1.5. Електрически вериги


Въпроси

1. Каква е ролята на страничните сили в източниците на ЕДН?

Отговор.

Когато в затворена верига протича ток, във всичките й части неизбежно се отделя джаулева топлина, т.е. енергията на насочено движещите се заряди (или част от нея) се преобразува във вътрешна енергия на проводниците. Друга част от тази енергия може да се преобразува в светлина, в химична енергия (при зареждане на акумулатори например), да се използва за извършване на механична работа (в електромоторите) и т.н. Ако във веригата не е включен източник на ЕДН, всеки от тези процеси би довел до бързо затихване на тока. Ролята на източника на ЕДН е да предава енергия на свободните заряди и да поддържа тяхното насочено движение, т.е. тока.


2. Кои източници на ЕДН са екологично чисти?
Отговор.

Екологично чисти са източниците, в които възникването на ЕДН не е свързано със замърсяване на околната среда. Към тях спадат източниците, които преобразуват слънчевата енергия в електрична, източниците, които преобразуват механичната енергия на падащата вода, на вятъра, на морските и океанските вълни и на приливите и отливите в електроенергия, на източниците, в които се използва вътрешната енергия на горещи геотермални води и др.


3. От кои величини зависи електричният ток в затворена верига?
Отговор.

Според закона на Ом за цялата верига токът в нея зависи от три величини. Две от тях характеризират самия източник: неговите ЕДН и вътрешно съпротивление. Третата величина е еквивалентното съпротивление на консуматорите, свързани към полюсите на източника, т.е. тя характеризира външната част на веригата.


4. Защо изгорелите предпазители не бива да се поправят с дебела жица?
Отговор.

Изгорели предпазители на бива да се поправят с дебела жица, защото в случай на късо съединение в някой от консуматорите тя няма да се стопи и прекъсне веригата. Големият ток на късо ще продължи да тече, с което опасността от пожар и други аварии расте бързо.


5. Какво ще показва волтметър, включен към клемите на източник: а) при затворена верига; б) при отворена верига; в) при късо съединение?
Отговор.

При затворена верига волтметър, съединен с клемите на източник на ЕДН, показва напрежение, по-ниско от ЕДН на източника. При отворена верига показанието на волтметъра съвпада с ЕДН на източника. При късо съединение външното съпротивление на веригата е нула и, въпреки протичането на силен ток, по закона на Ом за част от веригата напрежение между полюсите на източника няма – уредът ще показва нула.


6. Възможно ли е напрежението между полюсите на един сух елемент да е по-голямо от неговото ЕДН? Обосновете отговора си.
Отговор.

Не е възможно. Напрежението между полюсите на сухия елемент е разлика между неговото ЕДН и пада на напрежението Ir във вътрешната част на веригата, в самия източник. Следователно напрежението между полюсите на този източник може да бъде най-много равно на неговото ЕДН – когато веригата е отворена.


7. Възможно ли е напрежението между полюсите на един акумулатор да е по-голямо от неговото ЕДН? Обосновете отговора си.
Отговор.

Възможно е. Разликата от предишния случай (сух елемент) е в това, че има случаи, когато токът вътре в акумулатора тече в посока от положителния към отрицателния полюс. Това е случаят, когато зареждаме акумулатора. Напрежението на външния източник на енергия, към който сме свързали полюсите на акумулатора при зареждането, е по-голямо от неговото ЕДН. В този случай част от работата на електричните сили, породени от външния източник, отива за попълване на запаса от химична енергия на акумулатора, а останалата част – за отделяне на джаулева топлина в неговото вътрешно съпротивление.


8. Ако разполагате с два волтметъра с различни вътрешни съпротивления, с кой от тях бихте измерили по-точно ЕДН на един източник?
Отговор.

Волтметърът е измервателен уред, в който отклонението на стрелката зависи от протичащия през него ток, но скалата е разграфена не в ампери, а във волтове. Както всеки проводник, и волтметърът се характеризира с определено съпротивление. Когато го присъединим към полюсите на източник на ЕДН, ние образуваме затворена верига и напрежението между полюсите (това, което отчита уредът) е по-малко от това, което искаме да измерим – ЕДН. Показанието на уреда ще бъде толкова по-близко до ЕДН, колкото по-слаб ток тече през него, т.е. – колкото по-голямо е съпротивлението му. Следователно за по-точно измерване ЕДН на източника трябва да използваме волтметър с по-голямо вътрешно съпротивление.


