Berezka7km.ru

Березка 7км
5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Часто задаваемые вопросы об удельной мощности: вернемся к основам

Часто задаваемые вопросы об удельной мощности: вернемся к основам

Часто задаваемые вопросы об удельной мощности: вернемся к основам

Чтобы создать надежный источник питания, необходимо понимать ключевые моменты и специфические факторы, определяющие его удельные характеристики.

Светодиодные драйверы MEAN WELL для систем внутреннего освещения

Является ли удельная мощность эквивалентом удельной энергоемкости?

Удельная мощность и удельная энергоемкость являются совершенно разными параметрами.

Удельная энергоемкость (Вт∙ч/кг) определяется как количество энергии, которую можно сохранить в одной базовой единице измерения массы (кг), площади (м 2 ) или объема (л), а удельная мощность (Вт/кг) показывает, какое количество энергии может пройти через такую же базовую единицу (массы, площади, объема) за единицу времени (с). Когда говорят, что система является энергоемкой, то подразумевают, что она может сохранить значительное количество энергии и при этом имеет небольшую массу, площадь или объем.

Например, удельная энергоемкость аккумулятора показывает количество энергии, которое можно сохранить в одной единице его массы, а удельная мощность – максимальную скорость потребления или отдачи энергии, которую при той же массе можно достичь в процессе заряда или разряда.

Аккумуляторы обычно имеют высокую удельную энергоемкость и низкую удельную мощность, а конденсаторы наоборот – чаще всего имеют высокую удельную мощность и низкую удельную энергоемкость. Из-за этого конденсаторы способны обеспечить очень большие, но кратковременные, разрядные токи, в то время как аккумуляторы больше подходят для приложений, длительно потребляющих небольшой ток.

Почему удельная мощность является ключевым параметром?

Удельная мощность является ключевым параметром источников питания, особенно для приложений с ограниченными размерами. Примером таких приложений являются центры обработки данных, в которых информационное оборудование заполняет все доступное пространство. Поскольку количество обрабатываемой информации постоянно увеличивается, что приводит к неизбежному увеличению энергопотребления, то для источников питания с низкой удельной мощностью, не способных пропустить через выделенный объем требуемое количество энергии, в подобных приложениях может просто не оказаться места.

Еще одной областью, где удельная мощность играет ключевую роль, является альтернативная энергетика, которая с каждым годом становится все более необходимой для жителей Земли. В этом случае удельная мощность показывает, какое количество энергии можно получить с одного квадратного метра в течение некоторого времени (Вт/м 2 ).

Как увеличить удельную мощность?

Чаще всего увеличение удельной мощности приводит к уменьшению размеров системы (см. Рисунок 1).

Рисунок 1.Комбинация контроллера и силовых транзисторов в одном силовом модуле позволяет
уменьшить размеры печатной платы до 60%.

Значительный вклад в увеличение удельной мощности питающих устройств вносит Ассоциация производителей блоков питания (Power Supply Manufacturers Association, PSMA), работающая над созданием объемных силовых модулей с размерами, позволяющими установить их на печатной плате. Эта группа производителей оказывает также помощь в разработке контроллеров электродвигателей с улучшенным температурным контролем, имеющих повышенные значения удельной мощности и плотности выходного тока.

PSMA занимается крупносерийным производством готовых встраиваемых модулей. Подобный подход, совместно с использованием высокоинтегрированных силовых компонентов, позволяет значительно увеличить КПД и уменьшить размеры источников питания. Однако при использовании встраиваемых узлов с высокой удельной мощностью необходимо учитывать и преодолевать «тепловой барьер», появляющийся из-за того, что тепло, образующееся внутри объемного модуля, сложнее отвести от силовых элементов, чем в случае обычной плоской компоновки.

Как образом технология GaN-на-SiC может увеличить удельную мощность?

Теплопроводность карбида кремния (SiC) в три раза больше, чем у кремния (Si), поэтому нитрид-галлиевые (GaN) полупроводниковые приборы на подложках из карбида кремния (GaN-на-SiC) способны работать при более высоких напряжениях и рассеивать большую мощность, по сравнению с нитрид-галлиевыми аналогами, созданными на подложках их чистого кремния (GaN-на-Si). Эта особенность является ключевой для телекоммуникационного оборудования и устройств с беспроводными интерфейсами, требующих эффективного отвода тепла.

