Sibprompost.ru

Стройка и ремонт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловое действие тока последовательно параллельно

32. Последовательное и параллельное соединение проводников.

Соединения проводников

Последовательное соединение проводников

При последовательном соединении проводников сила тока во всех проводниках одинакова. Участок цепи не имеет разветвлений.

Параллельное соединение проводников

При параллельном соединении напряжения U1 и U2 на обоих проводниках одинаковы:

Сила тока I = I1+I2+…

33. Работа и мощность тока. Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.

Работа и мощность электрического тока

При перемещении заряда Δqна участке электрической цепи с напряжениемUэлектрический ток совершает работу, которую можно рассчитать по формуле:

С учетом закона Ома для участка цепи работу можно рассчитать также по одной из формул

Эта работа равна изменению энергии рассматриваемого участка цепи.

Если на участке цепи не совершается механическая работа и ток не производит химического действия, работа тока полностью превращается в тепло.

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, равно работе электрического тока.

Закон Джоуля-Ленца

Количество теплоты, выделенное в проводнике с током, равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника и на время прохождения тока:

Мощность электрического тока работа электрического то­ка, совершенная за единицу времени:

P = UI = I 2 R = U 2 /R

34. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная

электропроводимости. Зависимость электропроводимости от температуры

Полупроводники

К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники.Самым распространенным в природе полупроводником являетсякремний, составляющий около 30 % земной коры.

Главное отличие полупроводников от металловпроявляется в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением

температуры сопротивление металлов падает, а у полупроводников – возрастает, и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами.

Рассмотрим качественно механизм возникновения электрического тока в полупроводнике на примере кремния (Si).

Атомы кремния имеют четыре валентных электрона на внешней оболочке. В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле кремния являетсяковалентной. Парноэлектронные связи сильны и при низких температурах не разрываются, поэтому при низких температурах кремний не проводит электрический ток, то есть ведет себя как диэлектрик.

При повышении температуры некоторая часть ковалентных связей разрывается. В кристалле возникают свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты

электронами. Эти вакансии получили название «дырок».Дырки ведут себя как свободные частицы с массой, равной массе электрона, и зарядом +e.

У чистых (т. е. без примесей) полупроводников в создание электрического тока вносит вклад в равной мере электроны проводимости и дырки.Такая проводимость называетсясобственной электрической проводимостью полупроводников.

С увеличением температуры концентрация свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому удельное сопротивлениеуменьшается.При высоких температурахполупроводники по свойствам близки к металлам.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью. Различают два типа примесной проводимости электронную и дырочную проводимости.

Электронная проводимостьвозникает,когда в кристалл кремния с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As). В таком кристалле есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником n-типа. Примесь атомов, способных отдавать электроны, называется донорной примесью.

Читайте так же:
В каких проводниках проявляется тепловое действие тока

Дырочная проводимостьвозникает,когда в кристалл кремния введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторнойпримеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки).

Основными носителями свободного заряда являютсядырки. Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью. Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником p-типа.

Применение полупроводников в технике-

полупроводниковый диод – устройство, обладающее односторонней проводимостью.

Тепловое действие тока последовательно параллельно

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Такими заряженными частицами в проводниках – веществах, проводящих электрический ток, – являются электроны, а в жидкостях и газах – еще и заряженные ионы – атомы, лишенные одного или нескольких электронов (либо наоборот, имеющие лишние электроны). Чтобы создать электрический ток в проводнике, необходимо создать электрическое поле, которое поддерживается источниками электрического тока.

Чертежи, на которых изображены способы соединения электрических приборов в цепь, называют электрическими схемами .

Сила тока равна отношению электрического заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения:

Сила тока в СИ измеряется в амперах (А), а электрический заряд – в кулонах (Кл). Сила тока измеряется амперметром .

Напряжением называется работа электрического тока по перемещению единичного электрического заряда:

Единицей напряжения является вольт (В). Напряжение на участке цепи измеряется вольтметром.

