3 Основные электрические величины: электрический ток, напряжение, эдс, мощность и энергия

3.1 Электрический ток

Электрический ток проводимости – явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или в пустоте, количественно характеризуемое скалярной величиной, равной производной по времени от электрического заряда, переносимого свободными носителями заряда сквозь рассматриваемую поверхность.

В металлах такими носителями являются электроны, в жидкостях и газах – положительно и отрицательно заряженные ионы. Направленное движение свободных носителей электрического заряда обусловлено действием сил электрического поля.

Скалярная величина , количественно характеризующая электрический ток в каждый момент времени называется мгновенным значением тока или мгновенным током.

Мгновенный ток численно равен скорости изменения электрического заряда q во времени:

, (1.1)

где - электрический заряд, прошедший за время через поперечное сечение проводника.

В системе СИ заряд измеряется в кулонах (Кл), время – в секундах (с), ток – в амперах (А).

В соответствии с приведенным выше определением понятие «ток» может быть использоваться в двух смыслах: ток как физическое явление и ток как количественная характеристика (вместо «силы тока»).

Постоянный электрический ток – это неизменное во времени однонаправленное движение заряженных частиц (зарядов). При постоянном токе в течении каждого одинакового промежутка времени переносится одинаковый заряд , т.е. заряд является линейной функцией времени. Поэтому постоянный ток определяется выражением:

(1.2)

В любом проводнике упорядоченное движение носителей заряда происходит в одном из двух возможных направлений, поэтому ток также имеет одно из двух направлений. За направление тока принимают направление, в котором перемещаются носители положительного заряда. Следовательно, направление электрического тока в наиболее распространенных проводниках материалах – металлах – противоположно фактическому направлению перемещения носителей заряда электронов. О направлении тока судят по его знаку, который зависит от того, совпадает или нет направление тока с направление, условно принятым за положительное.

Условное положительное направление тока при расчетах электрических цепей может быть выбрано совершенно произвольно.

Условное положительное направление тока показывается стрелкой (рис 1.1)

Рис 1.1

Если в результате расчетов, выполненных с учетом выбранного направления, ток получается со знаком плюс, то его направление, т.е. направление перемещения положительных зарядов совпадает с направлением, выбранным за положительное. Если ток будет иметь знак минус, то его направление противоположно выбранному условному положительному направлению.

3.2 Напряжение

На всякий заряд, помещенный в электрическое поле q, действует сила ,абсолютное значение и направление которой определяется напряженностью электрического поля (рис. 1.2), а также значением заряда и его знаком.

Рис. 1.2

Если носитель заряда является свободным, т.е. не закрепленным в фиксированной точке поля, то под действием приложенной силы он перемещается. Перемещение заряда происходит за счет энергии электрического поля.

При перемещении единичного положительного заряда между двумя любыми точками А и В электрического поля силами электрического поля совершается работа, равная разности потенциалов этих точек.

Потенциал электрический ( )точки А – это работа, которая совершается силами электрического поля по переносу единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность (где нет электрического поля), т.е.

, , (1.3)

где - напряженность (вектор)электрического поля, численно равная отношению силы, действующего на заряженную частицу, к значению ее заряда.

Тогда электрическое напряжение между точками А и В электрической цепи (или разность потенциалов точек А и В) – это работа совершаемая силами электрического поля по перемещению единичного положительного заряда по произвольному пути из точки А в точку В поля и равная линейному интегралу напряженности электрического поля, т.е.:

(1.4)

Напряжение между точками А и В электрической цепи может быть определено как предел отношения энергии электрического поля w, затрачиваемой на перенос положительного заряда q из точки А в точку В. к этому заряду при :

(1.5)

Единица измерения напряжения в системе СИ – вольт (В). энергии – джоуль (Дж). При перемещении электрического заряда в 1 Кл между точками электрической цепи, разность потенциалов которых равна 1 В, совершается работа в 1 Дж.

Напряжение является скалярной величиной, которой приписывают определенное направление.

Под направлением напряжения понимают направление, в котором под действием электрического поля перемещаются (или могли бы перемещаться) свободные носители положительного заряда, т.е. направление от точки цепи с большим потенциалом («+»), к точке цепи с меньшим потенциалом («-») (рис. 1.3):

Рис. 1.3

На участках цепи, в которых не содержатся источники энергии и перемещение носителей заряда осуществляется за счет энергии электрического поля, направления напряжения и тока совпадают.

Применительно к напряжению на участке цепи, по которому протекает ток, часто используют термин «падение напряжения».