Расчет разветвленной электрической цепи постоянного тока

Министерство науки и образования Республики Казахстан

Технико-экономическая академия кино и телевидения

                                                   Кафедра инженерных дисциплин

КУРСОВАЯ РАБОТА

по предмету «Теория электрических цепей»

              на тему «Расчет разветвленной электрической цепи

постоянного тока»

         Специальность:            380440 “Программное и аппаратное обеспеспечение вычисли-

                                              тельной техники и сетей”

         Студент:                                                                              Бучинский Ю.А.      

          Группа:                                                 ПАОС-03-2у с

          Руководитель:                                                                   Шабанова А.Р.    

          Защищена с оценкой                                                          

Алматы

2003

Содержание.

Введение.                                                                                                                        3

1 Теоритическая часть.                                                                                                  4

   1.1. Электрический ток. Сила тока. Условия существования тока в цепи.           4

   1.2. Электродвижущая сила (ЭДС). Напряжение.                                                   6

   1.3. Закон Ома для участка цепи. Омическое сопротивление проводника.

          Удельное сопротивление.                                                                                    7

   1.4. Зависимость удельного сопротивления от температуры.                                8

          Сверхпроводимость.

   1.5. Последовательное и параллельное соединение проводников.                       10

   1.6. Закон Ома для полной цепи.                                                                              13

   1.7. Источники тока, их соединения.                                                                       15

   1.8. Измерение тока и разности потенциалов цепи.                                               18

   1.9. Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца.                  20

   1.10. Электрический ток в металлах.                                                                       22

   1.11. Электрический ток в электролитах. Закон электролиза (закон Фарадея). 23

2 Расчётная часть.                                                                                                         27

   2.1Задание на курсовую работу                                                                               27

   2.2.Составление уравнений по двум законам Кирхгофа.                                      28

   2.3.Определение всех токов и напряжений методом контурных токов.              29

   2.4.Метод узловых потенциалов.                                                                             31

   2.5.Энергетический баланс мощностей.                                                                  33

   2.6 Построение потенциальных диаграмм для двух замкнутых контуров.         34

Заключение.                                                                                                                  36

Список литературы.                                                                                                     37

Введение.

     В процессе выполнения курсовой работы мы попытаемся про анализировать схему разветвленной электрической цепи постоянного тока. В полном объёме изучим её работу. А также будем рассматривать, различные методы определения токов, напряжений и узловых потенциалов. Проверим на практике различные законы Ома, законы Кирхгофа, баланса мощностей. Наглядно графическим методом покажем зависимость напряжения от сопротивления путем построения потенциальных диаграмм, для замкнутых контуров.

1 Теоритическая часть.

   1.1. Электрический ток. Сила тока. Условия существования тока в цепи.

Электрическим током называется упорядоченное (направ­ленное) движение заряженных частиц.

Электрический ток возникает при упорядоченном движении свободных электронов, а металлах и полупроводниках или поло­жительных и отрицательных ионов в электролитах. В газах упорядоченно движутся ионы и электроны. За направление тока при­нимают то направление, в котором упорядоченно движутся положительно заряженные частицы. В металлах направление тока противоположно направлению движения свободных элек­тронов (отрицательно заряженных частиц).

О наличии электрического тока в проводнике можно судить по явлениям, сопровождающим ток, т.е. по его действиям:

1) тепловому — проводник с током нагревается. Например, работа электронагревательных приборов основана на этом действии тока. Но есть вещества, у которых данный эффект отсутству­ет — сверхпроводники;

2) химическому — изменение химического состава проводника и разделение его на составные части. Это действие наблюдается в электролитах и газах. Например, из раствора медного купо­роса можно выделить чистую медь. Само явление разложения вещества током называется электролизом;

3) магнитному — вокруг любого проводника с током существует магнитное поле, действующее с некоторой силой на соседние токи или намагниченные тела. Например, вблизи проводника с током магнитная стрелка ориентируется определенным образом.

Магнитное действие тока проявляется всюду, независимо от свойств проводника, и поэтому оно является основным действием электрического тока. Количественной характеристикой электри­ческого тока является сила тока I, которая определяется количеством электричества q, протекающего через поперечное сечение проводника за 1 с.

I=q/D t

Сила тока равна отношению заряда Dq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Dt, к этому интервалу времени. Электрический ток, сила и направление ко­торого не меняется с течением времени, называется постоянным током. В СИ заряды (количество электричества) измеряются в кулонах, а время в секундах, единицей силы тока является ампер (А).

