Електротехніка гр.19/24 30.01.2025
Урок№5,6: Джерела постійного струму. Нагрівання проводів. Внутрішній опір.
Коли ми стверджуємо, що в електричному колі тече струм, то це означає що між входом та виходом цього кола існує певна електрична напруга яка і створює відповідний струм: U→ I=U/R. А от що створює саму напругу? Фактично, джерелом тієї напруги яка створює електричний струм є прилад, який прийнято називати джерелом струму. Джерело струму – це прилад, в якому той чи інший вид неелектричної (не електростатичної) енергії, перетворюється в енергію електричного струму.
Існує велике різноманіття джерел струму, зокрема:
– хімічні джерела струму (гальванічні елементи, акумулятори): Ехім → Еел;
– теплові джерела струму (термопари, МГД генератори): Q → Еел;
– фотоелектричні джерела струму (сонячні батареї): Есв → Еел ;
– електромеханічні джерела струму (електростатичні генератори;
індукційні генератори): Амех → Еел.
Про загальний устрій та принцип дії більшості різновидностей джерел струму, ви дізнаєтесь в процесі подальшого вивчення фізики. Наразі ж зауважимо, що в електричному колі, джерело струму по суті відіграє ту ж роль що і водяний насос в колі гідравлічному (мал.117). Насос, долаючи протидію сили тяжіння, піднімає воду на певну висоту, створюючи тим самим певний гідравлічний тиск (певну гідравлічну напругу). Вода, під дією сили тяжіння опускається вниз. Насос знову піднімає воду і т.д.
Мал.117. В електричному колі, джерело струму є тим двигуном, що змушує заряди безперервно рухатись по колу.
Сьогодні ми не будемо говорити про будову та принцип дії конкретних джерел струму. Сьогодні мова піде про ті загальні процеси, які відбуваються в будь якому джерелі струму та ті фізичні величини, які ці процеси характеризують.
Пояснюючи суть того, що відбувається всередині та за межами джерела струму, розглянемо поросте електричне коло яке складається з джерела струму, вимикача та споживача електроенергії, наприклад лампочки розжарювання (мал.118). Замкнувши це коло, та фіксуючи факт постійного горіння лампочки розжарювання, ви робите висновок про те, що у відповідному колі відбувається постійний кругообіг електричних зарядів. Пояснюючи причини цього кругообігу можна сказати наступне.
В незалежності від загального устрою та принципу дії, в будь-якому джерелі струму є два полюси, між якими існує певна різниця потенціалів (певна електрична напруга). Це означає, що один з полюсів джерела має заряд «плюс», а інший – «мінус». При замиканні цих полюсів провідником, носії струму (електрони) під дією електричної сили (Fел) рухаються в напрямку полюса з протилежним знаком, тобто від полюса «мінус» до полюса «плюс».
Ясно, що для забезпечення безперервності кругообігу електричних зарядів, ті електрони які досягають полюса «плюс», потрібно якимось чином знову перемістити до полюса «мінус». Не менш очевидно і те, що електричні сили (Fел) виконати цю роботу не можуть. Адже електричні сили не сприяють, а навпаки протидіють переміщенню негативно заряджених електронів від полюса «плюс» до полюса «мінус».
І тим не менше, таке переміщення відбувається. Адже лампочка постійно горить. Висновок очевидний: в джерелі струму діють певні неелектричні сили, які всупереч протидії електричних сил, переміщують електрони від полюса “плюс” до полюса “мінус”. Ці неелектричні сили прийнято називати сторонніми (Fст).
Мал.118. За межами джерела струму, заряди рухаються під дією електричних (електростатичних) сил, а в середині джерела – під дією сторонніх (неелектричних) сил.
В різних джерелах струму сторонні сили можуть мати різну фізичну природу. Скажімо в акумуляторах та гальванічних елементах (батарейках), сторонні сили мають електрохімічне походження. В індукційних генераторах, сторонніми є сили електромагнітні, в сонячних батареях – фотоелектричні, а в електростатичних генераторах – електромеханічні. Та якби там не було, а в будь якому джерелі струму, діють певні неелектричні (не електростатичні, не кулонівські) сили, які переміщують заряди в напрямку однойменних полюсів. Роботу цих сторонніх сил, характеризує величина, яка називається е.р.с. джерела струму (електрорушійна сила джерела струму).
Е.р.с. джерела струму – це фізична величина, яка є енергетичною характеристикою джерела струму і яка дорівнює відношенню тієї роботи яку виконують сторонні сили всередині джерела струму, переміщуючи заряд q між його полюсами, до величини перенесеного при цьому електричного заряду.
Позначається: ξ
Визначальне рівняння: ξ = Аст/q
Одиниця вимірювання: [ξ] = Дж/Кл=В, (вольт).
Нагадаємо. Електрична напруга – це фізична величина, яка є енергетичною характеристикою певної ділянки зовнішнього електричного кола і яка дорівнює відношенню тієї роботи яку виконують електричні сили на відповідній ділянці, до величини перенесеного при цьому електричного заряду.
Позначається: U
Визначальне рівняння: U = Аел/q
Одиниця вимірювання: U = Дж/Кл=В, (вольт).
Не важко бачити, що е.р.с. джерела струму та електрична напруга, це надзвичайно схожі величини. Різниця лише в тому, що напруга характеризує роботу електричних сил виконану на зовнішній ділянці електричного кола. А е.р.с. – характеризує роботу неелектричних (сторонніх) сил виконану на внутрішній ділянці електричного кола, тобто всередині джерела струму. Власне е.р.с. джерела струму і дорівнює тій максимальній напрузі яку здатне створити дане джерело струму. Тобто тій напрузі що існує між полюсами джерела за відсутності струму в ньому: ξ = Umax. Е.р.с. джерела струму не залежить ні від параметрів зовнішнього електричного кола, ні від величини того струму що протікає у відповідному колі. Тому саме Е.р.с. є однією з основних характеристик будь якого джерела струму.