Создать устройства с высокой удельной мощностью на основе кремниевых полупроводниковых приборов принципиально невозможно. Однако теперь разработчикам доступны компактные нитрид-галлиевые транзисторы с малым уровнем потерь, поэтому замена кремниевых приборов на нитрид-галлиевые позволяет одновременно и уменьшить количество выделяемого тепла, и, за счет хорошей теплопроводности карбида кремния, облегчить температурные режимы мощных компонентов.

Влияют ли геометрические размеры источника питания на величину его удельной мощности?

Прежде всего, необходимо обратить внимание на то, что увеличение КПД источника питания обычно всегда приводит к уменьшению его геометрических размеров, ведь удельная мощность, фактически, равна отношению выходной мощности устройства к объему «коробки», занимаемой его компонентами (длина × ширина × высота). При проектировании любого источника питания разработчики, в первую очередь, стараются уменьшить размеры пассивных силовых компонентов, принципиально необходимых для его работы: конденсаторов, дросселей и трансформаторов.

Читайте так же:
Чем обозначается количество теплоты выделяемое током

Использование приборов, изготовленных из полупроводников с широкой запрещенной зоной (Wide-Bandgap, WBG), в том числе и транзисторов, изготовленных по технологиям GaN-на-SiC, позволяет повысить рабочую частоту преобразования современных источников питания и, тем самым, уменьшить размеры пассивных компонентов. Однако увеличение частоты переключений приводит к увеличению динамических потерь, что, в свою очередь, приводит к увеличению температуры полупроводниковых приборов. На практике эти проблемы решаются как с помощью инновационных систем охлаждения, так и с помощью специализированных схем управления силовыми транзисторами.

Кроме того, члены PSMA разработали несколько оригинальных методов интеграции на основе объемной компоновки, использование которых позволяет сократить объем «коробки», занимаемой источником питания.

Объемный монтаж

Размеры печатной платы ограничены во многих приложениях, поэтому специалисты PSMA пошли по пути вертикального размещения элементов источников питания (3D-stacking). В этом случае контроллер, активные и пассивные компоненты, в том числе и индуктивные, располагаются друг над другом в виде сложной многослойной конструкции.

При использовании объемного монтажа силовые элементы устанавливаются на нескольких печатных платах, причем некоторые компоненты даже могут устанавливаться в плоскости платы в специальных отверстиях. Взаимное расположение печатных плат внутри литого корпуса также тщательно продумывается и оптимизируется. В конечном итоге, использование объемного монтажа позволяет увеличить удельную мощность готового модуля и значительно уменьшить общую длину соединений между компонентами.

Кроме того, в новых разработках активно используются и другие передовые технологии, в числе которых и методы, позволяющие уменьшить размеры печатных плат до такой степени, когда можно полностью отказаться от их применения, что также позволяет дополнительно увеличить объемную удельную мощность (Вт/см 3 ).

В каких системах требуется высокая удельная мощность?

Дроны

Тяговые системы большинства дронов создаются на основе электродвигателей, преимуществами которых являются высокий КПД, малые уровни шума и тепловыделения, а также высокая точность управления. Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют более высокую удельную мощность, а химическое топливо более высокую энергоемкость, отсутствие у ДВС перечисленных особенностей не позволяет их использовать в подобной технике.

Источником энергии для электродвигателей дронов могут служить топливные элементы и аккумуляторы. Если силовая установка дрона питается только от топливных элементов, то их маневренность может быть ограничена. Из-за этого топливные элементы обычно используются совместно с аккумуляторами, имеющими более высокую удельную мощность и меньшее время отклика. Такое решение позволяет повысить уровень максимальной мощности энергетической установки и обеспечить быстрый взлет и набор высоты.

Вместо аккумуляторов могут использоваться также и суперконденсаторы, обладающие еще более высокой удельной мощностью. Кроме того, суперконденсаторы имеют высокую скорость заряда/разряда и устойчивы к перезаряду, что позволяет значительно уменьшить колебания напряжения на питающей шине. Таким образом, суперконденсаторы могут дополнительно усилить гибридную энергетическую систему дрона, увеличив ее удельную мощность и уменьшив время отклика.

