Файл: Электричество и магнетизм.doc

7. Закон Ома для электрической цепи.

Согласно этому законуcила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R цепи. Полное сопротивление замкнутой электрической цепи (рис. 9) можно представить в виде суммы сопротивления внешней цепи R (например, какого-либо приемника электрической энергии) и внутреннего сопротивления R_o источника.

Поэтому сила тока : I = E/(R + R_o )

Чем больше э. д. с. Е источника и чем меньше сопротивление электрической цепи, тем больший ток проходит по этой цепи.

При применении Закона Ома к участку цепи, например между точками а и б (см. рис. 9) э. д. с. Е источника в формуле должна быть заменена разностью потенциалов между началом и концом рассматриваемого участка, т. е. напряжением U, а вместо сопротивления всей цепи в формулу должно быть подставлено сопротивление R данного участка. В этом случае закон Ома выражается формулой:

I = U/R

Из формулы следует, что напряжение U, действующее на некотором участке цепи, равно произведению силы тока I на сопротивление R этого участка:

U = IR

Так как потенциал электрического поля в начале участка электрической цепи больше, чем в конце, разность потенциалов, или напряжение U, приложенное к участку электрической цепи, часто называют падением напряжения на данном участке.

Исходя из закона Ома, если известны напряжение, приложенное к данному участку и сила тока на этом участке, можно найти сопротивление R этого участка

R = U/I

8. Использование резисторов для регулирования тока в электрической цепи.

Закон Ома показывает, что силу тока в электрической цепи можно изменять, включая в нее различные сопротивления. Электрический аппарат, предназначенный для включения в электрическую цепь с целью регулирования или ограничения проходящего по ней тока, называютрезистором. Резисторы бывают с постоянным или регулируемым сопротивлением (реостатами).

Резисторы обычно изготовляют из проволоки или ленты, материалом для которых служат сплавы металлов, обладающие высоким удельным сопротивлением (константан, никелин, манганин, фехраль). Это дает возможность для изготовления резисторов применять проволоку наименьшей длины. Реостаты могут выполняться с плавным или ступенчатым изменением сопротивления.

Для регулирования тока при пуске тяговых двигателей постоянного тока применяют реостаты со ступенчатым изменением сопротивления (пусковые реостаты). Отдельные секции реостата в процессе пуска замыкаются накоротко контакторами (рис.11).

Пусковые реостаты электропоездов выполняют из фехралевой ленты 12, намотанной на фарфоровые изоляторы 13 (рис. 10,г).

Схемы включения реостатов. Реостат 2 (рис. 12) может быть включен последовательно в цепь между источником 1 и приемником 4 электрической энергии. В этом случае при изменении сопротивления реостата, т. е. при перемещении подвижного контакта 3, изменяется сила тока в приемнике. Этот ток проходит только по части сопротивления реостата. Однако реостат можно включать в цепь таким образом, чтобы ток проходил по всему его сопротивлению, а к приемнику ответвлялась только часть тока источника. В этом случае два крайних зажима 2 и 4 реостата (рис. 13) подключают к источнику 5, а один из этих зажимов, например 4, и подвижной контакт 3 реостата — к приемнику 1. Очевидно, что при таком включении к приемнику будет подаваться напряжение U, равное падению напряжения между зажимом 4 и подвижным контактом 3 реостата. Следовательно, передвигая подвижной контакт реостата, можно изменять напряжение U, подводимое к приемнику, и силу тока в нем. Напряжение U представляет собой только часть напряжения U_и на зажимах источника.

Реостат, включенный по схеме рис. 13, называется делителем напряжения, или потенциометром.

9. Режимы работы электрической цепи.

Электрическая цепь может работать в трех режимах: нагрузочный, холостого хода и короткого замыкания.

Нагрузочный режим (рис. 14, а). Рассмотрим работу электрической цепи при подключении к источнику какого-либо приемника с сопротивлением R (резистора, электрической лампы и т. п.).

На основании закона Ома э. д. с. источника равна сумме напряжений IR на внешнем участке цепи и IR₀ на внутреннем сопротивлении источника:

E = IR + IR₀

Учитывая, что напря-жениеU_и на зажимах источника равно падению напряжения IR во внешней цепи, получим:

E = U_и + IR₀

Эта формула показывает, что э. д. с. источника больше напряжения на его зажимах на значение падения напряжения внутри источника. Падение напряжения IR₀ внутри источника зависит от тока в цепи I (тока нагрузки), который определяется сопротивлением R приемника. Чем больше будет ток нагрузки, тем меньше напряжение на зажимах источника:

U_и = E - IR₀

Режим холостого хода (рис. 14,б). При этом режиме присоединенная к источнику электрическая цепь разомкнута, т. е. тока в цепи нет. В этом случае внутреннее падение напряжения IR₀ будет равно нулю и напряжение на зажимах источника электрической энергии равно его э. д. с.

U_и = E

Режим короткого замыкания (рис. 15). Коротким замыканием (к. з.) называют такой режим работы источника, когда его зажимы замкнуты проводником, сопротивление которого можно считать равным нулю.

Практически к. з. возникает при соединении друг с другом проводов, связы-вающих источник с прием-ником, так как эти провода имеют обычно незначи-тельное сопротивление и его можно принять равным нулю. К. з. может происходить в результате неправильных действий персонала, обслуживающего электротехнические уста-новки или при повреждении изоляции проводов (рис. 16). В последнем случае эти провода могут соединяться через землю, имеющую малое сопротивление, или через окружающие металлические детали (корпуса электрических машин и аппаратов, элементы кузова вагона). При коротком замыкании ток

I_кз = E / R₀

Ввиду того, что внутреннее сопротивление источникаR₀ обычно очень мало, проходящий через него ток возрастает до весьма больших значений. Напряжение же в месте к. з. становится равным нулю, т. е. электрическая энергия на участок электрической цепи, расположенный за местом к. з., поступать не будет.

Короткое замыкание является аварийным режимом, так как возникающий при этом большой ток может привести в негодность как сам источник, так и включенные в цепь приборы, аппараты и провода.

Следует отметить, что при заземлении одной точки электрической цепи распределение токов в ней не изменяется, так как при этом не образуется никаких новых ветвей, по которым могли бы протекать токи.

Если заземлить две (или больше) точки цепи, имеющие разные потенциалы, то через землю образуются дополнительная токопроводящая ветвь и распределение тока в цепи меняется. Следовательно, нарушение или пробой изоляции электрической установки, одна из точек которой заземлена, создает контур, по которому проходит ток, представляющий собой, по сути дела, ток короткого замыкания. При разрыве электрической цепи все ее точки до места разрыва оказываются под одним и тем же потенциалом.