1.3 Ток, напряжение, эдс, мощность, энергия

Электрический ток проводимости — явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в веществе или вакууме. Ток проводимости — скалярная величина, равная производной по времени от электрического заряда dq сквозь рассматриваемую поверхность:

.

Носителями тока в проводниках являются электроны, в электролитах и газах — положительные и отрицательные ионы. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов. Линии тока в электрической цепи замкнутые. Ток может идти, если есть путь к той точке, откуда он вышел. Численно значение тока равно количеству зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Единица измерения тока в СИ — ампер (А).

Электрическое напряжение — скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности электрического поля :

.

Электрическое поле потенциальное. Потенциал в точке поля равен работе, совершаемой силой поля по перемещению единицы положительного заряда из какой-то точки (бесконечности) в данную точку поля. В электростатическом поле заряды перемещаются от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким. Разность потенциалов двух точек есть работа, совершаемая силой поля по перемещению положительного заряда из одной точки в другую. Напряжение на участке цепи ab есть разность потенциалов точек a и b:

u_ab = φ_a – φ_b.

Напряжение в СИ измеряется в вольтах (В).

Положительное направление тока и напряжения в электрических схемах. Под положительным направлением тока принимают произвольное его направление и указывают стрелкой на схеме. Если ток в результате расчета получен с плюсом, то направление истинное. Если ток получен отрицательный, то направление тока противоположное указанному стрелкой (выбранному). Однако выбранное направление на схеме не меняют, а ток записывают со знаком минус. Если цепь содержит одну ЭДС, то ток идет от плюса к минусу.

Напряжение на элементе цепи совпадает по направлению с током в этом элементе. Поэтому стрелки направления напряжения ставят, когда есть необходимость. На генераторе и в других случаях напряжение указывают стрелкой от положительного зажима к отрицательному. Перед расчетом цепи нужно поставить положительное направление токов.

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная величина, характеризующая способность стороннего поля и индуцированного электрического поля вызывать электрический ток. ЭДС равна линейному интегралу напряженности стороннего поля и индуцированного электрического поля вдоль рассматриваемого пути между двумя точками или вдоль рассматриваемого контура. Стороннее поле — поле сторонних сил с напряженностью, равной отношению сторонней силы, действующей на заряженную частицу к заряду этой частицы. Индуцированное электрическое поле — это электрическое поле, возбуждаемое изменением во времени магнитного поля.

В электростатическом поле (поле неподвижных заряженных тел при отсутствии в них электрических токов) заряды перемещаются от более высокого потенциала к более низкому. При этом разноименные заряды соединяются, и поле исчезает. Чтобы создать вновь электростатическое поле надо наличие сторонних сил, направленных против Кулоновских сил, способных разобщать связанные заряды. Сторонние силы (стороннее поле) находятся внутри источника электрической энергии. Сторонняя сила — сила, действующая на заряженную частицу, обусловленная неэлектромагнитными, при макроскопическом рассмотрении, процессами. К таким неэлектромагнитным процессам следует относить, например, тепловые процессы, химические реакции, воздействие механических сил, контактные явления.

Развиваемая источником энергии мощность определяется равенством:

. (1.6)

Сопротивление приемника R (рисунки 1.9, 1.11) характеризует потребление электрической энергии, т.е. превращение электрической энергии в тепловую:

. (1.7)

Численно сопротивление определяют отношением приложенного к нему напряжения U к протекающему току I (закон Ома):

.

Электрическая энергия — это мощность, выделяемая за определенное время. Мгновенная мощность равна произведению мгновенного напряжения на мгновенный ток на одном и том же участке цепи:

p = ui.

Электрическая энергия

,

где W — энергия, Дж; 1 Дж = 1 Втс;

p — мгновенная мощность, Вт.

При прохождении тока через резистор в нем выделяется тепловая энергия, прямо пропорциональная квадрату тока, сопротивлению резистора и времени протекания тока:

.

При постоянном токе .