Тема 2. Постійний струм та кола постійного струму Урок 2.1. Струм та щільність струму. Теплова дія струму

Тема 2. Постійний струм та кола постійного струму

Урок 2.1. Струм та щільність струму. Теплова дія струму

1. Будь-який впорядкований (спрямований) рух електричних зарядів називається ЕЛЕКТРИЧНИМ СТРУМОМ. При накладанні зовнішнього електричного поля Е в провіднику починається рух зарядів, тобто виникає електричний струм. При цьому позитивні заряди рухаються по полю, а негативні - проти поля. За напрямок струму приймають напрямок руху позитивних зарядів. Для виникнення й існування електричного струму необхідне виконання двох умов:

2. наявність вільних носіїв зарядів ( тобто речовина повинна бути провідником або напівпровідником при високих температурах),

3. Наявність зовнішнього електричного поля.

 Для кількісного опису електричного струму вводиться - СИЛА СТРУМУ – скалярна фізична велична, рівна кількості електричного заряду, переносимому за одиницю часу через поперечний переріз провідника S.

- для постійного струму, і

- для змінного струму.

Струм, сила й напрямок якого не змінюються з часом, називається постійним.

ГУСТИНА СТРУМУ  - векторна фізична величина, чисельно рівна силі струму, що проходить через одиницю площі, перпендикулярної до струму.

- для постійного струму, і

- для змінного струму.

II.  ЕРС

 Для того щоб через розглянуту ділянку провідника проходив струм I, необхідно підтримувати постійну різницю потенціалів між розглянутими точками провідника.

  

Для того щоб підтримувати постійну різницю потенціалів на кінцях провідника його необхідно підключити до джерела струму. Джерело струму робить роботу з переміщення електричних зарядів уздовж усього кола. Ця робота виконується за рахунок СТОРОННІХ СИЛ – сил не електростатичного походження, що діють на заряди з  сторони джерела струму. Природа сторонніх сил може бути різної ( крім нерухомих зарядів) :

1) хімічні реакції – у гальванічних елементах (батарейках), акумуляторах,

2) електромагнітної – у генераторах. При цьому генератори можуть використовувати а) механічну енергію – ГЕС, б) ядерну – АЕС, в) теплову – ТЕС, г) припливів і відливів – ПЕС, д) вітрову – ВЕС і т. д.

3) використання фотоефекта – фотоерс у калькуляторах і сонячних батареях,

4) п'єзоефект – п’єзоерс, наприклад, у п’єзозажигалках,

5) контактна різниця потенціалів – термоерс у термопарах і т. д.

Під дією поля сторонніх сил електричні заряди рухаються усередині джерела струму проти сил електростатичного поля, за рахунок чого на клемах джерела струму підтримується різниця потенціалів і в ланцюзі тече струм.

Джерело струму характеризується електрорушійною силою – ЕРС.

ЕРС визначається роботою виконуваною сторонніми силами по переміщенню одиничного позитивного заряду уздовж замкненого кола.

 Стороння сила рівна:

де  - напруженість поля сторонніх сил. Робота сторонніх сил по переміщенню заряду q на замкненій ділянці кола рівна:

   

тобто ЕРС дорівнює циркуляції вектора напруженості сторонніх сил. На ділянці 1 – 2 (див. рисунок) крім сторонніх сил діє сила електростатичного поля

так як результуюча сила на ділянці 1 - 2 дорівнює

тоді

Для замкненого кола

  

НАПРУГОЮ U на ділянці 1 -2 називається фізична величина, обумовлена роботою, чиненої сумарним полем електростатичних (кулонівських) і сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду на даній ділянці кола

 при

Закони Ома

1. Закон Ома для однорідної ділянки кола.

Однорідною називається ділянка не утримуюча ЕРС.

Сила струму на однорідній ділянці кола прямо пропорційна напрузі й обернено

 пропорційна опору кола

 

 1 Ом – опір такого провідника, у якому при напрузі 1 В тече струм 1 А.

 G - електрична провідність.  (Сименс).

Опір R провідника залежить від його розмірів і форми, а також від матеріалу провідника.

,

де  ρ -  питомий опір провідника -  опір одиниці довжини провідника.

l - довжина провідника; S - площа поперечного перерізу провідника.

1. Закон Ома для неоднорідної ділянки кола

НЕОДНОРІДНОЮ називається ділянка кола, що містить ЕРС

   

 

 

- Закон Ома для неоднорідної ділянки кола в інтегральній формі.

3. Закон Ома для замкненого кола ( для повного кола).