Центры обработки данных

Центры обработки данных испытывают растущую потребность в более высокой удельной мощности и повышении уровня резервирования.

Особенностью потребления энергии информационным оборудованием является резкое колебание уровня энергопотребления, что потребовало пересмотра подходов к построению систем электропитания, разработанных 40 лет назад, в том числе, и требований к величине удельной мощности. На сегодняшний день энергопотребление ИТ-стоек продолжает увеличиваться в геометрической прогрессии, поэтому чем выше удельная мощность конкретного оборудования, тем более качественно оно может удовлетворить потребности конечных пользователей.

Таким образом, использование ИТ-оборудования с традиционной удельной мощностью 40…80 Вт/фут 2 (430…861 Вт/м 2 ) в самом ближайшем будущем уже не сможет удовлетворить потребности клиентов.

Радиосвязь

Мощность радиоволны, создаваемой передатчиком, также можно выразить через удельную мощность, показывающую какое количество энергии проходит через единицу площади пространства (Вт/м 2 ). При использовании изотропных антенн радиоволны излучаются во всех направлениях, поэтому удельную мощность радиосигнала на расстоянии R от антенны можно определить как мощность передатчика, деленную на площадь поверхности сферы с данным радиусом (4πR 2 ).

Поскольку площадь поверхности сферы увеличивается пропорционально квадрату ее радиуса, то и удельная мощность радиоволны (Вт/м 2 ) будет уменьшаться пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником.

Заключение

Удельная мощность является важной характеристикой источника питания, и без четкого понимания и учета факторов, влияющих на ее величину, будет очень сложно создать надежное и эффективное оборудование. Конечно, на итоговую конструкцию того или иного устройства будут влиять и другие параметры, в первую очередь, функциональное назначение и температура окружающей среды. Однако понимание факторов, влияющих на удельную мощность, позволит создавать системы с высоким КПД и длительным сроком эксплуатации, характеристики которых будут оставаться на высоком уровне в течение многих лет.

Читайте так же:
Тепловой ток диода что это

Вывод законов Ома и Джоуля—Ленца в классической электронной теории

Важнейшей задачей классической электронной теории проводимости металлов является теоретический вывод основных законов электрического тока — законов Ома и Джоуля-Ленца, установленных опытным путем. Рассмотрим вывод этих законов.

1. Предположим, что при соударениях с узлами кристаллической решетки электроны полностью теряют скорость упорядоченного движения, которую они приобретают под действием внешнего электрического поля за время t свободного пробега. В процессе свободного пробега электроны движутся равноускоренно. Поэтому средняя скорость упорядоченного движения электронов равна:

где макс—среднее значение максимальной скорости, приобретаемой электроном под действием электрического поля за время свободного пробега.

Пусть т—масса электрона, е—его заряд и Е—напряженность стационарного электрического поля в проводнике. Тогда уравнение движения электрона имеет следующий вид

Интегрируя это уравнение по v от 0 до vмакс и по t от 0 до t(t — средняя продолжительность свободного пробега электрона), получаем:

(20.24)

. (20.25)

Среднее время свободного пробега электронов можно выразить через среднюю длину свободного пробега и среднюю скорость движения электронов относительно кристаллической решетки проводника. Эта скорость равна сумме средней скорости их теплового движения и средней скорости и упорядоченного движения. Поэтому

Выше было показано, что . Поэтому в предыдущей формуле величиной по сравнению с можно пренебречь

Подставим значение в формулу (20.25):

(20.25`)

Заменив в (20.24) его выражением из(20.25`), получим:

. (20.26)

называетсяудельной электропроводностью, а обратная ей величина удельным сопротивлением проводника.

Следовательно,

(20.27)

Формула (20.27) совпадает с (20.12) и выражаетзакон Ома в дифференциальной форме для плотности тока:

плотность тока в проводнике равна произведению удельной проводимости проводника на напряженность электрического поля.

Векторы Е и j имеют одинаковое направление. Поэтому закон Ома можно записать также в векторной форме (20.12).

