1.3. Положительные направления токов и напряжений

Согласно электронной теории электропроводности валентные элект­роны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся по­ложительными ионами. Ионы образуют в твердом теле кристалличе­скую решетку с 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 длиной l источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) и дополнительно перемещаются в одном на­правлении (вдоль проводника на рис. 1.4).

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. Принято считать направлением тока I направление дви­жения положительных зарядов, т. е. направление, обратное направ­лению движения электронов в проводнике под действием электриче­ского поля (рис. 1.4). Это направление показано стрелкой.

Постоянный ток , где t – время равномерного переме­щения суммарного заряда |Q| через поперечное сечение рассматривае­мого участка цепи.

Основная единица тока в международной системе единиц (СИ) – ампер (А)*, заряда – кулон (Кл).

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.) Она вычисляется вдоль любых участков це­пи, не содержащих ЭДС источников.

Постоянное напряжение для участка проводника (рис. 1.4)

__________

При постоянном токе 1 А в двух параллельных прямолинейных проводниках бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного кругового сечения, расположенных на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, сила их взаимо­действия равна 210^–7 Н/м (ньютон на метр.)

Рис. 1.4 Рис. 1.5

или

где – сила, которая действовала бы на положительный заряд q в однородном постоянном электрическом поле с напряженностью ;

– работа электрического поля при перемещении положительного заряда вдоль участка проводника; и – потенциалы од­нородного постоянного электрического поля в поперечных сечениях а и b участка проводника.

Основная единица напряжения в системе СИ - вольт (В), напряжен­ности электрического поля – вольт на метр (В/м).

При расчете цепи действительные направления токов в ее элементах в общем случае заранее не известны. Поэтому необходимо предвари­тельно выбрать условные положительные или, короче, положительные направления токов во всех элементах цепи.

Положительное направление тока в элементе (с сопротивлением r на рис. 1.5) или в ветви выбирается произвольно и указывается стрел­кой. Если при выбранных положительных направлениях токов в ре­зультате расчета режима работы цепи 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.

Положительное направление напряжения на элементе схемы цепи (рис. 1.5) также может быть выбрано произвольно и указывается стрелкой, но для участков цепи, не содержащих источников энергии, рекомендуется выбирать его совпадающим с положительным направ­лением тока, как на рис. 1.5.

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

.

Аналогичное обозначение можно принять и для тока. Например, обозначение , указывает положительное направление тока в элемен­те цепи или схемы от вывода а к выводу b.