Электрическое сопротивление, законы Ома и Джоуля-Ленца

Южно-Уральский государственный университет

Филиал в г. Кыштыме

Кафедра «Радиотехники»

621.3.я7

К176

Ю.Е. Калугин

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Тексты лекций (Базовая часть)

Кыштым

Введение.

Цель курса "Электротехника и электроника" является овладение основами теоретических и практических знаний в области электротехники и электроники.

Без знания основных законов электротехники и электроники, принципов работы электротехнических устройств и электронных приборов невозможно овладеть избранной профессией и стать полноценным бакалавром. Помимо того, следует иметь в виду, что электротехника и электроника являются теоретической базой для ряда других дисциплин, а именно автоматики, вычислительной техники, технологического оборудования и т. п. Теоретические методы, которые разработаны в электротехнике и электронике с успехом применяются и в других инженерных дисциплинах.

Тема 1. Основные определения и законы

Электрический ток, электрическое напряжение, ЭДС,

электрическое сопротивление, законы Ома и Джоуля-Ленца

Существует электрическое поле — это особый вид материи, возникающий вокруг заряженных тел или заряда. Поле проявляется по силовому действию на другие заряды. По характеру действия различаются положительные и отрицательные заряды. Заряд обозначается (q), измеряется в кулонах (Кл)

Для энергетической характеристики каждой точки электрического поля вводится понятие «потенциал». Обозначается потенциал буквой , измеряется в вольтах (В).

Электрический потенциал – работа, которую нужно выполнить, чтобы перенести единицу заряда (1Кл) из данной точки в бесконечность или

Потенциал — скалярная величина.

Положительный заряд перемещается из точки с большим потенциалом в точку с меньшим потенциалом. Между двумя точками с равными потенциалами заряд перемещаться не будет. Для перемещения заряда между двумя точками электрического поля должна быть разность потенциалов в этих точках.

Разность потенциалов между двумя точками – напряжение

.

Кроме того, напряжение между двумя точками электрического поля характеризуется энергией, затраченной на перемещение единицы положительного заряда между этими точками, т. е.

.

В природе существуют особые материалы – проводники, которые отличаются тем, что в своем составе имеют «свободные» заряды. Свободные в том смысле, что под действием поля они могут двигаться.

Такой проводник с сечением S изображен на рис. 1. Пусть на концах его появится разность потенциалов , тогда под действием поля заряды придут в направленное движение. При этом через сечение S за промежуток времени Δt сместится Δq. Отсюда имеем:

1) явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или вакууме называется электрическим током.

2)интенсивность этого процесса определяется силой тока ,измеряется в амперах (А)

Однако протекание тока быстро заканчивается, так как движущие заряды уравняют потенциалы и ток прекратится. Для того чтобы он существовал длительное время к проводнику подключают (снова с помощью проводников) источник тока. Этот источник тока за счет различных процессов (электрохимических, фотоэлектрических, вихревых) забирает заряды на концах проводника и переправляет навстречу электрическому полю. Такая работа источника квалифицируется как электродвижущая сила (ЭДС). За величину ЭДС принимается работа источника по перенесению единицы положительного заряда навстречу электрическому полю:

, измеряется в вольтах (В).

S

φ₁ φφ φ₂

Источник

тока

Рис. 1. Движение зарядов в проводнике и действие ЭДС

Рассмотрим еще один процесс.

Обычно проводники – металлы, имеющие кристаллическое строение. Узлы кристаллической решетки образуют положительные ионы, потерявшие электрон. При направленном движении электронов заряды испытывает взаимное притяжение (+ –), на это растрачивается часть энергии, то есть узлы кристаллической решетки отбирают часть энергии от движущихся электронов. Увеличение энергии ионов-узлов приводит к усилению их колебаний, что эквивалентно повышению температуры, следовательно, при протекании тока по проводнику, он нагревается.

Процесс рассевания энергии движущихся электронов на узлах кристаллической решетки называют электрическим сопротивлением. Обозначается R и измеряется в омах (Ом).

Приведем формулу электрического сопротивления длинного проводника

,

где l– длина проводника (м), S – сечение проводника (м²), ρ – удельное электрическое сопротивление (сопротивление проводника 1 м, сечением 1м²), значения удельного сопротивления для различных металлов можно найти в специальных справочных таблицах.

C сопротивлением связан и нагрев проводника при протекании по нему тока Количество выделенного тепла определяется законом Джоуля-Ленца: количества тепла, выделившееся в проводнике при протекании по нему тока, равно квадрату тока, сопротивлению и времени протекания, то есть в общем случае .

В свою очередь, данный закон обуславливает правило: если в какой либо части электромагнитного устройства выделяется тепло, то его можно отнести за счет существования электрического сопротивления.

Кроме того, электрическое сопротивление линейно связывает напряжение на концах проводника и ток по нему. Эту связь отражает закон Ома: ток в проводнике прямо пропорционален напряжению .