Соединение проводников. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля — Ленца
Законы последовательного и параллельного соединений. Эквивалентное сопротивление. Работа тока: A = U · I · t. Мощность тока: P = U · I. Закон Джоуля — Ленца: Q = I² · R · t.
При последовательном соединении элементы цепи включаются друг за другом по цепочке без разветвления проводов.
Закономерности последовательного соединения:
1. Сила тока во всех проводниках одинакова, так как заряд не накапливается в узлах:
Iобщ = I₁ = I₂ = ... = In = const.
2. Полное напряжение на концах всей цепи равно сумме падений напряжений на отдельных резисторах:
Uобщ = U₁ + U₂ + ... + Un.
3. Общее эквивалентное сопротивление равно сумме сопротивлений проводников:
Rобщ = R₁ + R₂ + ... + Rn.
(Для n одинаковых проводников сопротивлением R: Rобщ = n · R).
4. Напряжения на проводниках прямо пропорциональны их сопротивлениям: U₁ / U₂ = R₁ / R₂.
Главный недостаток: при выходе из строя одного элемента (перегорание лампы в старой елочной гирлянде) размыкается вся цепь.
При параллельном соединении одни концы всех проводников соединяются в один общий узел цепи, а вторые концы — в другой общий узел.
Закономерности параллельного соединения:
1. Электрическое напряжение на всех параллельных ветвях строго одинаково:
Uобщ = U₁ = U₂ = ... = Un = const.
2. Общая сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме токов во всех параллельных ветвях (первое правило Кирхгофа):
Iобщ = I₁ + I₂ + ... + In.
3. Величина, обратная общему сопротивлению (проводимость), равна сумме обратных сопротивлений ветвей:
1 / Rобщ = 1 / R₁ + 1 / R₂ + ... + 1 / Rn.
Для двух параллельных резисторов: Rобщ = (R₁ · R₂) / (R₁ + R₂).
Для n одинаковых резисторов: Rобщ = R / n.
4. Токи в ветвях обратно пропорциональны их сопротивлениям: I₁ / I₂ = R₂ / R₁.
В бытовой электросети (220 В) все розетки, люстры и бытовые приборы в квартирах соединяются строго параллельно: включение или выключение одного прибора не влияет на работу остальных!
В реальной электротехнике схемы состоят из комбинации последовательных и параллельных участков — смешанного соединения.
Метод расчета эквивалентного сопротивления:
1. Выделяют в сложной схеме простейшие участки, соединенные чисто параллельно или чисто последовательно;
2. Заменяют каждый такой участок одним эквивалентным резистором по соответствующей формуле;
3. Пошагово упрощают («сворачивают») схему до одного результирующего сопротивления;
4. Находят общий ток источника Iобщ = Uобщ / Rэкв и затем «разворачивают» схему обратно, определяя токи и падения напряжения на каждом отдельном элементе.
Найти параллельные блоки
Сложить последовательные блоки
Рассчитать токи и мощности
1. Работа электрического тока (A) равна произведению напряжения на перенесенный заряд, или произведению напряжения, силы тока и времени его прохождения:
С учетом закона Ома (U = I·R или I = U/R) формулу работы можно записать в трех эквивалентных формах:
2. Мощность электрического тока (P) — быстрота совершения работы в единицу времени:
В СИ мощность измеряется в Ваттах (Вт): 1 Вт = 1 В · 1 А. Внесистемная единица работы — киловатт-час (1 кВт·ч = 3.6 МДж).
Приборы: мощность измеряют ваттметром, потребленную работу (энергию) — бытовым счетчиком электроэнергии.
При протекании тока по неподвижному металлическому проводнику вся работа тока превращается во внутреннюю энергию (теплоту нагревания проводника).
Закон Джоуля — Ленца (сформулирован Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцем): количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока:
Применение теплового действия: электроплиты, утюги, бойлеры, лампы накаливания, электросварка.
Короткое замыкание (КЗ) — аварийное соединение концов участка цепи с источником проводником с ничтожно малым сопротивлением (R → 0). По закону Ома сила тока при КЗ возрастает в сотни раз (I = U/R → ∞), а тепловыделение (Q ~ I²) способно мгновенно расплавить изоляцию проводов и вызвать пожар!
Для защиты сетей применяют плавкие предохранители и автоматические выключатели, мгновенно размыкающие цепь при опасных перегрузках.
Q = I² · R · t
Защита от пожара
- 1. Последовательное соединение проводников: законы и формулы~5 мин
- 2. Параллельное соединение проводников: законы и формулы~5 мин
- 3. Смешанное соединение проводников и эквивалентные схемы~5 мин
- 4. Работа и мощность электрического тока. Электроизмерительные приборы~5 мин
- 5. Закон Джоуля — Ленца. Короткое замыкание и безопасность~5 мин
