Вопрос 1. Электрический ток, его параметры

Электрический ток — упорядоченное движение свободных электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках - электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

При изучении электрического тока, было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях человеческой деятельности.

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов.

Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц, окружающей температуры, приложенной разности.

Различают переменный, постоянный и пульсирующий токи, а так же их всевозможные комбинации.

1) Постоянный ток — ток, направление и величина которого слабо меняются во времени.

2) Переменный ток — это ток, величина и (или) направление которого меняются во времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. В этом случае потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление. Время, за которое происходит один такой цикл (время, включающее изменение тока в обе стороны), называется периодом переменного тока. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц соответствует одному периоду в секунду.

Силой тока называется физическая величина, равная отношению количества заряда, прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока измеряется в амперах.

При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Эта работа выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Мощность измеряется в ваттах.

Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

- термическое (ожоги, нагрев);

- электролитическое (разложение крови);

- биологическое.

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. Безопасным считается ток, величина которого не превышает 50 мкА.

Вопрос 2. Формы представления переменной величины

Изменение переменной величины представлено на рисунке.

Формы представления переменной величины:

1) Представление переменной величины через тригонометрические функции – аналитическая форма представления. Запишем параметрическое значение напряжения и тока через данную форму:

Сдвиг фаз – это разность между начальными фазами двух переменных величин, изменяющихся во времени периодически с одинаковой частотой. В электротехнике сдвиг фаз между напряжением и током определяет коэффициент мощности в цепях переменного тока.

2) Волновая диаграмма (исходный рисунок).

3) Векторная диаграмма — графическое изображение меняющихся по закону синуса (косинуса) величин и соотношений между ними при помощи векторов.

Гармоническое (то есть синусоидальное) колебание может быть представлено графически в виде проекции на некоторую ось (обычно берут ось координат Оx) вектора, вращающегося с постоянной угловой скоростью ω. Длина вектора соответствует амплитуде, угол поворота относительно оси (Ox) - фазе.

Сумма (или разность) двух и более колебаний на векторной диаграмме представлена при этом (геометрической) суммой (или разностью) векторов этих колебаний. Мгновенное значение искомой величины определяется при этом проекцией вектора суммы на ось Оx, амплитуда - длиной этого вектора, а фаза - углом его поворота относительно Ox.

Векторная диаграмма

4) Комплексные числа. Комплексное представление синусоидальных электрических величин сочетает наглядность векторных диаграмм с проведением точных аналитических расчётов цепей.

Ток и напряжение изобразим в виде векторов на комплексной плоскости. Ось абсцисс называют осью действительных чисел и обозначают +1, ось ординат называют осью мнимых чисел и обозначают +j.

Вектор на плоскости, длина которого в масштабе равна действующему значению синусоидальной величины, называется комплексным действующим значением синусоидальной величины.

Комплексные числа

и - проекции вектора на координатные оси.

, - действительная часть числа, откладывается по действительной оси абсцисс, - мнимая часть числа, откладывается по оси ординат.

Комплексные числа имеют 3 формы записи:

Алгебраическую:

Показательную:

Тригонометрическую:

Из рисунка: А – модуль комплексного числа:

Из курса математики известна формула Эйлера: , следовательно, , где – поворотный множитель, который показывает, на какой угол повернут вектор по отношению к действительной оси.

Например, .