де где R - опір зовнішнього кола,

г - опір джерела ЕРС, тоді

 - Закон Ома для повного кола

4. . Закон Ома в диференціальній формі.

   

 

 

 

 

σ  - - питома електропровідність;

   - Закон Ома в диференціальній формі.

Густина струмупрямо пропорційна напруженості електричного поля Е. Коефіцієнт пропорційності σ - питома електропровідність.

Закон Джоуля-Ленца - фізичний закон, що дає кількісну оцінку теплового дії електричного струму. Встановлено в 1841 році Джеймсом Джоулем і незалежно від нього в1842 Емілем Ленцов [1].

У словесній формулюванні звучить таким чином

Потужність тепла, що виділяється в одиниці обсягу середовища при протіканні електричного струму, пропорційна добутку щільності електричного струму на величину електричного поля

Математично може бути виражений в такій формі:

де w - Потужність виділення тепла в одиниці об'єму, - Щільність електричного струму, - напруженість електричного поля, σ - провідність середовища.

Закон також може бути сформульований в інтегральній формі для випадку протікання струмів в тонких проводах [3] :

Кількість теплоти, що виділяється в одиницю часу в даній ділянці ланцюга, пропорційно добутку квадрата сили струму на цій ділянці і опору ділянки

У математичній формі цей закон має вигляд

де dQ - кількість теплоти, що виділяється за проміжок часу dt, I - сила струму, R - опір, Q - повна кількість теплоти, виділене за проміжок часу від t 1 до t 2. У випадку постійних сили струму і опору:

1.1. Зниження втрат енергії

При передачі електроенергії теплова дія струму є небажаним, оскільки веде до втрат енергії. Оскільки передана потужність лінійно залежить як від напруги, так і від сили струму, а потужність нагріву залежить від сили струму квадратично, то вигідно підвищувати напругу перед передачею електроенергії, знижуючи в результаті силу струму. Однак, підвищення напруги знижує електробезпека ліній електропередачі.

Для застосування високої напруги в ланцюзі для збереження колишньої потужності на корисному навантаженні доводиться збільшувати опір навантаження. Підвідні проводи й навантаження з'єднані послідовно. Опір проводів ( ) Можна вважати постійним. А от опір навантаження ( ) Росте при виборі більш високої напруги в мережі. Також зростає співвідношення опору навантаження і опору проводів. При послідовному включенні опорів (провід - навантаження - провід) розподіл виділеної потужності ( ) Пропорційно опору підключених опорів.

Струм в мережі для всіх опорів постійний. Отже, виконуються співвідношення

і в кожному конкретному випадку є константами. Отже, потужність, що виділяється на проводах, обернено пропорційна опору навантаження, тобто зменшується із зростанням напруги, так як . Звідки випливає, що . В кожному конкретному випадку величина є константою, отже, тепло виділяється на дроті назад пропорційно квадрату напруги на споживачеві.

1.2. Вибір проводів для ланцюгів

Тепло, що виділяється провідником зі струмом, в тій чи іншій мірі виділяється в навколишнє середовище. У випадку, якщо сила струму в обраному провіднику перевищить деяке гранично допустиме значення, можливий настільки сильне нагрівання, що провідник може спровокувати спалах знаходяться поряд з ним об'єктів або розплавитися сам. Як правило, при складанні електричних ланцюгів досить слідувати прийнятим нормативним документам, які регламентують, зокрема, вибір перерізу провідників.

1.3. Електронагрівальні прилади

Якщо сила струму одна і та ж на всьому протязі електричного кола, то в будь-якому вибраному ділянці буде виділяти тепла тим більше, чим вище опір даної ділянки.

За рахунок свідомого збільшення опору ділянки кола можна домогтися локалізованого виділення тепла в цій ділянці. За цим принципом працюють електронагрівальні прилади. У них використовується нагрівальний елемент - провідник з високим опором. Підвищення опору досягається (спільно або окремо) вибором сплаву з високим питомим опором (наприклад, ніхром, константан), збільшенням довжини провідника і зменшенням його поперечного перерізу. Підвідні дроти мають звичайне низький опір і тому їх нагрівання, як правило, непомітний.

1.4. Плавкі запобіжники

Для захисту електричних ланцюгів від протікання надмірно великих струмів використовується відрізок провідника зі спеціальними характеристиками. Це провідник щодо малого перетину і з такого сплаву, що при допустимих токах нагрівання провідника не перегріває його, а при надмірно великих перегрів провідника настільки значний, що провідник розплавляється і розмикає ланцюг.