1. Лінійні кола постійного струму
1.1. Елементи електричного кола
У будь-якому електричному колі для того, щоб у ньому протікав електричний струм, необхідно мати джерело та приймач (споживач). Джерелами постійного струму можуть бути гальванічні елементи (акумулятори), електромагнітні генератори (динамомашини), випрямлюючі пристрої. Споживачі електричної енергії — електричні лампи, резистори, нагрівальні елементи, електродвигуни.
Н
а
рис. 1.1
наведена
схема найпростішого кола постійного
струму, яка складається з
джерела (батарея Б),
приймача
(резистор
),
з'єднувальних
провідників та ключа К.
Якщо на затискачах джерела є напруга
U
і
ключ
К
замкнутий,
то у колі буде протікати струм І.
Рис. 1.1. Схема найпростішого кола постійного струму
Постійним називається струм, який з часом не змінює свій напрям. Його величина може змінюватися, але знак повинен залишатися незмінним. Так, до постійних струмів можна віднести пульсуючі струми після випрямлення змінних струмів (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Пульсуючі струми після випрямлення змінних струмів
Електричною віткою називається ділянка кола, яка містить один або кілька послідовно з'єднаних джерел та споживачів енергії; їх основною особливістю є те, що по всіх елементах електричної вітки протікає один і той же струм.
Електричний вузол — точка з'єднання трьох і більше віток. На схемах вузли позначаються добре видимою крапкою.
Електричний контур — як правило, це замкнена ділянка копа, яка містить одну або кілька віток, по окремих елементах контура можуть протікати різні струми.
Вольтамперною характеристикою (ВАХ) опору називається аналітична або частіше графічна залежність I=f(U) чи навпаки U=f(I).
1.2. Закон Ома
У 1826 році англійський фізик Ом установив зв'язок між напругою джерела, опором електричного кола та струмом: струм прямо пропорційний напрузі і обернено пропорційний опору кола.
Для
найпростішого кола (рис. 1.4)
(1.1).
Рис. 1.4
Для вітки
ab
якоїсь складної
схеми (рис. 1.5),
якщо с
різниця
потенціалів вузлів, тобто
,
то у вітці протікатиме струм:
(1.2)
Рис. 1.5
Струм протікає
від того вузла, який має більш високий
потенціал, до вузла з меншим потенціалом.
На рис. 1.5
і за формулою
(1.2)
показаний
випадок, коли
.
У загальному випадку закон Ома дає змогу розрахувати струм вітки, коли у шуканій вітці є одне або кілька джерел, а також наявна різниця потенціалів на кінцях вітки. Для цього випадку розглянемо вітку, зображену на рис. 1.6.
Рис. 1.6.
Приймемо напрям струму від вузла "а" до вузла "b" і покажемо його напрям на схемі. Позначимо точки за кожним елементом схеми (с, d, e,f).
Запишемо потенціал вузла через потенціал вузла "а", при цьому врахуємо правило знаків: якщо ЕРС джерела співпадає з прийнятим напрямом струму, то вона записується з плюсом, а зустрічні ЕРС — з мінусом; падіння напруги на опорі, якщо йти по струму, необхідно брати з мінусом.
(1.3)
Виконаємо очевидні перетворення:
Позначимо:
Тоді можна записати так званий узагальнений закон Ома:
(1.4)
Якщо отриманий струм зі знаком мінус, то це означає, що дійсний струм має протилежний напрямок, тобто від вузла "b" до вузла "а", а величина його визначена правильно.
Іноді узагальнений закон Ома для вітки записують через провідність вітки:
, (1.5)
де
провідність
.