Чем больше напряжение, тем сильнее действие электрического поля на частицы и тем больше сила тока в цепи. Для широкого класса проводников (в т. ч. металлов) сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению ( закон Ома ):

Коэффициент пропорциональности называется электрическим сопротивлением и измеряется в омах (Ом). Причиной электрического сопротивления является наличие помех при движении зарядов по проводнику; в твердых проводниках электрическое сопротивление возникает вследствие передачи части энергии движущихся электронов ионам кристаллической решетки.

Электрическое сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения:

Коэффициент пропорциональности ρ – удельное сопротивление – зависит только от вида проводника.

Общее сопротивление последовательно соединенных проводников и равно сумме их сопротивлений:

Сила тока при последовательном соединении одинакова во всех проводниках, а напряжение равно сумме напряжений на отдельных участках цепи:

Напряжение на концах параллельно соединенных проводников одно и то же: а сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в отдельных параллельно соединенных проводниках:

Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа. Работа электрического тока измеряется в джоулях.

Мощность электрического тока участка цепи равна произведению напряжения на силу тока:

Последовательное и параллельное соединение потребителей.

Последовательным соединением приемников электрического тока, или, иными словами, потребителей электрического тока называется такое соединение, при котором концевая клемма первого потребителя соединяется с начальной клеммой второго потребителя и так далее.

Параллельным соединением потребителей называется такое соединение, при котором к одному полюсу источника напряжения подключены все входные клеммы потребителей, а ко второму полюсу – все выходные клеммы.

Последовательное соединение Параллельное соединение
При последовательном соединении потребителей конец первого потребителя соединяются с началом второго и т. д. 1. При этом сила тока I во всех потребителях одинакова. I общ. = I1 = I2 = … 2. Напряжение всей цепи равно сумме напряжений на отдельных участках. Uобщ. = U1 + U2 + … 3. Общее сопротивление последовательного соединения равно сумме сопротивлений его отдельных участков. Rобщ. = R1 + R2 + … Вывод: 1. Дополнительный проводник, последовательно включенный в цепь, уменьшает в ней силу тока, т. к при последовательном соединении проводников общее сопротивление цепи увеличивается, а сила тока уменьшается – это свойство используется для уменьшения силы тока в цепи. 2. Так как все элементы цепи взаимосвязаны, то они либо все одновременно работают, либо не работают. 3. Для включения цепи необходим только один выключатель. 4. При возникновении неисправности в цепи, необходимо поочередно проверить все элементы, что затрудняет её поиск. 5. Для защиты эл. цепи необходим только один аппарат защиты. Последовательное соединение используется для одновременной работы аппаратов.При параллельном соединении потребителей их начала, и концы имеют общую точку подключения к источнику тока. 1. При этом сила всей цепи равна сумме сил токов во всех параллельно включённых потребителей. I общ. = I1 + I2 + … 2. Напряжение на каждом из потребителей равно напряжению на всем соединении. Uобщ. = U1 = U2 = … 3. Величина, обратная общему сопротивлению параллельного соединения, равна сумме величин, обратных сопротивлениям его отдельных участков. Вывод: 1. Общее сопротивление цепи уменьшается, т. к. с увеличением площади поперечного сечения проводников сопротивление уменьшается и становится меньше наименьшего, составляющего цепи при этом общий ток увеличивается. 2. Цепи независимы друг от друга, и для их включения можно по желанию использовать как общий выключатель, так и индивидуальный выключатель на каждую цепь. 3. Каждая цепь может иметь свой аппарат защиты. 4. При возникновении неисправности в параллельно соединённых цепях, их легко можно выделить. Параллельные соединения используются для независимой работы аппаратов.
Читайте так же:
Теплового действия электрического тока картинки

Если в электрической схеме есть участки с последовательным и параллельным соединениями, то такое соединение принято считать «смешанным».

Тема № 2. Работа и мощность электрического тока. Свойства электрического тока.

Лекция 2 часа.

Работа электрического тока

При прохождении по цепи электрический ток совершает работу, при этом электрическая энергия источника тока превращается в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т.д.) Работа электрического тока математически выражается произведением напряжения, силы тока и времени действия.

