Практические цепи и источники тока

Автор курса · Команда Небулс

Сторонние силы и ЭДС

Внешняя цепь переносит положительный заряд от высокого потенциала к низкому, а источник возвращает его обратно за счёт химической, механической или световой энергии. Электродвижущая сила источника — работа сторонних сил по переносу единичного положительного заряда внутри источника.

E = \frac{A _{ст}}{q}

ЭДС измеряют в вольтах, но это не сила в механическом смысле. Напряжение на разомкнутых клеммах идеального вольтметра близко к ЭДС, потому что ток почти отсутствует и внутреннего падения напряжения нет.

Полная цепь включает источник ЭДС, его последовательное внутреннее сопротивление и внешнюю нагрузку.

Полная цепь

Реальный источник имеет внутреннее сопротивление $r$ . Внутреннее сопротивление — сопротивление движению зарядов внутри самого источника. Для внешней нагрузки $R$ закон Ома принимает вид:

I = \frac{E}{R + r}

Напряжение на клеммах при разряде равно $U = E - I r = I R$ . Чем больше ток, тем заметнее внутренняя потеря. При коротком замыкании $R \approx 0$ и ток ограничен главным образом $r$ , поэтому источник и проводники могут опасно нагреться.

Мощность и согласование

Источник развивает мощность $P_{ист} = E I$ . Нагрузка получает $P_{R} = I^{2} R$ , а внутри выделяется $P_{r} = I^{2} r$ . Коэффициент полезного действия цепи равен:

η = \frac{P _{R}}{P _{ист}} = \frac{R}{R + r}

Максимальная мощность на нагрузке достигается при $R = r$ , но КПД тогда равен лишь $50%$ . В энергетических системах обычно важнее высокий КПД, поэтому нагрузку делают значительно больше внутреннего сопротивления; условие максимальной мощности используют в сигнальных цепях и согласовании.

Соединение источников и приборы

При последовательном согласном соединении ЭДС и внутренние сопротивления складываются. Параллельно соединяют только близкие по ЭДС источники, иначе между ними возникает уравнительный ток. Для одинаковых параллельных элементов общая ЭДС остаётся прежней, а внутреннее сопротивление уменьшается.

Амперметр включают последовательно и защищают предохранителем, вольтметр — параллельно. Нельзя подключать амперметр непосредственно к клеммам источника: его малое сопротивление создаёт почти короткое замыкание. Расчёт разветвлённой реальной цепи объединяет правила Кирхгофа с внутренними сопротивлениями и балансом работы и мощности.

Защита электрической цепи

При перегрузке слишком много параллельно работающих приборов увеличивают общий ток, а при коротком замыкании он резко возрастает из-за малого сопротивления. Предохранитель или автоматический выключатель размыкает цепь при чрезмерном токе и защищает проводку от перегрева. Повреждение изоляции опасно даже при токе, недостаточном для срабатывания обычного автомата.

Защитное заземление соединяет доступный металлический корпус с защитным проводником, а устройство защитного отключения сравнивает уходящий и возвращающийся токи и отключает цепь при утечке. Эти средства выполняют разные функции. Учебные опыты собирают с безопасным низковольтным источником; бытовую сеть, неисправные розетки и открытые корпуса работающих приборов для опытов не используют.

В работах Измерение работы электрического тока и Измерение электрической мощности сопоставьте измеряемые напряжение, ток и время. Эти опыты помогают разделить энергию за весь процесс и мощность в выбранном режиме; модель внутреннего сопротивления источника рассматривается отдельно в тексте.

Подготавливаем формулы…