Електричний струм

Електричний струм. Закон Ома. Паралельне та послідовне з'єднання провідників.

Мал. 1 Електричний струм в металевому провіднику

   Якщо  ізольований провідник помістити в електричне поле  Е. то на вільні носії заряду q в провіднику діятиме сила  F = qE. В результаті в провіднику виникне короткочасне переміщення вільних зарядів. Цей процес закінчиться тоді, коли власне електричне поле зарядів, яке зя’вляється на поверхні провідника, скомпенсує повністю зовнішнє поле. Результуюче електростатичне поле всередині провідника дорівнює нулеві.

Однак, в провідниках може при певних умовах виникнути неперервний впорядкований рух вільних носіїв електричного заряду. Такий рух називається електричним струмом. За напрям електричного струму прийняли напрям руху додатних вільних носіїв заряду. Щоб в провіднику протікав електричний струм, потрібно в ньому створити електричне поле.

Кількісною мірою електричного струму служить сила струму I – скалярна фізична величина, яка дорівнює заряду, який переноситься через поперечний переріз провідника (мал. 1) за одиницю часу:

I = Δq/Δt.

Застосуймо правила Кірхгофа

ЗАДАЧА.

Визначити опір кола (мал. 1). Опори окремих віток вказані на малюнку.

Розв'язок.

ККД електричної схеми

   Розглянемо схему, котра складається із джерела струму, з внутрішнім опором r, та ввімкненому послідовно опору навантаження R.

Відомо (стаття в блозі «Максимальна потужність у зовнішньому колі» від 26 квітня 2011р.), що потужність, котра виділяється, а оже і споживається , у зовнішній ділянці кола шукаємо за формулою:

Називатимемо цю потужність корисною. Потужність, яка виділяється на джерелі струму шукається за формулою:

Цю потужність називають втраченою, оскільки вона зумовлена лише конструкцією самого джерела і повпливати на неї ми не маємо змоги. Розглядають повну потужність джерела, котра дорівнює сумі корисної та втраченої потужностей:

    
Знайдемо коефіцієнт корисної дії (к.к.д.) нашої схеми. Згідно означення  к.к.д. називають відношення корисної роботи (повної потужності) до всієї затраченої роботи (повної потужності). З врахуванням вище згаданих формул:

З останнього співвідношення видно, що к.к.д.<1 (завжди); к.к.д.=0 коли І=0 (коло розімкнуте), або коли І=Е/r –випадок короткого замикання. В останньому випадку вся енергія виділяється у джерелі, що може призвести до небажаних наслідків.  Наостанок наводжу графік к.к.д. джерела від зміни величини опору навантаження.

    
Часто джерела Е.Р.С. знаходяться на значній відстані від споживача електроенергії. При значній довжині лінії передачі електричної енергії необхідно враховувати розхід потужності на нагрівання з’єднувальних провідників. В цьому випадку , потужність у зовнішньому колі P складається із потужності P(к), котра виділяється на споживачі і потужності P(л), втраченої на лінії передачі. К.К.Д. лінії передачі називається величина відношення потужності, спожитої опором навантаження , до всієї потужності , котру віддає джерело у зовнішнє коло: к.к.д. = P(к)/P,  де P = P(к) + P(л).

Можна показати, що доля втрат в лінії передач прямо пропорційна передаваній потужності, опору лінії передач і обернено пропорційна квадрату напруги на вході в лінію передач. Саме цим пояснюється, чому при передачі електроенергії на велику відстань використовують саме високу напругу.

Доцільно прочитати:

•   Олімпіадні задачі з електрики

та їх розв'язки.

•   Задача на астосування закону Ома.

•   Закон Ома для електролітів.

•   Задача із застосуванням правил Кірхгофа.