Работа Аэлектрического тока на участке цепи с электрическим сопротивлением R за время ∆t равна:

А = I–U– t = I 2 –R– t

Работа измеряется в ватт – секундах, ватт – часах или в киловатт – часах. За единицу работы принят джоуль, или ватт-секунда, т.е. работа, совершаемая током в 1 ампер при напряжении 1 вольт за 1 секунду.

Мощностью называется работа, совершаемая током в единицу времени.

Мощность электрического тока математически выражается отношением работы тока А ко времени ∆t. за которое эта работа совершена:

где,

P –мощность тока, Вт
I–сила тока, А
U –электрическое напряжение, В

Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается хотя бы одним из особых явлений – действий тока.Известно три действия тока: химическое, магнитное и тепловое.

Тепловое действие тока.

Если на участке цепи под действием электрического тока не совершается механическая работа, и не происходят химические превращения, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна количеству тепла, выделяемого для нагревания проводника при протекании по нему электрического тока. Количество выделяемого тепла определяется по закону Джоуля – Ленца:

Q = А = 0,24 I 2 R t (калорий).

Переводной коэффициент «0,24» — это количество тепла, выделяемого в проводнике, имеющем сопротивление 1 ом при прохождении через него тока силой в 1 ампер в течение 1 секунды.

Читайте так же:
Тепловые источники тока определение

Одна малая калория (или просто калория) -количество тепла, которое необходимо для нагрева воды массой в 1 грамм на 1 градус Цельсия. Одна большая калория или килокалория равна 1000 калорий.

Режим короткого замыкания.

Режим короткого замыкания – явление, когда в цепи резко падает общее сопротивление (т.к. образуется параллельная цепь). По закону Ома в цепи возникает большой ток, который вызывает нагрев проводников. А если учесть, что по закону Джоуля – Ленца количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока, нагрев может привести к возгоранию.

Плавкие предохранители.

На вагоне применяются предохранители для защиты высоковольтных и низковольтных цепей.

Высоковольтные предохранители – неразборные, их «заправляют» на специальном участке, подбирая провода определенного сечения. На корпусе делается маркировка величины тока, на которую рассчитан данный предохранитель.

Предохранители низковольтной цепи – разборные, в них применяются специальные плавкие вставки. Запасные предохранители всегда должны быть в вагонной сумке. Выезжать из парка без запасных предохранителей недопустимо.

Химическое действие тока.

Растворы солей, кислот и щелочей в воде называются ЭЛЕКТРОЛИТАМИ. Электролиты проводят электрический ток. Это объясняется тем, что молекулы вещества в растворе делятся на ИОНЫ, т.е. частицы, несущие заряды. Ионы водорода и металлов несут положительный заряд и под воздействием напряжения между электродами движутся по направлению к КАТОДУ (отрицательному электроду). Здесь, забирая у катода электроны, они нейтрализуются и оседают на нем. Ионы остальных веществ заряжаются отрицательно и под воздействием напряжения движутся в АНОДУ (положительному электроду). Здесь, отдавая ему электроны, они нейтрализуются и оседают на нем. Следовательно, электрический ток в электролитах представляет собой движение ионов. Химическое действие тока широко используется в технике. При электролизе производится покрытие металлических предметов слоем другого металла (гальваностегия), очистка меди, получение чистого алюминия и т.д. На химическом действии тока основана работа аккумулятора.

Аккумулятором называется прибор, способный в результате химических процессов накапливать электрическую энергию и хранить ее в течение определенного времени. В зависимости от используемого электролита аккумуляторы бывают кислотные и щелочные. В качестве электролита в щелочном аккумуляторе используется 20% — ный водный раствор химически чистого едкого натра. Пластины в щелочных аккумуляторах представляют собой железные решетки с различной активной массой. В положительных пластинах в качестве активной массы используется соединение водной окиси никеля, графита и электролитического никеля, а в отрицательных – губчатое железо с гидроокисью кадмия.

В отличие от кислотных, щелочные аккумуляторы не требуют тщательного ухода, они не боятся сотрясений, могут долго оставаться в разряженном состоянии, без повреждений выносят короткие замыкания, которые для кислотных аккумуляторов очень опасны.