Название единицы силы тока дано в честь французского фи­зика Андре Ампера (1775-1836). Единица тока определяется на основе магнитного взаимодействия токов.

Распределение тока по сечению проводника характеризуется вектором плотности тока i, модуль которого равен:

i=I/s

     Плотность тока определяет ток, приходящийся на единицу площади поперечного сечения проводника. Направление вектора плотности тока совпадает с направлением тока.

Сила тока может быть как положительной, так и отрицатель­ной. Если направление тока совпадает с положительным направ­лением вдоль проводника, то I > 0. Если ток направлен в противо­положную сторону, то I< 0.

Сила тока в металлическом проводнике зависит от заряда, переносимого каждой частицей, концентрации частиц, скорости их направленного движения и площади поперечного сечения про­водника:

I=q0*n* v*s

Рассмотрим участок проводни­ка длиной ДL и площадью попере­чного сечения S. Положительное направление в проводнике cсовпада­ет с направлением движения частиц и средней скоростью частиц v, за­ключенных в объеме, ограниченном сечениями 1 и 2.

В данном объеме

V=Dl*S

Содержится общее число частиц

      Рис.1

 N=n*v=n*Dl*S,

где п =N/V — концентрация частиц (число частиц в единице

объема). Общий заряд всех частиц:

q=q0*V=q0*n*Dl*S где q0 — заряд каждой частицы. За промежуток времени

Dt=Dl/v

все частицы данного объема пройдут через сечение 2. Сила тока в

проводнике:

I=q/Dt=q0*n*Dl*S/Dt=q0*n*Dl*S/Dl/v=q0*n*v*S

Можно выразить скорость упорядоченного движения элек­тронов в проводнике, учитывая, что заряд электрона e=q0:

V=|I|/e*n*S

Обычно эта скорость мала. Под скоростью электрического тока понимают скорость распространения вдоль проводника электрического поля, под действием которого электроны (или другие носители тока) приходят в упорядоченное движение.

Для возникновения и существования тока в веществе необходи­мо наличие свободных носителей заряда и электрического поля, действующего на заряды с некоторой силой, под действием которой заряженные частицы приходят в упорядоченное движение.

    1.2. Электродвижущая сила (ЭДС). Напряжение.

Постоянный электрический ток в цепи вызывается стацио­нарным электростатическим полем (кулоновским полем), кото­рое должно поддерживаться источником тока, создающим посто­янную разность потенциалов на концах внешней цепи. Поскольку ток в проводнике несет определенную энергию, выде­ляющуюся, например, в виде некоторого количества теплоты, необходимо непрерывное превращение какой-либо энергии в электрическую. Иначе говоря, помимо кулоновских сил стацио­нарного электростатического поля на заряды должны действо­вать еще какие-то силы, неэлектростатической природы — сто­ронние силы.

Любые силы, действующие на электрически заряженные час­тицы, за исключением сил электростатического происхождения (т.е. кулоновских), называют сторонними силами.

     Природа (или происхождение) сторонних сил может быть раз­личной: например, в гальванических элементах и аккумулято­рах — это химические силы, в генераторах — это сила Лоренца или силы со стороны вихревого электрического поля.

     Внутри источника тока за счет сторонних сил электрические заряды движутся в направлении, противоположном действию сил электростатического поля, т.е. кулоновских сил. Благодаря этому на концах внешней цепи поддерживается постоянная разность по­тенциалов. Во внешней цепи сторонние силы не действуют.

     Работа электрического тока в замкнутой электрической цепи совершается за счет энергии источника, т.е. за счет действия сто­ронних сил, т.к. электростатическое поле потенциально. Работа этого поля по перемещению заряженных частиц вдоль замкнутой электрической цепи равна нулю.

     Количественной характеристикой сторонних сил (источника тока) является электродвижущая сила (ЭДС).

Электродвижущей силой е называется физическая величина, численно равная отношению работыЛд^ сторонних сил по переме­щению заряда ^ вдоль цепи к значению этого заряда:

e=Aст/q

     Электродвижущая сила выражается в вольтах (1 В = 1 Дж/Кл). ЭДС — это удельная работа сторонних сил на данном участке, т.е. работа по перемещению единичного заряда. Напри­мер, ЭДС гальванического элемента равна 4,5В. Это означает, что сторонние силы (химические) совершают работу в 4,5 Дж при перемещении заряда в 1 Кл внутри элемента от одного полюса к другому.

