Глава 1. Электрические цепи Часть I. Цепи, сигналы, электроника и схемотехника

1. Электрические цепи

1.1. Ток, напряжение, мощность и энергия

Электричество в физике характеризуется большим числом различ-

ных характеристик и параметров. В радиоэлектронике основных, пер-

вичных понятий только два — электрические ток и напряжение. Элек-

трический ток протекает в электрической цепи, напряжение

возникает на элементах электрической цепи.

Электрической цепью называют совокупность связанных между

собой электрических элементов, по которым протекает электрический

ток. Электрическую цепь, например, представляют узлы и детали

компьютера, по которым протекает ток от сети питания. Ток и напря-

жение п о л н о с т ь ю характеризуют состояние электрической цепи. В

радиоэлектронных устройствах и в компьютерах ток и напряжение

выполняют, в основном, функцию передачи информации.

Рис. 1

Электрическим током называют упорядоченное, направленное

движение заряженных частиц в цепи. Ток характеризуется величиной

и направлением. Направление тока определяется направлением дви-

жения положительных зарядов. Ток в радиоэлектронике обозначается

латинскими буквами / или i (рис. 1). Если q(t) — заряд, прошедший

через заданное сечение элемента цепи к моменту времени t, то вели-

чина тока рассчитывается по формуле

Ток в приведенной формуле измеряется в амперах (А), заряд в ку-

лонах и время в секундах. В радиоэлектронике наиболее часто ис-

пользуются меньшие величины тока: миллиамперы, микроамперы,

1.1. Ток, напряжение, мощность и энергия

наноамперы и пикоамперы: 1мА = 10 3 А, 1мкА =10 6 А, 1нА = 10

А, 1 п А = 10 ~ 1 2 А. Например, материнские платы персональных ком-

пьютеров потребляют от источника питания постоянный ток, как пра-

вило, не менее 5 ампер. Микросхемы, находящиеся на материнской

плате, потребляют токи, измеряемые в миллиамперах.

Направление тока /(0 указывается на схеме электрической цепи

(рис. 1). Перед расчетами направление неизвестного тока выбирается

п р о и з в о л ь н о . Если после расчетов в заданный момент времени по-

лучено положительное значение тока, то фактическое направление то-

ка будет соответствовать указанному на схеме. Если получена отри-

цательная величина тока, то в действительности ток протекает в

противоположном направлении (относительно указанного на схеме).

Однако изменять направление тока и заново проводить расчет в по-

следнем случае не требуется, так как одновременное указание вели-

чины и направления тока (даже если направление тока не угадано) од-

нозначно описывает ток в цепи.

Электрическое напряжение рассматривается как физическая при-

чина, обусловливающая возникновение тока в цепи. Электрическое

напряжение определяется как отношение энергии dW, необходимой

для перемещения положительного заряда dq из одной точки цепи в

другую, к величине этого заряда

dW

; «• "

Напряжение может быть как положительным, так и отрицатель-

ным. Знак величины напряжения связан с направлением напряжения,

за которое принимается направление сил электрического поля, дейст-

вующего на положительный заряд в цепи (рис. 1). Направление ука-

зывается стрелкой или знаками + и -.

Перед расчетом направление неизвестного напряжения выбирается

произвольно. Если величина напряжения после расчетов получилась

положительной, то направление указано правильно. В противном слу-

чае полученное значение напряжения меньше нуля и напряжение в

действительности направлено в противоположном направлении. Од-

нако, как и в случае с током, и в первом, и во втором случаях напря-

жение описано точно.

Напряжение измеряется в вольтах (В). Часто в радиоэлектронных

устройствах встречаются милливольты и микровольты, реже кило-