Недостатки щелочных аккумуляторов: меньшее рабочее напряжение, меньший КПД (порядка 60%),большое внутреннее сопротивление.

Как одна из технических характеристик аккумулятора, существует такое понятие, как ЕМКОСТЬ АККУМУЛЯТОРА. Это количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде его определенным током до минимально допустимого напряжения. Емкость батареи измеряется в ампер – часах.

На трамвайном вагоне «ЛМ-68М» применяется никель – кадмиевая щелочная аккумуляторная батарея «НК-125». Батарея состоит из 20 элементов, соединенных последовательно. Общее напряжение – 24 вольта. Емкость батареи – 125 ампер – часов.

Читайте так же:
Тепловозы с электрической передачей постоянно постоянного тока

Тепловое действие тока последовательно параллельно

Зависимость выделяемого в проводнике количества теплоты от силы тока, сопротивления и времени вначале уясняют при решении качественных задач.

284. Два проводника сопротивлением 20 и 40 ом соединили последовательно. В каком из проводников и во сколько раз выделится большее количество теплоты при прохождении тока?

Решение. При последовательном соединении сила тока в проводниках одинакова. Так как количество теплоты пропорционально сопротивлению проводника, то в проводнике сопротивлением 40 ом выделится вдвое больше количества теплоты, чем в проводнике сопротивлением 20 ом.

285. Проводники сопротивлением 20 и 40 ом соединили параллельно. В каком из них выделится большее количество теплоты и во сколько раз?

Решение. При параллельном соединении проводники находятся под одинаковым напряжением Сделать вывод из зависимости трудно. Формулу надо преобразовать. Используем закон Ома для участка цепи тогда формула для примет вид

Следовательно, чем больше сопротивление проводника, тем меньшее количество теплоты в нем выделится. В проводнике сопротивлением 40 ом выделится в два раза меньшее количество теплоты, чем в проводнике сопротивлением 20 ом.

Ниже приводим качественную задачу повышенной трудности, самостоятельное решение которой будет посильно не всем учащимся. Все же полезно эту задачу разобрать в классе.

286. Имеются две плитки мощностью 600 и 400 вт на напряжение 220 в. В какой плитке и во сколько раз выделится больше тепла, если их включить в сеть параллельно? последовательно?

Решение. При параллельном соединении плиток напряжение на них одинаково и равно 220 в. Мощности плиток будут такими, как указано в условии задачи: Количество теплоты пропорционально мощности. Можно записать, что Отсюда так как время работы плиток одинаково. Следовательно, или В первой плитке в 1,5 раза выделится большее количество теплоты, чем во второй плитке.

При последовательном соединении плиток напряжение на них разное, но одинакова сила тока. Мощность плиток теперь не будет равна расчетной, и нельзя использовать значения для анализа происходящего. По этим расчетным мощностям и и напряжению можно определить сопротивления плиток

Известно, что тогда

Количество теплоты, выделяющееся в проводниках, выражается по формуле Следовательно, при одном и том же токе количество теплоты пропорционально сопротивлению Больше выделится теплоты в плитке большего сопротивления, т. е. в плитке меньшей мощности. Легко показать, что

Следовательно, при параллельном соединении больше потребляет энергии плитка, рассчитанная на большую мощность, а при последовательном соединении, наоборот, — плитка меньшей мощности.

Вычислительные задачи по тепловому действию тока вначале решают прямые на вычисление количества теплоты по формуле а потом определяют другие величины

287. Какое количество теплоты выделится в течение часа в проводнике сопротивлением 10 ом при токе 2 а?

Решение. Количество теплоты вычисляют в джоулях по формуле Вычисления приводят к следующим результатам:

288. Определите сопротивление проводника, если при токе 2 а за 5 мин в нем выделилось энергии.

Решение. отсюда ом.

В заключение раздела решают комбинированные задачи, в которых учитывают количество теплоты, идущее на нагревание тел.

