Мощность электрического тока

Мощность электрического тока показывает работу тока, совершенную в единицу времени
и равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена.

 

так как А = IUt, то мощность электрического тока равна:

или

Единица мощности электрического тока в системе СИ:

[ P ] = 1 Вт (ватт) = 1 А. B

Закон Джоуля - Ленца в интегральной форме:

Закон Джоуля - Ленца в и дифференциальной форме:

 

 

2.5 Правила Кирхгофа для расчета разветвленных цепей.

Для упрощения расчетов сложных электрических цепей, содержащих неоднородные участки, используются правила Кирхгофа, которые являются обобщением закона Ома на случай разветвленных цепей.

В разветвленных цепях можно выделить узловые точки (узлы), в которых сходятся не менее трех проводников (рис. 1.10.1). Токи, втекающие в узел, принято считать положительными; вытекающие из узла – отрицательными.

Рисунок 1.10.1. Узел электрической цепи. I 1, I 2 > 0; I 3, I 4 < 0

В узлах цепи постоянного тока не может происходить накопление зарядов. Отсюда следует первое правило Кирхгофа:

Алгебраическая сумма сил токов для каждого узла в разветвленной цепи равна нулю:

I 1 + I 2 + I 3 +... + In = 0.

Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения электрического заряда.

В разветвленной цепи всегда можно выделить некоторое количество замкнутых путей, состоящих из однородных и неоднородных участков. Такие замкнутые пути называются контурами. На разных участках выделенного контура могут протекать различные токи. На рис. 1.10.2 представлен простой пример разветвленной цепи. Цепь содержит два узла a и d, в которых сходятся одинаковые токи; поэтому только один из узлов является независимым (a или d).

Рисунок 1.10.2.

В цепи можно выделить три контура abcd, adef и abcdef. Из них только два являются независимыми (например, abcd и adef), так как третий не содержит никаких новых участков.

Второе правило Кирхгофа является следствием обобщенного закона Ома.

Запишем обобщенный закон Ома для участков, составляющих один из контуров цепи, изображенной на рис. 1.10.2, например, abcd. Для этого на каждом участке нужно задать положительное направление тока и положительное направление обхода контура.

Рисунок 1.10.3. «Правила знаков»

Для участков контура abcd обобщенный закон Ома записывается в виде:

Для участка bc: I ₁ R ₁ = Δφ _bc – ₁.

Для участка da: I ₂ R ₂ = Δφ _da – ₂.

Складывая левые и правые части этих равенств и принимая во внимание, что Δφ _bc = – Δφ _da, получим:

I 1 R 1 + I 2 R 2 = Δφ bc + Δφ da – 1 + 2 = – 1 – 2.

Аналогично, для контура adef можно записать:

– I 2 R 2 + I 3 R 3 = 2 + 3.

Второе правило Кирхгофа можно сформулировать так: алгебраическая сумма произведений сопротивления каждого из участков любого замкнутого контура разветвленной цепи постоянного тока на силу тока на этом участке равна алгебраической сумме ЭДС вдоль этого контура.

Первое и второе правила Кирхгофа, записанные для всех независимых узлов и контуров разветвленной цепи, дают в совокупности необходимое и достаточное число алгебраических уравнений для расчета значений напряжений и сил токов в электрической цепи. Для цепи, изображенной на рис. 1.10.2, система уравнений для определения трех неизвестных токов I ₁, I ₂ и I ₃ имеет вид:

I 1 R 1 + I 2 R 2 = – 1 – 2,

 

– I 2 R 2 + I 3 R 3 = 2 + 3,

 

– I 1 + I 2 + I 3 = 0.

 

2.6 Полезная, полная мощность и КПД источника тока.

Полной мощностью цепи называют мощность сторонних сил, она же равна полной тепловой мощности:

(1).

Полезной мощностью цепи называют тепловую мощность, выделяемую во внешней цепи (независимо от того, полезна она или вредна в данном конкретном случае):

(2).

КПД цепи

(3).

Роль электрических сил в цепи. Во внешней цепи, на нагрузке R, электрические силы совершают положительную работу, а при перемещении заряда внутри источника тока – такую же по величине отрицательную. Во внешней цепи теплота выделяется за счет работы электрического поля. Работу, отданную во внешней цепи, электрическое поле «возвращает» себе внутри источника тока. В итоге вся теплота в цепи «оплачена» работой сторонних сил: источник тока постепенно теряет запасенную в нем химическую (или какую-то другую) энергию. Электрическое же поле играет роль «курьера», доставляющего энергию во внешнюю цепь.

 

Зависимость полной, полезной мощностей и КПД от сопротивления нагрузки R.

 

Эти зависимости получаем из формул (1 – 2) и закона Ома для полной цепи:

. (4)

. (5)

Графики этих зависимостей вы видите на рисунке.

Полная мощность монотонно убывает с ростом , т.к. убывает сила тока в цепи. Максимальная полная мощность выделяется при , т.е. при коротком замыкании. Источник тока совершает максимальную работу за единицу времени, но вся она идет на нагревание самого источника. Максимальная полная мощность равна

.

Полезная мощность имеет максимум при (в чем вы можете убедиться, взяв производную от функции (5) и приравняв ее нулю). Подставив в выражение (5) , найдем максимальную полезную мощность:

.

Легко убедиться, что при полная мощность вдвое больше полезной.

На графике зависимости КПД от видно, что максимум КПД достигается при , однако при этом абсолютная величина полезной мощности стремится к нулю.

 

Электромагнетизм

3.1. Магнитное поле (м.п.) в вакууме. Сила Ампера. Магнитная индукция (В). Принцип суперпозиции для В. Закон Био - Савара – Лапласа (Б-С-Л).

3.2. Применение закона Б-С-Л для расчета:

a. Индукции магнитного поля прямого тока

 

Магнитное поле в центре кругового проводника с током(рис. 166). Как следует из рисунка, все элементы кругового проводника с током создают в центре магнитное поле одинакового направления — вдоль нормали от витка.

 

 

Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. Так как все элементы проводника перпендикулярны радиусу-вектору (sina=1) и расстояние всех элементов проводника до центра кругового тока одинаково и равно R, то,

Тогда

Следовательно, магнитная индукция поля в центре кругового проводника с током

 

b. Индукции магнитного поля в центре кругового витка

c. Индукции магнитного поля на оси кругового витка

d. Индукции магнитного поля проводника конечных размеров

3.3. Закон Ампера.

 

Закон Ампера устанавливает, что на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, индукция которого В, действует сила, пропорциональная силе тока и индукции магнитного поля:

F = BI l sina (a - угол между направлением тока и индукцией магнитного поля).

Закон Ампера принимает вид:

dF = I*B*dlsina

Закон Ампера в векторной форме:

dF = I [dl B]

Сила Ампера направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы dl и B.

 

 

3.4. Линии индукции магнитного поля (вектора В). Магнитный поток. Теорема Гаусса для В.

3.5. Теорема о циркуляции вектора В.