Электродвижущая сила является скалярной величиной, ко­торая может быть как положительной, так и отрицательной. Знак ЭДС зависит от направления тока в цепи и выбора направления обхода цепи .

     Сторонние силы не потенциальны (их работа зависит от формы траектории), и поэтому работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов между двумя точка­ми. Работа электрического тока по перемещению заряда по про­воднику совершается кулоновскими и сторонними силами, поэто­му полная работа А равна:

A=Aкул+Aст

Физическая величина, численно равная отношению работы, совершаемой электрическим полем при перемещении положительного

 заряда из одной точки в другую, к значению заряда д, называется напряжением V между этими точками:

U=A/q или

U=Aкул/q+Aст/q

Учитывая, что

Aкул/q=ф1-ф2=-Dф

т.е. разности потенциалов между двумя точками стационарного электростатического поля, где ф1и ф2 — потенциалы начальной и конечной точки траектории заряда, а

Aст/q=e имеем:

U= (ф1- ф2)+e

В случае электростатического поля, когда на участке не при­ложена ЭДС (е = 0), напряжение между двумя точками равно разности потенциалов:

U=ф1- ф2

При разомкнутой электрической цепи (Г = 0) напряжение равно ЭДС источника:

U=е

Единица напряжения в СИ — вольт (В), В = Дж/Кл. Напря­жение измеряют вольтметром, который подключается парал­лельно тем участкам цепи, на которых измеряют напряжение.

     1.3. Закон Ома для участка цепи. Омическое сопротивление проводника.

            Удельное сопротивление.

Закон Ома устанавливает зависимость между силой тока в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) между двумя точками (сечениями) этого проводника. В 1826 г. немецким физиком Георгом Омом (1787-1854) экспериментально было об­наружено, что отношение разности потенциалов (напряжения) на концах металлического проводника к силе тока есть величина постоянная:

U/I=R=const

     Эта величина, зависящая от геометрических и электрических свойств проводника и от температуры, называется омическим (активным) сопротивлением, или просто сопротивлением.

Согласно закону Ома для участка цепи

     Сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) на концах участка цепи и обратно пропорци­ональна сопротивлению этого участка:

I=U/R,

где U — напряжение на данном участке цепи, R, — сопротивление данного участка цепи. Произведение силы тока на сопротивление называется иногда падением напряжения:

U=I*R

     Сопротивление проводника является его основной электри­ческой характеристикой, определяющей упорядоченное переме­щение носителей тока в этом проводнике (или на участке цепи).

Единица омического сопротивления в СИ — ом (Ом). Провод­ник имеет сопротивление 1 Ом, если при силе тока в нем 1 А разность потенциалов (напряжения) на его концах равна 1 В, т.е. 1 Ом - 1 В/1 А.

Сопротивление К зависит от свойств проводника и от его гео­метрических размеров:

R=p*l/S,

Где p — удельное сопротивление вещества, I — длина проводника, S — площадь поперечного сечения. Единицей удельного сопро­тивления в СИ является 1 Ом • м (или 1 Ом • м/м2).

     Удельное сопротивление вещества численно равно сопротивле­нию однородного цилиндрического проводника, изготовленного из данного материала и имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м , или численно равно сопротивлению проводника в форме куба с ребром 1 м, если направление тока совпадает с направ­лением нормали к двум противоположным граням куба.

     В зависимости от удельного сопротивления все вещества де­лятся на проводники (удельное сопротивление мало), диэлектри­ки (очень большое удельное сопротивление) и полупроводники с промежуточным значением удельного сопротивления.

     1.4. Зависимость удельного сопротивления от температуры.

           Сверхпроводимость.

С изменением температуры удельное сопротивление изме­няется:

р=p0*(1+at),

гдер 0 — удельное сопротивление проводника при 0°С, ( темпе­ратура по шкале Цельсия) — удельное сопротивление при тем­пературе ^, а —. температурный коэффициент сопротивления. Этот коэффициент характеризует зависимость сопротивления ве­щества от температуры.

Температурный коэффициент сопротивления равен относи­тельному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1°К. Его можно определить из условия:

R-R0/R=at,

если До — сопротивление проводника при 0°С, К — сопротивление проводника при температуре {.

Страницы: 1, 2, 3