Основные законы электрических цепей постоянного тока.

Закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участках цепи. Закон Ома для участка цепи не содержащий Э.Д.С. формулируется так:

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению провода:

I = U / R.

Напряжение на пассивном участке цепи U и равное ему произведение IR часто называют еще падением напряжения.

Рассмотрим простейшую электрическую цепь, содержащую источник Э.Д.С.

Напряжение между выводами нагруженного источника меньше Э.Д.С. Разность между Э.Д.С. и напряжением U представляет собой энергию, которая преобразуется в тепло при перемещении единичного заряда в источнике питания и называется внутренним падением напряжения U₀; следовательно

 - U = U₀ ,  = U + U₀.

Отсюда получаем закон Ома для всей электрической цепи:

 = IR + Ir = I (R + r)  I =  / (R + r).

Закон Джоуля-Ленца. При прохождении тока в проводнике с сопротивлением R происходит столкновение электрически заряженных частиц с ионами вещества. При этом кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам, что и приводит к нагреванию. Скорость преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью:

P = UI,

имея в виду, что U = IR , получаем

P = I²R = U²/R.

Количество электрической энергии переходящей в тепловую за время t,

W = Pt = I²Rt,

и при этом выделяется количество теплоты:

Q = W = I²Rt.

Эта формула и выражает закон Джоуля - Ленца, который формулируется следующим образом:

Количество тепла, выделенное током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Законы Кирхгофа - являются основными законами, определяющими режим работы электрической цепи.

Первый закон Кирхгофа - применяется к узлам электрической цепи и формулируется так: Алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю, то есть

,

N - число ветвей. Токи, направленные от узла записываются со знаком плюс, а направленные к узлу со знаком минус.

Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрической цепи. Он формулируется следующим образом:

Во всяком замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма Э.Д.С. равна алгебраической сумме падений напряжений в отдельных сопротивлениях этого контура:

U_k - напряжение на k - ом сопротивлении, _k - k - я Э.Д.С. входящая в контур, M -

Режимы работы электрической цепи

Электрическая цепь в зависимости от значения сопротивления нагрузки R может работать в различных характерных режимах:

• номинальном;

• согласованном;

• холостого хода;

• короткого замыкания.

Номинальный режим - это расчетный режим, при котором элементы цепи (источники, приемники, линия электропередачи) работают в условиях, соответствующих проектным данным и параметрам.

Изоляция источника, линии электропередачи, приемников рассчитана на определенное напряжение, называемое номинальным. Превышение этого напряжения приводит к пробою изоляции, увеличению токов в цепи и другим аварийным последствиям.

Тепловой режим источников или приемников энергии рассчитан на выделение в них определенного количества тепла, то есть на определенную мощность, а последняя зависит от квадрата тока RI², rI².

Расчетный по тепловому режиму ток называется номинальным.

Номинальное значение мощности для источника электрической энергии - это наибольшая мощность, которую источник при нормальных условиях работы может отдать во внешнюю цепь без опасности пробоя изоляции и превышения допустимой температуры нагрева.

Для приемников электрической энергии типа двигателей - это мощность, которую могут развивать на валу при нормальных условиях работы. Для остальных приемников электрической энергии (нагревательные и осветительные приборы) - это их мощность при номинальном режиме. Номинальные значения напряжений, токов и мощностей указывают в паспортах изделий.

Согласованный режим работы - это режим, в котором работает электрическая цепь (источник и приемник), когда сопротивление нагрузки R равна внутреннему сопротивлению источника r. Этот режим характеризуется передачей от данного источника к приемнику максимально возможной мощности. Однако в согласованном режиме К.П.Д.  = 0,5 - низкий и для мощных цепей работа в согласованном режиме экономически невыгодна. Согласованный режим применяется, главным образом, в маломощных цепях, если К.П.Д. не имеет существенного значения, а требуется получить в приемнике возможно большую мощность.

Режим холостого хода и короткого замыкания. Эти режимы являются предельными режимами работы электрической цепи.

В режиме холостого хода внешняя цепь разомкнута и ток равен нулю. Так как ток равен нулю. то падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника так же равно нулю (rI = 0) и напряжение на выводах источника равно Э.Д.С. ( = U). Из этих соотношений вытекает метод измерения Э.Д.С. источника: при разомкнутой внешней цепи вольтметром, сопротивление которого можно считать бесконечно большим, измеряют напряжение на его выводах.

В режиме короткого замыкания выводы источника соединены между собой, например, сопротивление нагрузки замкнуто проводником с нулевым сопротивлением. Напряжение на приемнике при этом равно нулю. Сопротивление всей цепи равно внутреннему сопротивлению источника, и ток короткого замыкания в цепи равен:

I_к.з. =  / r.

Он достигает максимально возможного значения для данного источника и может вызывать перегрев источника и даже его повреждение. Для защиты источников электрической энергии и питающих цепей от токов короткого замыкания в маломощных цепях устанавливают плавкие предохранители, в более мощных цепях - отключающие автоматические выключатели, а высоковольтных цепях - специальные высоковольтные выключатели.