9. Ако разполагате с два амперметъра с различни вътрешни съпротивления, с кой от тях бихте измерили по-точно тока в една верига?
Отговор.

Съгласно със закона на Ом за цялата верига, токът в нея зависи от сумата от вътрешното съпротивление на източника на ЕДН и еквивалентното съпротивление на външната верига. При измерване на ток амперметърът се включва във веригата последователно на проводника, в който тече измерваният ток. Тъй като при последователно свързване общото съпротивление винаги расте, включването на уреда предизвиква промяна (намаляване) на измервания ток. Тази промяна ще бъде по-малка, ако съпротивлението на уреда е по-малко. Следователно за по-точно измерване на тока трябва да използваме амперметър с по-малко вътрешно съпротивление.



Задачи

1. На схемата, показана на фиг. 8, съпротивленията R1, R2 и R3 са известни и подбрани така, че през милиамперметъра не протича ток. Намерете съпротивлението Rx.            

Решение.

Дадено: R1, R2, R3, ICD = 0.
               Търси се: Rx.
            От ICD = 0 следва, че:
            – потенциалите на т. С и т. D са равни (между тях няма напрежение) и следователно напреженията между краищата на Rx и на R1 са равни, както са равни и напреженията между краищата на R2 и R3;
            – през R1 и R2 тече един и същ ток I1, а през Rx и R3 – един и същ ток I3.
            Оттук следват равенствата:
            I3Rx = I1R1 и I3R3 = I1R2.
           Като разделим почленно тези равенства, получаваме , т.е. търсеното съпротивление е: . Разгледаната схема е известна в електротехниката като Уитстонов мост и се използва за измерване на съпротивления. На практика R1 и R2 представляват съпротивленията на два участъка от опънат съпротивителен проводник, по който се мести подвижен контакт С. Тогава отношението  е равно на отношението между дължините на тези участъци.

2. С амперметър със съпротивление RA може да се измери максимален ток IA. За да се измери ток, n пъти по-голям от обхвата на уреда, успоредно на амперметъра се включва допълнително съпротивление Rш, наречено шънт. Какъв шънт е необходим за n –кратно увеличаване на обхвата на уреда?

Решение.

Дадено: RA , IA , I = nIA.
               Търси се: Rш.
            Тъй като амперметърът и шънтът са включени успоредно (фиг. 9), напрежението между клемите на амперметъра е равно на напрежението на шънта:
(1)                               RшIш = RAIA ,     т.е.      .
От друга страна, токът I във веригата се разклонява през амперметъра и шънта:
(2)                                                      I = IA + Iш
и следователно
(3)                               Iш = IIA = nIA IA = (n – 1)IA.
Оттук и от равенство (1) намираме , т.е.
(4)                                                      .
Следователно, за да увеличим n пъти обхвата на един амперметър, успоредно на него е необходимо да включим шънт със съпротивление (n – 1) пъти по-малко от съпротивлението на уреда.


3. С волтметър със съпротивление RV може да се измери максимално напрежение UV. За да се измери напрежение U, n пъти по-голямо от обхвата на уреда, последователно на волтметъра се включва допълнително съпротивление Rп, наречено предсъпротивление. Какво предсъпротивление е необходимо за n –кратно увеличаване обхвата на уреда?

Решение.

Дадено: RV , UV , U = nUV.
               Търси се: Rп.
            Общото напрежение U, което трябва да се измери, се разпределя между волтметъра и предсъпротивлението (фиг. 10):
(1)                                           U = UV + Uп,
или, тъй като U = nUV,
(2)                                           Uп = nUV – UV = (n – 1)UV.
            Като отчетем, че през уреда и предсъпротивлението тече един и същ ток IV, за съответните напрежения имаме
(3)                                           Uп = IVRп  и    UV = IVRV.
Като заместим тези изрази за Uп и UV в (2), получаваме:
(4)                                                      Rп = (n – 1)RV.
Следователно, за да увеличим n пъти обхвата на един волтметър, последователно с него трябва да включим предсъ­противление, което е n – 1 пъти по-голямо от съпротивлението на уреда.


