Соединение проводников. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля — Ленца

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:

I_общ = I₁ = I₂ = ... = I_n = const.

2. Полное напряжение на концах всей цепи равно сумме падений напряжений на отдельных резисторах:

U_общ = U₁ + U₂ + ... + U_n.

3. Общее эквивалентное сопротивление равно сумме сопротивлений проводников:

R_общ = R₁ + R₂ + ... + R_n.

(Для n одинаковых проводников сопротивлением R: R_общ = 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:

U_общ = U₁ = U₂ = ... = U_n = const.

2. Общая сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме токов во всех параллельных ветвях (первое правило Кирхгофа):

I_общ = I₁ + I₂ + ... + I_n.

3. Величина, обратная общему сопротивлению (проводимость), равна сумме обратных сопротивлений ветвей:

1 / R_общ = 1 / R₁ + 1 / R₂ + ... + 1 / R_n.

Для двух параллельных резисторов: R_общ = (R₁ · R₂) / (R₁ + R₂).

Для n одинаковых резисторов: R_общ = 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 I_общ = U_общ / R_экв и затем «разворачивают» схему обратно, определяя токи и падения напряжения на каждом отдельном элементе.

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.