Потрібно зауважити, що ту частину електричного кола якою є джерело струму називають внутрішньою ділянкою кола. А ту частину яка, знаходиться за межами джерела – зовнішньою ділянкою кола. При цьому, сукупність внутрішньої та зовнішньої ділянок кола називають повним електричним колом.
Оскільки е.р.с. джерела струму і та максимальна напруга яку здатне створити це джерело, є чисельно та змістовно рівними величинами, то по аналогії з законом Ома для ділянки кола I=U/R, можна стверджувати: сила струму в повному електричному колі, прямо пропорційна е.р.с. того джерела струму яке включене в це коло і обернено пропорційна загальному опору відповідного кола. Іншими словами: I = ξ/(R+r), де R+r – загальний опір електричного кола (R – опір зовнішньої ділянки електричного кола, r – внутрішній опір джерела струму). Вище сформульоване твердження називають законом Ома для повного кола.
· I = U/R I = ξ/(R+r)
Мал.119. Закон Ома: а) для ділянки кола; б) для повного кола.
Достовірність формули I = ξ/(R+r) можна обґрунтувати не лише логічно, а й строго теоретично. Дійсно. В процесі переміщення заряду по внутрішній ділянці електричного кола, стороннім силам протидіють два силові фактори:
1) сила електростатичної взаємодії зарядів (Fел);
2) сила внутрішнього опору джерела струму (Fвн).
А це означає, що та робота яку виконують сторонні сили на внутрішній ділянці електричного кола, йде не лише на подолання електростатичної взаємодії зарядів (Аел), а й на подолання внутрішнього опору джерела струму (Авн). При цьому, згідно з законом збереження енергії Аст = Аел + Авн. Або:
Аст/q = Аел/q + Авн/q. Звідси ξ = U + Uвн. А оскільки сила струму на зовнішній та внутрішній ділянках кола однакова, то можна записати: ξ=IR+Ir=I(R+r). Звідси: I = ξ/(R+r).
Якщо полюси джерела струму з’єднати провідником, опір якого є практично нулевим (R=0), то ми отримаємо ситуацію яку прийнято називати коротким замиканням. При короткому замиканні у відповідному колі тече максимально можливий струм, величина якого залежить від параметрів джерела струму, зокрема його е.р.с. та внутрішнього опору: Imax=ξ/r.
Зазвичай, коротке замикання, це досить небезпечне явище. Небезпечне як для самого джерела струму, так і для зовнішнього електричного кола. При цьому ступінь небезпечності короткого замикання визначається параметрами відповідного джерела струму. Наприклад, гальванічні елементи (батарейки) мають відносно великий внутрішній опір і відносно малі значення е.р.с. Тому для них, струм короткого замикання є відносно невеликим та відносно безпечним. Якщо ж мова йде про свинцеві акумулятори, е.р.с. яких часто перевищує 12В, а внутрішній опір зазвичай менший за 0,1(Ом), то для них, струм короткого замикання є дуже великим (понад 100А) і відповідно шкідливим та небезпечним.
Коротке замикання особливо небезпечне в побутових та промислових системах ліній електропередач. Адже напруга (е.р.с.) в цих системах вимірюється сотнями вольт, а їх внутрішній опір є практично нулевим. В таких ситуаціях, струм короткого замикання може бути надзвичайно великим. Великим настільки, що може призвести до плавлення струмопровідних дротів, пожеж та інших неприємностей.
За необхідності, джерела струму, зокрема гальванічні елементи та акумулятори, об’єднують у відповідні батареї. При цьому, розрізняють два базових способи з’єднання: послідовне та паралельне. При послідовному з’єднанні (мал.120а), позитивний полюс одного джерела з’єднують з негативним полюсом наступного. Е.р.с. послідовно з’єднаних джерел струму, дорівнює сумі е.р.с. кожного з них (ξпосл=ξ1+ξ2+…+ξn), а внутрішній опір відповідної батареї, дорівнює сумі внутрішніх опорів її окремих елементів (rпосл=r1+r2+…+rn). Оскільки на практиці, в батарею джерел струму майже завжди об’єднують однакові джерела струму, то ξпосл=nξ1; rпосл=nr1 де n – число послідовно з’єднаних джерел струму.
Послідовне з’єднання джерел струму застосовують в тих випадках, коли зовнішнє електричне коло розраховане на відносно невеликі струми і має відносно великий опір (R>>r).
· ξпосл=nξ1; rпосл=nr1 ξпар=ξ1 ; r=r1/n.
Мал.120 Послідовне (а) та паралельне (б) з’єднання джерел струму.
При паралельному з’єднанні джерел струму (мал.120б) їх однойменні полюси з’єднуються в один вузол. При цьому, е.р.с. відповідної батареї дорівнює е.р.с. одного з її складових елементів (звичайно за умови, що ці елементи є однаковими): ξпар=ξ1; а внутрішній опір – зменшується в n разів: r=r1/n, де n – кількість паралельно з’єднаних елементів.
Паралельне з’єднання джерел струму застосовують в тих випадках, коли опір зовнішнього електричного кола відносно малий (R≅r), а це коло розраховано на відносно великі струми.
Немає коментарів:
Дописати коментар