Основные формулы для решения задач с цепями: как работают электрические цепи

Содержание

1. Колледж «Комитент»
2. Южно-Уральский многопрофильный колледж
3. Уральский медицинский колледж
4. Челябинский профессиональный колледж
5. Челябинский юридический колледж
6. Челябинский колледж «Сфера»
7. Южно-Уральский государственный технический колледж

Для того, чтобы начать разбираться в решении задач, связанных с расчётом электрических цепей нужно сначала разобраться что они из себя представляют, из чего состоят и каковы основные принципы их работы.

Электрические цепи – это…

В физике электрическая цепь определяется как определенная замкнутая электрическая линия, которая состоит из различных элементов, основными из которых является источник электрического тока или источник питания, приемник и соединительные провода. Они служат для непосредственной передачи электрического тока от источника к потребителю. Обязательным условием для передачи электрического тока является то, что система в обязательном порядке должна быть замкнутой.

Элементы электрических цепей

В реальной жизни, как и в большинстве, помимо источника, приемника и проводников в цепи учувствуют дополнительные элементы, выполняющие различные функции. С помощью них легко можно изменить мощность, напряжение, сопротивление цепи, узнать точные параметры в определенной точке и проводить другие полезные манипуляции с электрическим током. Для того, что получить полное представление о возможных вариациях электрических цепей рассмотрим подробнее, из каких элементов они могут состоять.

• Приемник – специальное устройство, которое выполняет функцию преобразования электрической энергии в другой вид. Например, в световую (лампочка), тепловую (нагревательные элементы), механическую (вращающиеся или двигающиеся элементы, например, лопасти вентилятора);
• Резистор – элемент, предназначенный для преобразования электроэнергии в тепло. В задачах, основным параметром, определяющим работу резистора является его сопротивление, измеряется в Омах, и определяется по формуле:

Помимо этого, можно вычислить проводимость резистора, которая измеряется в См (сименсах), используя формулу:

  Чтобы вычислить мощность резистора можно применить следующую формулу:

• Конденсатор – устройство, которое используется для преобразования энергии, получаемой от электрической цепи, в энергию электрического поля, и для обратного преобразования. Основной параметр работы конденсатора – это его емкость, которая измеряется в Фарадах и высчитывается по формуле:

В ряде задач требуется вычислить напряжение на емкости, для этого используется формула:

• Катушка индуктивности – предназначена для того, чтобы энергия, вырабатываемая электрической цепью преобразовывалась в энергию магнитного поля. Основная величина, рассматриваемая при изучении катушки индуктивности – это потокосцепление, выражается из формулы:

Основные законы, применяемые для решения задач на расчет электрических цепей

Помимо формул для расчета параметров работы основных элементов электрических цепей, существует еще ряд законов, применяемых к ним.  

Прежде чем изучать основные законы стоит уделить внимание строению электрической цепи, чтобы знать основные элементы и их обозначение, а также термины, применяющиеся для обозначения участков. Так, электрической схемой называется перенос электрической цепи в графическом виде в форме изображения или схемы.

Ветвью называется определенная часть цепи, которая состоит из нескольких последовательных элементов, которые расположены между узлов.

Узел – Это определенная точка на участке цепи, в которой пересекаются от  3 и более ветвей. Как правило, узлы имеют нумерацию, которая чаще всего обозначается арабскими цифрами, а на графическом изображении узел обозначается точкой. Обратите внимание, если на графической схеме электрической цепи вы видите пересечение ветвей, которое не обозначено точкой, значит, ветви этого контура независимы друг от друга и фактически не имеют пересечения, то есть проводники могут располагаться в разных областях.

Контур – более объемное понятие, которое включает в себя несколько ветвей и узлов и замыкается на определенной линии. Контуры в одной цепи могут быть независимы друг от друга и они обозначаются  также римскими цифрами.

В целом, есть огромное множество формул и законов для выражения различных величин, отражающихся в электрических цепях, но мы рассмотри основные из них.

Закон Ома

Первый, и один из самых важных законов, знание которого требуется для решения абсолютного множества задач, связанных с электрическими цепями, это закон Ома. Для разных цепей его формула может немного отличаться. В частности, если нужно найти силу тока или напряжение на участке, в цепи , в которой отсутствует источник ЭДС, формула для закона Ома выглядит следующим образом:

В данном случае точками  а и в обозначаются соответственно начало и конец рассматриваемого участка. Словесное выражение данной формулы состоит в том, что при постоянном сопротивлении на участке, напряжение является прямо пропорциональным силе тока в нем.

Если рассматривается участок, в котором  есть источник с ЭДС, формула для него будет следующая:

Закон Джоуля - Ленца

Следующий закон, применяющийся для решения задач с электрическими цепями – это закон Джоуля-Ленца. Формула этого закона:

этот закон выражает Энергию, которая выделяется на участке с определенным сопротивлением. Данная энергия пропорциональна произведению силы тока и сопротивлению.

Закон Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа обозначается следующей формулой:

Данное выражение обозначает, что алгебраическая сумма токов, которые направлены на конкретный узел, равна нулю.

Второй закон Кирхгофа выражается в следующей формуле:

Данное выражение обозначает, что алгебраическая сумма в каждом независимом контуре равно сумме падений напряжений вдоль этого контура. При этом алгебраическая сумма всех напряжений по контуру приравнивается к нулю, что выражается формулой:

Режимы работы электрических цепей

Помимо основных элементов   и параметров работы электрической цепи, стоит уделить внимание тому, что у разных электрических цепей с различными элементами могут быть разные режимы работы. Тогда даже в одной и той же цепи, параметры на одном и том же участке при разных режимах работы существенно отличаются.

Первый, и основной режим работы электрической цепи – это номинальный режим. Этот режим предназначен для использования электрической цепи с номинальными параметрами. Следующий вариант работы – это согласованный режим. При   этом режиме запускается максимальная мощность, как на источнике тока, так и на преобразующем приемнике. Поэтому, все остальные параметры подстраиваются под максимальную мощность, то есть согласовываются с ней. Также, один из вариантов, который чаще всего используется при первичном запуске или проверке рабочих элементов – это режим холостого хода. Который, заключается в том, что при подаче нагрузки приемник или источник остается без подаваемой энергии, потому как она проходит мимо нее.

Последний вариант работы электрической цепи – это короткое замыкание. Это краткосрочный режим, который не используется на практике, а возникает лишь в экстренных ситуациях. При этом режиме соприкасаются несколько разноименных зарядов, либо при соединении пассивного элемента, например катушки или резистора, с проводником, по которому проходит электрический ток с большим напряжением.

Перед решением задач, стоит выяснить, при каком режиме работы определены исходные параметры.

Компания «РосДиплом» на протяжении 20 лет занимается студенческими работами и предлагает помощь студентам во всех областях и темах. Наши преимущества: огромный опыт работы, лучшие авторы, собранные со всех уголков России, гарантии успешной сдачи и оптимальной цены, а также индивидуальный подход к каждому клиенту.