2. Рассмотрим превращение энергии, происходящее при соударениях электронов проводимости с узлами кристаллической решетки. В конце свободного пробега каждый электрон теряет скорость упорядоченного движения. Средняя энергия, передаваемая при этом электроном тому иону, с которым он столкнулся, равна . За единицу времени электрон в среднем претерпевает столкновений с узлами решетки, причем

(20.28)

Все по электронов проводимости, находящихся в единице объема проводника, испытывают столкновений в единицу времени и передают узлам решетки металла энергию, которая идет на увеличение теплового движения ионов металла, т. е. на нагревание проводника

(20.29)

Подставив в (20.29) выражения для из (20.28) и из (20.24), получим величину энергии, которая передается ионам решетки в единице объема проводника за единицу времени:

(20.30)

Эта величина по своему физическому смыслу являетсяплотностью тепловой мощности тока,рассмотренная нами в уравнении (20.17).

Коэффициент есть не что иное, как удельная электропроводность

металла, поэтому (20.30) можно записать в следующем виде:

. (20.31)

Формула (20.31) представляет математическое выражениезакона Джоуля—Ленца для плотности тепловой мощности тока:

плотность тепловой мощности тока в проводнике равна произведению его удельной электропроводности на квадрат напряженности электрического поля,

и совпадает с ранее полученным выражением (20.19) дифференциальной формы закона.

В приведенных выше выводах законов Ома и Джоуля—Ленца мы предполагали, что при соударениях электронов с узлами кристаллической решетки электроны полностью теряют скорость упорядоченного движения. Г. Лоренц показал, что это предположение несущественно. К тем же результатам можно прийти, считая, что соударения электронов с узлами решетки являются абсолютно упругими.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Световые источники нагрева, использующие солнечную энергию или энергию искусственных источников света — ксеноновых или кварцевых ламп, — по своей физической сущности мало отличаются от лазерных, хотя некоторые их параметры, прежде всего малая удельная тепловая мощность , снижают эффективность указанных источников теплоты.  [31]

Скорость относительного вращения может изменяться в довольно широких пределах без существенного влияния на качество соединений; однако при этом значительно изменяется время сварки. Удельная тепловая мощность с увеличением числа оборотов падает ( фиг.  [32]

Лазерный нагрев в определенном отношении более универсален, чем электронно-лучевой: световой луч свободно проходит сквозь прозрачные преграды, не требуется электрического контакта с деталью, пайка возможна не только в вакууме, но и на воздухе или в защитной атмосфере. Высокая удельная тепловая мощность лазерного луча способствует испарению с поверхности припоя и основного металла оксидных пленок, что улучшает процесс пайки.  [34]

В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока .  [35]

Чугунные секционные котлы ( табл. 8.1) состоят из набора чугунных секций и в зависимости от тепловой мощности поставляются в виде готового блока или собираются на месте при монтаже котельной. Мощность котла зависит от количества секций в нем и поверхности нагрева каждой секции и определяется как произведение удельной тепловой мощности на суммарную поверхность нагрева.  [36]

Читайте так же:
Что такое тепловой ток p n перехода

Удельная тепловая мощность трения q при вращении труб большого диаметра из среднеуглеродистой стали сравнительно мало изменяется — от 85 до 150 кал см — сек. Удельная тепловая мощность при нагреве п рением стер кней из малоуглеродистой стали падает с увеличением окружной скорости ( фиг. Таким образом, величина коэффициента трения при сварке очень сильно зависит от относительной скорости, удельного давления и температуры. Приведенные выше значения / могут использоваться в расчетах только для условий, близких к экспериментальным.  [37]

Скорость относительного вращения может изменяться в довольно широких пределах без существенного влияния на качество соединений; однако при этом значительно изменяется время сварки. Так, при сварке стержней диаметром 20 мм из малоуглеродистой стали изменение скорости вращения с 400 до 800 об / мин снижает время сварки примерно на 25 %, а в диапазоне 860 — 3000 об / мин время сварки возрастает почти пропорционально числу оборотов ( фиг. Удельная тепловая мощность с увеличением числа оборотов падает ( фиг.  [38]

Промышленность выпускает трубчатые нагреватели нескольких типов. Они довольно просто монтируются на агрегатах и узлах. Проволочные нагреватели, как правило, применяют на небольших стендах и изготовляют на месте. С их помощью легко варьировать удельную тепловую мощность , меняя шаг навивки и количество нагревателей.  [39]

Измерения показали, что температура излучающей поверхности работающей горелки равна 1000 — 1100 С. Когда горелка выключена, но находится в окружении работающих горелок, температура на ее поверхности достигает 900 — 850 С, несмотря на охлаждение подсасываемым воздухом. Следовательно, в топках, где температура излучающей поверхности превышает 1000 С, сплошные стены из панельных горелок не требуются. Целесообразно расположить горелки изолированными рядами или в шахматном порядке, увеличив их удельную тепловую мощность . При этом существенно сократится число горелок, улучшатся условия их эксплуатации и ремонта, а также облегчатся условия работы самих горелок, так как с увеличением мощности обеспечивается более интенсивное их охлаждение.  [40]

Почему нап) яжение является обобщенным понятием разности потенциалов. В чем заключается явление сверхпроводимости. На чем основано действие термометров сопротивления. В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока .  [41]

Указанная задача усложняется с переходом на более мощные теплообменники больших диаметров, появляется необходимость двумерных тепло-гидравлических расчетов и исследования нестационарных режимов работы теплообменника. Увеличиваются трудности демонтажа и последующего ремонта по сравнению с аналогичными мероприятиями на АЭС Рапсодия и Феникс. В связи с этим ремонт теплообменника АЭС Супер-Феникс решено проводить на месте. Дефектные трубки могут быть обнаружены с помощью визуального наблюдения или акустическим методом. Глушение трубок с двух концов предполагается осуществлять с помощью пробок, развальцовываемых гидравлическим или магнитоимпульсным методом. Удельная тепловая мощность теплообменника АЭС Супер-Феникс по сравнению с аналогичной характеристикой теплообменника АЭС Феникс увеличена примерно в 1 5 раза за счет увеличения температурного напора между контурами и соответствующего увеличения расходов теплоносителей первого и второго контуров в пучке. Увеличение гидравлического сопротивления по тракту первого контура в межтрубном пространстве пучка было возможно из-за большего, чем в АЭС Феникс, заглубления колеса насоса в баке реактора.  [43]

При переоборудовании чугунных секционных котлов особое внимание уделяют равномерному распределению теплоты по топочному объему и равномерной тепловой нагрузке секций. Нарушение этих условий ведет к преждевременному выходу из строя наиболее нагруженных секций или вынужденному снижению производительности котла. При наиболее распространенной системе подачи циркуляционной воды в задние и отборе горячей воды из передних секций количество воды, проходящей через разные секции, различно. Возникающая разница температур воды в различных секциях вызывает в них значительные напряжения. Снижение при этом абсолютного давления воды на входе в котел ниже 2 5 — 3 кгс / см2 может привести к вскипанию ее и ускоренному отложению накипи. Утолщение слоя накипи вызывает повышение температуры стенок секций и изменение структуры их металла. Вскипание воды может вызывать гидравлические удары. Так как соли жесткости начинают выпадать уже при 40 — 50 С, а после 60 — 70 С идет их интенсивное отложение, то практически любая котельная с чугунными котлами, особенно работающая на технологические нужды, должна иметь химическую водоочистку. При отсутствии докотловой обработки воды производительность котла должна быть уменьшена. Так, например, Мосгазпроект рекомендует на газовом топливе принимать удельную тепловую мощность для котлов Универсал-6 и Энер-гия — 6, Мкал / ( м2 — ч): 12 — водогрейный режим с химводоочисткой, 11 — паровой с химводоочисткой и водогрейный без нее, 9 — паровой без химводоочистки.  [44]

Читайте так же:
Тепловые батареи источник тока

Закон Джоуля – Ленца. Определение, формула, физический смысл

Закон Джоуля Ленца портреты ученыхЗакон Джоуля – Ленца – закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Сформулирован этот закон был в 1841 году английским учёным Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 году известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он получил своё двойное название — закон Джоуля – Ленца.

Определение закона и формула

Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность тепла, выделяемого в проводнике при протекании сквозь него электрического тока, пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.

Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:

где ω — количество тепла, выделяемого в ед. объема;

E и j – напряжённость и плотность, соответственно, электрического полей;

Таблица явлений Закон Джоуля Ленца

σ — проводимость среды.

