1,3 Положительные направления токов и напряжения

Если в электрической цепи (см. рис. 1.1) рубильник 1 включен, то во всех токопроводящих частях электротехнических устройств, т. е. во всех элементах схемы замещения рис. 1.3, будет постоянный ток. Рассмотрим вкратце явления, возникающие при этом в проводни­ках цепи, например в нити лампы, в соединительных проводах, в про­водах обмоток измерительных приборов. Для этого выделим в электрической цепи участок однородного цилиндрического проводника дли­ной / (рис. 1.4).

Согласно электронной теории электропровод­ности валентные электроны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся по­ложительными ионами. Ионы образуют в твер­дом теле кристаллическую решетку, обладающую пространственной периодичностью. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решетки между ато­мами (тепловое движение), сталкиваясь с ними.

Под действием продольного электрического поля напряженностью §, создаваемого в проводнике источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) и дополнительно перемещаются в одном направлении (вдоль проводника на рис. 1.4). Таким образом, постоянный ток в металлах представляет собой сравнительно медленное дрейфовое движение сво­бодных электронов, накладывающееся на их беспорядочное тепловое движение, происходящее с относительно большой скоростью. В общем случае постоянный ток в проводящей среде представляет собой упо­рядоченное движение положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля, например в электролитах и газах движутся навстречу друг другу ионы с положительными и отрицатель­ными зарядами,

Так как направления движения положительных и отрицательных зарядов противоположны, то необходимо договориться о том, движение каких зарядов следует считать направлением тока. В настоящее время принято .считать направлением тока направление движения положи­тельных зарядов.

Постоянный ток I =Q/t, где t — время равномерного перемеще­ния суммарного положительного заряда Q через поперечное сечение рассматриваемого участка электрической цепи.

Основной единицей измерения тока в Международной системе единиц СИ является ампер (А).

В практике часто встречаются кратные единицы измерения тока: микроампер (мкА), 1 мкА = 1*10^-6 А; миллиампер (мА), 1 мА = 1*10^-3А; килоампер (кА), 1 кА = 1*10³ А, и мегаампер (МА), 1 МА= 1-10⁶ А.

Основной единицей измерения заряда (количества электричества) служит кулон (Кл) — количество электричества, проходящего через поперечное сечение при токе 1 А за одну секунду (1 с).

Напряжением называется скалярная величина, равная линей­ному интегралу напряженности электрического поля. Разность по­тенциалов — напряжение в безвихревом электрическом поле, в ко­тором напряжение не зависит от пути интегрирования. (Электриче­ское поле цепи постоянного тока — безвихревое.)

Постоянное напряжение для участка проводника (рис. 1.4)

где F = q ξ — сила, действующая на положительный q заряд в одно­родном постоянном электрическом поле с напряженностью ξ \ А = ƒ_a^bFdt-работа электрического поля при перемещении' положительного заряда вдоль участка проводника; ф_a и ф_b— потенциалы однородного постоянного электрического поля в поперечных сечениях а и Ь участка проводника.

Основной единицей измерения напряжения в системе СИ служит вольт (В). Это напряжение между концами проводника, в котором при перемещении положительного заряда 1 кулон (Кл) совершается работа 1 джоуль (Дж). Для измерения напряжений применяются и кратные единицы: микровольт (мкВ), 1 мкВ = 1 • 10^-6 В; милливольт (мВ), 1 мВ = 1*10^-3 В; киловольт (кВ), 1 кВ = 1-10³ В; мегавольт (МВ), 1 МВ = 1*10⁶ В.

При расчетах электрических цепей действительные направления токов в элементах цепи в общем случае заранее неизвестны. Поэтому необходимо предварительно выбрать условные положительные на­правления токов во всех элементах цепи.

Условное положительное направление тока в элементе (с сопро­тивлением г па рис. 1.5) или в ветви выбирается произвольно я указы­вается стрелкой. Если в результате расчета электрической цепи при выбранных условных положительных направлениях токов ток в дан­ном элементе получится положительным, т. е. имеет положительное значение, то действительное направление тока совпадает с выбранным положительным. В противном случае действительное направление противоположно выбранному положительному. Условное положительное направление напряжения на элементе схемы электрической цепи (рис. 1.5} также выбирается произвольно и указывается стрелкой.

Если выводы элемента электрической цепи обозначены (например, а и Ь на рис. 1.5) и стрел­ка направлена от вывода а к выводу Ь, то условное положительное направление означает, что определяется напряжение.

U=U_ab

Аналогичное обозначение можно принять и для тока. Например, обозначение 1_а6 указывает положительное направление тока в элементе электрической цепи или схемы (рис. 1.5) от вывода а к выводу Ь. В приемнике электрической энергии положительные направления тока и напряжения, как правило, выбираются одинаковыми (рис. 1.5).