Электронный учебно-метод ический комплекс по учебному предмету
Главная»Раздел 1. Постоянный электрический ток»Основные величины, характеризующие электрическую цепь
1.2. Основные величины, характеризующие электрическую цепь
Электрический ток это направленное движение носителей электрического заряда.
Носителями заряда в металлах являются электроны, в плазме и электролите – ионы. В полупроводниках носителями заряда являются также дефекты электронных оболочек ядер кристаллической решётки – «дырки». Функционально они эквивалентны положительным зарядам.
Наличие электрического тока проявляется в виде трёх эффектов:
• в окружающей среде возникает магнитное поле;
• проводник, по которому протекает ток, нагревается;
• в проводниках с ионной проводимостью возникает перенос вещества.
Если количество заряда q переносимого за одинаковые промежутки времени неизменно, то такой ток называется постоянным и для него справедливо выражение
где q– заряд, переносимый за время t.
Из выражения (1.1) получается единица измерения электрического тока
Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов под действием электрического поля, т.е. направление противоположное движению электронов в проводниках. Если такое направление неизвестно, то для любой ветви электрической цепи его можно выбрать произвольно и считать положительным направлением. После расчёта режима работы цепи некоторые значения тока могут получиться отрицательными.
Это означает, что действительное направление тока противоположно выбранному.
Рисунок 1.3
По характеру изменения во времени электрический ток разделяют на постоянный (рис. 1.3, а) и переменный. Последний, в свою очередь, бывает синусоидальным (рис. 1.3, б) и несинусоидальным (рис. 1.3, в-г).
Электродвижущая сила. Движение носителей зарядов в электрической цепи, как всякое движение требует передачи энергии движущимся объектам. Если на некотором участке цепи заряжённые частицы получают энергию, то принято говорить, что на этом участке действует сила, приводящая их в движение, т.е. электродвижущая сила (ЭДС). Участок цепи, на котором действует ЭДС, является источником электрической энергии (энергии движущихся носителей электрических зарядов). Источником энергии для получения ЭДС могут быть различные физические явления, при которых возникает воздействие на заряжённые частицы – химические, тепловые, электромагнитные и др. процессы. Численно ЭДС равна работе по перемещению единичного заряда на участке её действия.
где А – работа по перемещению единичного положительного заряда q.
Отсюда единицу ЭДС можно получить как,
Электрическое напряжение. На участках электрической цепи, где отсутствует ЭДС, движение носителей зарядов сопровождается расходом полученной ранее энергии путём преобразования её в другие виды. Этот процесс можно охарактеризовать падением напряжения или просто напряжением U.
Оно численно равно работе, затраченной на перемещение заряжённых частиц по участку электрической цепи, к величине перемещённого заряда
где А - работа по перемещению заряда q.
В случае движения зарядов в безвихревом электрическом поле это определение идентично понятию разности потенциалов участка электрической цепи, т.е. потенциал границ участка. Следует заметить, что потенциал отдельной точки определить невозможно, т.к. он равен работе по перемещению единичного заряда из бесконечности в данную точку. Однако разность потенциалов между двумя точками всегда можно определить, если потенциал одной из них принять за точку отсчёта, т.е. нуль.
Единица измерения напряжения и разности потенциалов такая же, как и ЭДС,
За положительное направление напряжения на участке цепи принимают направление от точки с большим потенциалом к точке с меньшим, а т.к. на участках где отсутствует ЭДС положительные заряды также перемещаются от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким, то положительное направление напряжения на этих участках совпадает с положительным направлением протекающего тока. За положительное направление ЭДС принимают направление от точки с меньшим потенциалом к точке с большим. Это направление указывают стрелкой в условном изображении источника на схеме (рис. 1.1, 1.2).
Электрическая энергия и мощность. Из понятия ЭДС следует, что она является работой, совершаемой при перемещении единичного заряда между полюсами источника электрической энергии. Для перемещения всех зарядов, проходящих через источник, требуется совершить работу в q раз большую, т.е. затратить энергию.
В приёмнике электрической энергии или в нагрузке энергия преобразуется или рассеивается. Её также можно определить, пользуясь понятием напряжения на участке электрической цепи, как работы по перемещению единичного заряда. Отсюда энергия, преобразуемая в нагрузке:
Интенсивность преобразования энергии характеризуется понятием мощности. Численно она равна энергии, преобразуемой в электрической цепи в единицу времени. Для цепи постоянного тока мощность источника равна:
Для нагрузки:
Единицами измерения энергии и мощности электрической цепи являются джоуль (Дж) и ватт (Вт).
На основании закона сохранения энергии мощность, развиваемая источниками электрической энергии в цепи должна быть равна мощности преобразуемой в другие виды энергии в нагрузке:
где ∑±EI – алгебраическая сумма мощностей, развиваемых источниками, а ∑ UI– сумма мощностей всех приёмников и потерь энергии внутри источников.
Выражение (1.6) называется балансом мощности электрической цепи.
Мощность, преобразуемая в нагрузке, всегда положительна, в то время как источники могут работать как в режиме генерирования, так и в режиме рассеяния электрической энергии, т.е. быть нагрузкой для внешней электрической цепи. Режим работы источника определяется взаимной направленностью ЭДС и тока, протекающего через источник. Если направление действия ЭДС и направление тока в источнике совпадают, то источник отдаёт энергию в цепь и соответствующее произведение в левой части (1.6) положительно. Если же направление тока противоположно, то источник является нагрузкой и его мощность включают в баланс с отрицательным знаком. Следует заметить, что при составлении баланса мощности должно учитываться реальное направление тока в источнике, т.е. направление, полученное в результате расчёта электрической цепи, а не условно положительное направление, принимаемое в начале решения.
Вопросы для самоконтроля
1. По каким признакам можно определить наличие тока в электрической цепи?
2. Что такое постоянный электрический ток?
3. Что такое электродвижущая сила?
4. Почему невозможно определить электрический потенциал какой-либо одной точки электрической цепи?
5. Какое направление принято считать положительным для электрического тока (напряжения)?
6. Что такое баланс мощности электрической цепи?