4. Към батерия с ЕДН 9 V и вътрешно съпротивление 1,5  e включена лампичка със съпротивление 3 . Намерете: а) тока през лампичката; б) напрежението между полюсите на батерията; в) химичната енергия, която за 1 s се преобразува в електрична енергия; г) енергията, из­лъчена за същото време от лампичката.

Решение.

Дадено: = 9 V, r = 1,5 , R = 3 , t = 1 s.
               Търси се: I, U, W, Q.
            а) Токът във веригата  определяме от закона на Ом за цялата верига:
                                              
            б) Напрежението между полюсите на източника е равно на напрежението върху лампичката:
                                              
            в) Преобразуваната за t = 1 s химична енергия е равна на работата на електродвижещите сили за единица време:
                                               W = It = 2.9.1  = 18 J.
            г) Eлектричната енергия, която се преобразува и излъчва за 1 s от лампата, е равна на работата на електричните сили при протичане на тока през нея:
           
Следователно само част от енергията на батерийката се оползотворява – останалата част увеличава вътрешната енергия на източника.


5. При отворена верига волтметър, съединен с полюсите на акумулатор, показва 12 V, а когато между полюсите се включи резистор със съпротивление 2,9 , показанието на уреда е 11,6 V. Колко са ЕДН и вътрешното съпротивление на акумулатора?

Решение.

Дадено: U0 = 12 V, R = 2,9 , U = 11,6 V.
               Търси се: , r.
            ЕДН на акумулатора е равно на показанието на волтметъра при отворена верига, т. е.:
                                                              = U0 = 12 V.
            При включване на резистор със съпротивление R токът във веригата е U/R и законът на Ом за цялата верига:
                                                               
осигурява уравнение, от което определяме вътрешното съпротивление:
                                       


6. Колко е вътрешното съпротивление на батерия с ЕДН 4,5 V, ако при късо съединение през нея тече ток 3 А?

Решение.

Дадено:  = 4,5 V, R = 0 , I = 3 A.
                Търси се: r.
            Вътрешното съпротивление на уреда определяме от закона на Ом за цялата верига , от който следва:
                                                .


7. Когато към клемите на акумулатор се свърже съпротивление R1 = 1,1 , през него протича ток I1 = 10 A, а когато се свърже съпротивление R2 = 2,3 , токът е I2 = 5 A. Наме­рете: а) напрежението между клемите на акумулатора в двата случая; б) вътрешното съпротивление и ЕДН на акумулатора; в) мощността (т.е.работата за единица време) на електродвижещите сили и на тока във външното съпротивление в първия случай.

Решение.

Дадено: R1 = 1,1 , I1 = 10 A, R2 = 2,3 , I2 = 5 A.
                Търси се: U1, U2, r, , P1.
            а) В двата случая напрежението между клемите на акумулатора е равно на напрежението в краищата на резисторите и следователно се определя от закона на Ом:
                U1 = R1I1 = (1,1)(10) = 11 V
                U2 = R2I2 = (2,3)(5) = 11,5 V.
            б) Законът на Ом за цялата верига, записан за двата случая, осигурява две равенства:
                                   .
Чрез почленно делене на левите и десните им страни получаваме уравнение, в което единствено неизвестно е вътрешното съпротивление r. Като решим уравнението, получаваме:
                        .
            Ако заместим получения израз за r в закона на Ом за цялата верига (без значение за кой от двата случая) и решим полученото уравнение спрямо , намираме:
                        .
            в) Мощността на електродвижещите сили в случая, когато във веригата е включен резисторът R1, e:
                                  
В същия случай мощността на тока е: P1 = R1I12 = (1,1)(10)2 = 110 W.


8. Към полюсите на източник с ЕДН 10 V и вътрешно съпротивление 1  е свързан резистор със съпротивление 4 . Каква е мощността на тока през резистора?

Решение.

Дадено: = 10 V, r = 1 , R = 4 .
                Търси се : Р.
            Мощността на тока през резистора е P = RI2. Токът през него се определя от закона на Ом за цялата верига , така че:
                                           .











 

Учебно съдържание Самопроверка
>> Въпроси и задачи