289. На сколько градусов нагрелись бы воды, если на их нагревание было израсходовано все количество теплоты,

Читайте так же:
Как подсоединить провода теплого пола

выделяющееся при протекании тока силой 5 а по проводнику сопротивлением 10 ом в течение 2 мин?

Решение. Электрический ток выделит количество теплоты Это количество теплоты идет на нагревание воды: Отсюда

Учтем, что для воды , а масса воды Тогда

290. В электрическом чайнике при напряжении 220 в и силе тока 6 а за 15 мин нагрелось воды от 20 до Какова тепловая отдача электрочайника?

Решение. Тепловой отдачей нагревателя называют отношение количества теплоты, пошедшего на нагревание воды, к величине работы тока.

Количество теплоты, необходимое для нагревания воды, , а работа тока Тепловая отдача

Вычисления дают или 63%.

Вычисления можно вести также по этапам: сначала вычислить потом а в заключение

Тест по физике Тепловое действие электрического тока для 11 класса

Тест по физике Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца для 11 класса с ответами. Тест включает в себя 2 варианта. В каждом варианте по 5 заданий.

1 вариант

1. Найдите работу, совершенную силами электрического поля при прохождении зарядом 6 мкКл разности потен­циалов 220 В.

А. 1,32 мДж
Б. 2,64 мДж
В. 0,66 мДж

2. Определите количество теплоты, выделяемое в провод­нике за 2 минуты. Сопротивление проводника равно 10 Ом при силе тока 5 А.

А. 30 кДж
Б. 60 кДж
В. 40 кДж

3. Два резистора, имеющие сопротивления R1 = 3 Ом и R2 = 6 Ом, включены параллельно в цепь постоянного то­ка. Чему равно отношение мощностей электрического то­ка в этих резисторах?

А. 1 : 1
Б. 1 : 2
В. 2 : 1

4. Три резистора, имеющие сопротивления R1 = 3 Ом, R2 = 6 Ом и R3 = 9 Ом, включены последовательно в цепь постоянного тока. Каково отношение количества теплоты, выделяющегося на этих резисторах за одинаковое время?

А. 1 : 1 : 1
Б. 1 : 2 : 3
В. 3 : 2 : 1

5. Две лампочки, имеющие номинальные мощности Р1 = 50 Вт и Р2 = 100 Вт, включены последовательно в цепь с напряжением U = 220 В. На какой из лампочек бу­дет выделяться большее количество теплоты?

А. На первой
Б. На второй
В. Выделится одинаковое количество теплоты

2 вариант

1. Какова работа, совершенная силами электрического поля при прохождении зарядом 4 мкКл разности потен­циалов 120 В?

А. 0,96 мДж
Б. 0,48 мДж
В. 0,24 мДж

2. Какое количество теплоты выделяется за 3 мин в про­воднике, имеющем сопротивление 20 Ом, при прохожде­нии по нему тока силой 2 А?

А. 14,4 кДж
Б. 28,8 кДж
В. 20 кДж

3. Два резистора, имеющие сопротивления R1 = 3 Ом и R2 = 6 Ом, включены параллельно в цепь постоянного то­ка. Чему равно отношение количества теплоты, выделившегося на этих резисторах за одинаковое время?

А. 1 : 1
Б. 1 : 2
В. 2 : 1

4. Три резистора, имеющие сопротивления R1 = 3 Ом, R2 = 6 Ом и R3 = 9 Ом, включены последовательно в цепь постоянного тока. Каково отношение мощностей элект­рического тока на этих резисторах?

А. 1 : 1 : 1
Б. 1 : 2 : 3
В. 3 : 2 : 1

5. Две лампочки, имеющие номинальные мощности Р1 = 100 Вт и Р2 = 25 Вт, включены последовательно в цепь с напряжением U = 220 В. На какой из лампочек бу­дет выделяться большее количество теплоты?

А. На первой
Б. На второй
В. Выделится одинаковое количество теплоты

Ответы на тест по физике Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца для 11 класса
1 вариант
1-А
2-А
3-В
4-Б
5-А
2 вариант
1-Б
2-А
3-В
4-Б
5-Б

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector