2.1.4. Закон Джоуля-Ленца
При протіканні електричного струму по проводу відбувається його нагрів. Це говорить про те, що електрична енергія джерела W перетворюється в теплову Q.
Російський академік Е. Х. Ленц і англійський вчений Джоуль незалежно один від одного дослідним шляхом встановили, що кількість тепла Q, яке виділяється струмом в проводі, пропорційне квадрату струму, опору провідника і часу протікання струму, тобто витраченій джерелом електричній енергії:
.
В міжнародній системі одиниць СІ одиницею енергії і тепла є джоуль.
Цей закон представляє собою частковий випадок закону збереження і перетворення енергії.
Електрична енергія за одиницю часу називається потужністю:
.
Враховуючи, що IR = U, отримаємо:
.
2.2. Потенціальна діаграма
Потенціальною діаграмою називається графічне зображення розподілу потенціалів вздовж контуру в залежності від опорів елементів цього контуру.
Розглянемо замкнутий контур (рис. 2.4,а).
За відомими Ек; Rк; Ік визначимо потенціали точок Vк.
Задамося напрямками струмів у гілках і напрямком обходу.
При побудові потенціальної діаграми будемо враховувати такі правила:
1
.
Якщо струм в резисторі співпадає з
напрямком обходу, то потенціал наступної
точки зменшується, і навпаки.
2. Якщо напрямок ЕРС співпадає з напрямком обходу контуру, то потенціал наступної точки збільшується, і навпаки.
3. Потенціал однієї із точок приймаємо рівним нулю.
Нехай V1=0, тоді:
.
При побудові потенціальної діаграми (рис. 2.5,б) по осі абсцис відкладаються в масштабі опори ділянок (елементів) контуру в порядку їх слідування при обході контуру.
По осі ординат відкладаються значення потенціалів.
На потенціальній діаграмі тангенси кутів нахилу відрізків прямих ліній пропорційні величині струмів, які протікають у відповідних гілках:
.
Потенціальна діаграма дозволяє визначити різницю потенціалів між будь-якими точками контуру і струми в гілках.
2.3. Складне електричне коло
Складне електричне коло – це розгалужене електричне коло, що має дві і більше активних гілок.
Р
озглянемо
складне електричне коло (рис.2.5).
Коло має: гілок р=7; вузлів q=4; незалежних контурів n=p-(q-1)=4.
Розрахувати електричне коло – це значить за заданими параметрами джерел електричної енергії та опорами пасивних елементів визначити струми у всіх гілках кола.
За відомими струмами потім розраховуються напруги на окремих ділянках кола, потужності, що віддаються джерелами та споживаються приймачами.
Задачі, в яких за відомою конфігурацією електричного кола та параметрами його елементів визначаються струми, напруги та потужності на всіх ділянках кола, відносяться до задач аналізу електричних кіл.
Задачі, в яких за заданими функціями електричних кіл необхідно визначити їх структуру та параметри, відносяться до задач синтезу електричних кіл.
В подальшому ми будемо розглядати лише задачі аналізу електричних кіл.
Для розрахунку складних електричних кіл використовують методи:
еквівалентних перетворень;
рівнянь Кірхгофа;
контурних струмів;
накладання;
пропорційного перерахування;
вузлових потенціалів;
еквівалентного генератора тощо.