Физический смысл закона Джоуля – Ленца

Закон можно объяснить следующим образом: ток, протекая по проводнику, представляет собой перемещение электрического заряда под воздействием электрического поля. Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа расходуется на нагрев проводника.

Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.

Но чрезмерный нагрев проводников с током и электрооборудования допускать нельзя, поскольку это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при коротких замыканиях проводов, когда по проводниках могут протекать достаточно большие токи.

В интегральной форме для тонких проводников закон Джоуля – Ленца звучит следующим образом: количество теплоты, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока на сопротивление участка.

Математически эта формулировка выражается следующим образом:

при этом Q – количество выделившейся теплоты;

I – величина тока;

R — активное сопротивление проводников;

t – время воздействия.

Значение параметра k принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.

Закон Джоуля-Ленца имеет достаточно общий характер, поскольку не имеет зависимости от природы сил, генерирующих ток.

Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.

Область применения

Областей применения в быту закона Джоуля Ленца – огромное количество. К примеру, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электрообогревателе и мн. др. Это наиболее широко распространенный физический закон в повседневной жизни.

Правила Кирхгофа для разветвленных цепей

Обобщенный закон Ома (см. (100.3)) по­зволяет рассчитать практически любую сложную цепь. Однако непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров (контуры могут иметь общие участки, каждый из контуров может иметь несколько источни­ков э.д.с. и т. д.), довольно сложен. Эта задача решается более просто с помощью двух правил Кирхгофа.

Любая точка разветвления цепи, в ко­торой сходится не менее трех проводников с током, называется узлом.При этом ток, входящий в узел, считается положитель­ным, а ток, выходящий из узла,— отрица­тельным.

Первое правило Кирхгофа:алгебраи­ческая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:

Например, для рис. 148 первое правило Кирхгофа запишется так:

Первое правило Кирхгофа вытекает из закона сохранения электрического заряда. Действительно, в случае установившегося постоянного тока ни в одной точке про­водника и ни на одном его участке не должны накапливаться электрические за­ряды. В противном случае токи не могли бы оставаться постоянными.

Второе правило Кирхгофа получается из обобщенного закона Ома для разветвлен­ных цепей. Рассмотрим контур, состоящий

из трех участков (рис. 149). Направление обхода по часовой стрелке примем за по­ложительное, отметив, что выбор этого на­правления совершенно произволен. Все токи, совпадающие по направлению с на­правлением обхода контура, считаются по­ложительными, не совпадающие с на­правлением обхода — отрицательными. Источники э.д.с. считаются положительны­ми, если они создают ток, направленный в сторону обхода контура. Применяя к участкам закон Ома (100.3), можно записать:

Складывая почленно эти уравнения, по­лучим

Уравнение (101.1) выражает второе правило Кирхгофа:в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в развет­вленной электрической цепи, алгебраиче­ская сумма произведений сил токов Ii, на сопротивления Ri соответствующих участков этого контура равна алгебраиче­ской сумме э.д.с. ξ k, встречающихся в этом контуре:

При расчете сложных цепей постоян­ного тока с применением правил Кирхгофа необходимо:

1. Выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи; действитель­ное направление токов определяется при решении задачи: если искомый ток полу­чится положительным, то его направление было выбрано правильно, отрицатель­ным — его истинное направление противо­положно выбранному.

Читайте так же:
Тепловое действие тока примеры задач

2. Выбрать направление обхода кон­тура и строго его придерживаться; про­изведение IR положительно, если ток на данном участке совпадает с направлением обхода, и наоборот, э.д.с., действующие по выбранному направлению обхода, счита­ются положительными, против — отрица­тельными.

3. Составить столько уравнений, что­бы их число было равно числу искомых величин (в систему уравнений должны входить все сопротивления и э.д.с. рас­сматриваемой цепи); каждый рассматри­ваемый контур должен содержать хотя бы один элемент, не содержащийся в преды­дущих контурах, иначе получатся уравне­ния, являющиеся простой комбинацией уже составленных.

