простейшая электрическая цепь (рис.2.1) содер­жит три основных элемента: источник электрической энергии 1, приемник электрической энергии (потребитель) 2 и соединительные провода 3. К вспомогательным относятся элементы защиты (предохранители, разрядники и т.д.), контроля (амперметры, вольтметры и т.д.), управления (переключатели, рубильники и т.д.).

Рис.2.1

Источник электрической энергии  это преобразователь какого-либо вида неэлектрической энергии в электрическую:

- в цепях постоянного тока это аккумуляторы, гальванические элементы, термоэлектрогенераторы и т.п.;

- в цепях переменного тока это гидрогенераторы, турбогенераторы и т.п.

Трансформаторы, преобразователи частоты и выпрямители с одной стороны являются приемниками электрической энергии, а с другой источниками (они изменяют характеристики электрической энергии: величину напряжения, частоту и т.п.).

Приемник электрической энергии (потребитель) предназначен для преобразования электрической энергии, т. е. энергии электромагнитного поля в другой вид энер­гии:

а) механическую – электродвигатели переменного и постоянного тока;

б) тепловую – электропечи, сварочные аппараты;

в) световую – электрические лампочки, светодиоды;

г) химическую – аккумуляторы при зарядке и т.д.

Для передачи и распределения электрической энергии служат провода и кабели. В проводах и приемнике ток идет от плюса к минусу, а в источнике - от минуса к плюсу, завершая движение по замкнутому пути.

Вывод: Источник создает электромагнитное по­ле. Это поле, воздействуя на электрическую цепь, состоящую из про­водов и потребителя, заставляет перемешаться свободные электри­ческие заряды, находящиеся в проводах и потребителя. Тем самым создается ток. Если на каком-либо участке цепи нет зарядов, могущих перемещаться (есть участок, который не является проводником), то в такой цепи тока не будет, хотя электрическое поле будет действовать на этот участок цепи. Это будет означать разрыв цепи.

3. Понятие Электродвижущей силы (эдс)

Электрическая цепь содержит два участка: внешний и внутренний (рис.3.1). Внешний участок образует приемник и провода, внутренний участок - сам источ­ник энергии.

Рис.3.1

Для то­го чтобы существовал ток в цепи, надо создать электрическое поле источника. Сторонние силы (Fст) разделяют раз­ноименные заряды в источнике и создают два полюса источника - положи­тельный и отрицательный.

При замыкании полюсов источника проводником в цепи воз­никает ток. Движение зарядов по внешней цепи осуществляется силами электрического поля источника (Fэ).

Основным условием длительного существования тока является то, что ток нигде не теряется. Сколько электриче­ских зарядов вышло из какого-либо участка цепи, столько их и войдет в этот участок с противоположной стороны. Не может быть убыли или накопления электрических зарядов в каком-либо участке цепи.

Сторонние силы совершают работу по разде­лению разноименных зарядов, т. е. совершают работу по созда­нию электрического поля источника, и переносят заряды внутри источника. Полная работа сторонних сил равна энер­гии электрического поля плюс энергия, затраченная на перенесе­ние зарядов внутри источника.

Величина, характеризующая способность источника вызвать электрический ток, называется электродвижущей силой (ЭДС).

Количественная оценка ЭДС определяется величиной работы, приходящейся на единицу заряда:

Если сто­ронние силы разделили заряд величиною Q кулонов и при этом совершили W₁ джоулей работы, а на его перенесение внутри источ­ника затратили W₀ джоулей, то ЭДС источника:

= U+U₀.

W = W₁ + W₀.

Изобразим источник, соединительные провода и приемник на рис.3.2.

Рис.3.2

Электродвижущая сила источника: E=U+U0. E = IR + IR0, где R – сопротивление внешнего участка цепи, R0 – внутреннее сопротивление источника (рис.3.2).

U = IR = W₁/Q — энергия электрического поля, приходящаяся на заряд в один кулон, расходуемая во внешней цепи. Эта составляющая ЭДС называется внешним падением напряжения или просто напряжением источника.

U₀ = IR₀ = W₀/Q  энер­гия, расходуемая сторонними силами на перемещение заряда в один кулон внутри источника, она называется внутренним падением напряжения.

За направление ЭДС принимается направление действия сто­ронних сил на положительный заряд. Это направление совпадает с направлением действия электрического поля на положительный заряд во внешнем участке цепи. Это же направление и принима­ется за направление электрического тока. Электроны же переме­шаются в противоположном направлении.

При холостом ходе внутреннее падение напря­жения равно нулю (нет переноса заряда внутри источника), поэтому ЭДС равна внешнему падению напряжения. В этом случае ЭДС характеризует электрическое поле источника в режиме холостого хода.

При нагрузке электрическое поле источника будет меньше, так как часть энергии сторонних сил будет тратиться на пере­мещение зарядов внутри источника, и только часть ее будет созда­вать электрическое поле. Это означает, что электрическое поле при нагрузке характеризуется напряжением источника.

Напряжение на участке цепи характеризует ту энергию, которая расходуется элек­трическим нолем на перемещение заряда в один кулон по данному участку цепи. Один вольт - это такое напряжение между двумя точками, когда между ними перемещается заряд в один кулон и при этом совершается работа в один джоуль.

Величина энергии, вырабатываемой за единицу времени, называется мощностью источника:

= E·I .

Основная единица измерения мощности – Ватт: 1 Вт = 1В·1А. Пользуются единицами киловатт (1кВт=1000 Вт), мегаватт (1 МВт = 10⁶ Вт = 10³ кВт).

Энергия источника рассчитывается по формуле:

W = Ри·t

1 кВт·ч = 1000 Вт · 3600 с = 36·10⁵ Вт·с = 1 Дж.

Пример. Если источником тока является аккумуляторная батарея, то при сопротивлении нагрузки 10 Ом и внутреннем сопротивлении 0,1 Ом и Е = 12В:

I	U0	U	Ри	Рнагр
12/(10+0,1) = 1,18 A	1,18·0,1 = 0,118 В	1,18 ·10 = 11,8 В	14,257 Вт	14,116 Вт