Основные физические величины теории электрических цепей

Цепь и её состав

Основные понятия теории цепей

 

Электрической цепью называют совокупность устройств, соединенных друг с другом, основные электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью двух основных физических величин – напряжения и силы тока.

В общем случае электрическая цепь состоит из источников и приемников, а также устройств канализации электрического тока, обеспечивающие взаимосвязь между источниками и приемниками.

Источники – это элементы, создающие в ней электрический ток.

Приемники (или нагрузки) – элементы, преобразующие электрический ток в другие формы движения материи – тепло, свет, механические перемещения и т.п.

Общие условные графические обозначения (УГО):

 

Источник Приемник

 

 

 


Источники: гальванические элементы и батареи, аккумуляторы, электромашинные генераторы, фотоэлементы, термопары, антенны и т.п.

Нагрузки: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы, двигатели и т.п.

 

 

Под электрическим током понимают совокупность упорядоченно движущихся электрически заряженных частиц.

Согласно этому определению электрическим током являются свободные электроны в металлах и в вакууме, движущиеся ионы в электролитах, а также совокупность электронов и «дырок» в полупроводниках.

В данном определении отмечаются две характерные особенности электрического тока – наличие заряженных частиц и их согласованное движение в одном преимущественном направлении.

Количество и средняя скорость движения заряженных частиц, создающих электрический ток, описываются физической величиной, называемой силой тока. Было замечено, что чем больше в токе частиц, и чем скорее они движутся, тем больше сила притяжения или отталкивания участков цепи с этим током. Это позволяет просто измерять силу тока.

Понятие сила тока или интенсивность (intensite) было введено знаменитым французским ученым Андре Мари Ампером. В память о его заслугах единица этой физической величины названа ампером. Она обозначается прописной буквой А.

Сила тока обозначается в расчетных формулах латинской буквой i (или I). Чтобы подчеркнуть, что это функция времени, пишут силу изменяющегося тока как i(t).

Силу тока измеряют амперметром. Обозначение амперметра:

А

 


Для измерения силы тока амперметр включается в участок цепи, в котором протекает этот ток.

Теперь учтем, что ток всегда имеет направление своего движения. За направлениемдвижения или направлением действия тока принимают направление движения вдоль элементов цепи положительно заряженных частиц.

i
Ввиду того, что возможных направлений движения только два, удобно обозначать направление знаками «плюс» или «минус», проставляемыми перед обозначением силы тока, т.е. ±i. Кроме того, направление тока можно отметить стрелкой тока, налагаемой на условное графическое обозначение участка цепи. Например, обозначим направление действия тока в проводнике:

 


Знак тока, также как модуль его силы тока, можно определить амперметром. Для этого на приборах отмечают их полярность, проставляя около выводов амперметра со стрелочной шкалой, либо на табло электронного прибора с цифровой шкалой знаки «+» или «-». Все приборы конструируются и отлаживаются таким образом, чтобы при прохождении положительно заряженных частиц от вывода «+» к выводу «–» или стрелка прибора отклонялась вправо (если прибор стрелочный), или на табло цифрового прибора высвечивался знак «+». Таким образом, выделяют положительное направление тока.

Однако применение прибора с указанной полярностью – ещё не достаточное условие однозначного определения знака тока. Действительно, при подключении того же амперметра в прежнюю цепь с обратной полярностью (с заменой вывода «+» на «–» и обратно) знак показаний прибора изменится. Какие же показания считать правильными?

Для предотвращения неоднозначности результатов измерений необходимо поступать так же, как в механике, где направление движения всегда сравнивают с направлением отсчета, задаваемым телом отсчета – измерительным прибором.

В электротехнике при измерении силы тока телом отсчета является амперметр, а направление отсчета задается его полярностью. Это направление от зажима «+» измерительного прибора к зажиму «–». Если направление действия тока совпадает с направлением отсчета, т.е. если ток течет от вывода «+» к выводу «–», этот ток положительный. Тогда сила тока записывается в формулы со знаком «+». В противоположном случае, когда направление действия тока противоположно направлению отсчета, сила тока – отрицательная.

Для указания направления отсчета не обязательно обозначать на УГО цепи – его схеме – тела отсчета – амперметры. Достаточно проставить соответствующие их полярностям стрелки тока «®» около УГО участков цепи.

Вторая основная физическая величина, которой описывают электрический режим цепи, это напряжение.

Напряжение описывает количественно интенсивность взаимодействия тока с окружающим его электромагнитным полем. Понятие «напряжение» введено в научную терминологию итальянским ученым Алессандро Вольта в 1778 году.

Напряжение в отечественной литературе обозначают как u(t). За рубежом принято обозначать v(t) . Единицей напряжения в системе СИ принят вольт.

Напряжение на участке цепи измеряют вольтметром. Обозначения вольтметра на схемах:

V

 


Около этого обозначения, либо около выводов самого вольтметра проставляют знаки «+» и «–», обозначающие его полярность. При этом направление отсчета напряжения есть направление от вывода «+» вольтметра к выводу «–».

Вольтметр подключают к концам участка цепи, на котором измеряют напряжение.

Напряжение на участке цепи, измеряемое вольтметром, изменяется при передвижении выводов прибора вдоль этого участка. При движении одного из выводов вдоль участка цепи напряжение либо возрастает, либо снижается. При этом можно считать, что напряжение есть тоже величина, имеющая направления. Выделяют направление повышения напряжения и направление его снижения (падения). Обычно за направление напряжения принимают направление его падения.

Если направление напряжения (падение напряжения) совпадает с направлением отсчета, задаваемым полярностью вольтметра, напряжение записывается со знаком «плюс». В противном случае напряжение считают отрицательным.

Направление отсчета тока и напряжения обычно принимают одинаковыми.

Направление отсчета напряжения на схемах указывают стрелкой напряжения «®».

Энергия тока определяется формулой:

 

Дж,

(Как видно работа тока зависит как от силы тока, так и от напряжения!)

а мгновенная мощность тока как скорость изменения энергии:

 

 

 

 

Если энергия тока – величина неотрицательная, то мощность может иметь различные знаки. Положительна мощность нагрузок. Мощность источников – отрицательна.