В качестве примера использования правил Кирхгофа рассмотрим схему (рис. 150) измери­тельного моста Уитстона.Сопротивления R1, R2, R3и R4 образуют его плечи. Между точками А и В моста включена батарея с э.д.с. ξ и со­противлением r, между точками С и D включен гальванометр с сопротивлением RG. Для узлов А, В и С, применяя первое правило Кирхгофа, получим

Для контуров АСВξА, ACDA и CBDC, соглас­но второму правилу Кирхгофа, можно запи­сать:

Если известны все сопротивления и э.д.с., то, решая полученные шесть уравнений, можно найти неизвестные токи. Изменяя известные сопротивления R2, R3и R4, можно добиться того, чтобы ток через гальванометр был равен нулю (IG=0). Тогда из (101.3) найдем

а из (101.4) получим

Таким образом, в случае равновесного моста (IG=0) при определении искомого сопротивле­ния R1э.д.с. батареи, сопротивления батареи и гальванометра роли не играют.

На практике обычно используется реохордный мост Уитстона(рис. 151), где сопротивле­ния R3 и R4 представляют собой длинную одно­родную проволоку (реохорд) с большим удель­ным сопротивлением, так что отношение R3/R4 можно заменить отношением l3/l4. Тогда, ис­пользуя выражение (101.7), можно записать

Длины l3 и l4 легко измеряются по шкале, a R2всегда известно. Поэтому уравнение (101.8) позволяет определить неизвестное со­противление R1.

Контрольные вопросы

• Что называется силой тока? плотностью тока? Каковы их единицы? (Дать определения.)

• Назовите условия возникновения и существования электрического тока.

• Что такое сторонние силы? Какова их природа?

• В чем заключается физический смысл электродвижущей силы, действующей в цепи? напряжения? разности потенциалов?

• Почему напряжение является обобщенным понятием разности потенциалов?

• Какова связь между сопротивлением и проводимостью, удельным сопротивлением и удельной проводимостью? Каковы их единицы? (Дать определения.)

• В чем заключается явление сверхпроводимости? Каковы его перспективы?

• На чем основано действие термометров сопротивления?

• Выведите законы Ома и Джоуля — Ленца в дифференциальной форме.

• В чем заключается физический смысл удельной тепловой мощности тока?

• Проанализируйте обобщенный закон Ома. Какие частные законы можно из него получить?

• Как формулируются правила Кирхгофа? На чем они основаны?

• Как составляются уравнения, выражающие правила Кирхгофа? Как избежать лишних уравне­ний?

Задачи

12.1.По медному проводнику сечением 1 мм 2 течет ток; сила тока 1 А. Определить среднюю скорость упорядоченного движения электронов вдоль проводника, предполагая, что на каждый атом меди приходится один свободный электрон. Плотность меди 8,9 г/см 3 . [74 мкм/с]

12.2.Определить, во сколько раз возрастет сила тока, проходящего через платиновую печь, если при постоянном напряжении на зажимах ее температура повышается от t1=20°C до t2=1200°С. Температурный коэффициент сопротивления платины принять равным 3,65•К) -3 К -1 . [В 5 раз]

12.3.По медному проводу сечением 0,3 мм 2 течет ток 0,3 А. Определить силу, действующую на отдельные свободные электроны со стороны электрического поля. Удельное сопротивление меди 17 нОм•м. [2,72-10 -2 1 Н]

12.4.Сила тока в проводнике сопротивлением 10 Ом равномерно убывает от I=3 А до I=0 за 30 с. Определить выделившееся за это время в проводнике количество теплоты. [900 Дж]

12.5.Плотность электрического тока в алюминиевом проводе равна 5 А/см 2 . Определить удельную тепловую мощность тока, если удельное сопротивление алюминия 26 нОм•м. [65 Дж/(м 3 •с)]

12.6.Определить внутреннее сопротивление r источника тока, если во внешней цепи при силе тока I1=5 А выделяется мощность Р1=10 Вт, а при силе тока /2 = 8 А—мощность P2=12 Вт. [0,17 Ом]

12.7.Три источника тока с э.д.с. ξ1 = l,8 В, ξ2=1,4 В и ξ3=1,1 В соединены накоротко однои­менными полюсами. Внутреннее сопротивление первого источника r1=0,4 Ом, второго — r2 = 0,6 Ом. Определить внутреннее сопротивление третьего источника, если через первый источник идет ток I1=l,13 A. [0,2 Ом]

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector