1.1. Краткие теоретические положения и примеры выполнения отдельных этапов задания 1.1

1.1.1. Основные определения. Электрическая цепь  это совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического то­ка, электромагнитные процессы в которых могут быть опи­саны с по­мощью по­нятий об электродвижущей силе, электрическом то­­ке и электрическом напряжении.

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

(1.1)

Из выражения (1.1) получают едини­цу тока

[I] = [q]/[t] = Кл/c = Ac /c = A (ампер).

Постоянный электрический ток (в дальнейшем, ток) – это неизмен­ное и однонаправленное движение заряжен­ных частиц (зарядов). При постоянном токе в течение каждого одинакового про­межутка времени t переносится одинако­вый заряд q. Поэтому ток где q  весь заряд (Кл) за время t (с).

Условное положительное направление тока (во внешней от источника энергии) цепи) противоположно направлению дви­­жения потока электронов (элек­­трон – частица, обладающая наименьшим отрицательным зарядом (q_e = 1,60210^19 Кл, тогда 1 Кл = 6,2410¹⁸ электронов), т.е. он протекает от точ­ки а с большим потен­ци­алом к точке b с меньшим потенциалом, вы­зывая падение напря­жения (в дальнейшем, напряжение) на сопро­тив­лении этого участка

U_ab = _а – _b. (1.2)

Электрическое напряжение – это работа, затрачиваемая на перенос единицы заряда (1 Кл) из точки а в точку b электрического поля по произволь­ному пути. Однозначно определяют только разность потенциалов (напряже­ние) между соответству­ю­щи­ми точками. Когда говорят о потенциале точки элек­трической цепи, то подразумевают разность потенциалов между этой точкой и другой (обычно зазем­лён­ной), потенциал которой приравнивают к нулю.

Электродвижущая сила E (в даль­нейшем, ЭДС E в вольтах) источника энергии численно равна работе (энергии) W в джоулях (Дж), за­тра­чи­­ваемой сторонним и индуктированным электрическими полями на перемещение единицы заряда (1 Кл) из одной точки поля в другую.

1.1.2. Состав электрической цепи. Любая электрическая цепь состоит из следующих элементов:

 источников энергии (активных элементов), преобразующих различные виды энергии в электрическую. Это генераторы электрических стан­­ций, аккумуля­торные и солнечные батареи, термопары и др.;

 приёмников электрической энергии (пассивных элементов), в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды: тепловую (нагревательные элементы), механическую (электрические двигатели), световую (люминесцентные лампы), химическую (гальванические ванны) и др.;

 вспомогательных элементов (проводов, выключателей, предохранителей, ре­­зи­стивных регуляторов тока, измерительных приборов, разъёмов и др.).

Электрические цепи принято изображать в виде электрических схем: принципиальных, монтажных, схем замещения и др. Схема электрической цепи – это её графическое изображение, содержащее условные обозначения элементов цепи и показываю­щее соединения этих элементов.

При анализе электрических цепей их заменяют схемами замещения. Схема замещения электрической цепи – это её расчётно-математическая модель, содержащая иде­альные пассивные (резистивные, индуктивные и ёмкостные) и активные (источники напряжения и источники тока) элементы. Элементом электрической цепи на­зывают отдельное устройство, вы­пол­няющее в цепи определённую фун­к­­цию Эти элементы являются эквивалентами (моделями) реальных устройств цепи, которым теоретически припи­сывают опре­де­лён­ные электрические и магнитные свой­ства, отражающие главные (доми­ни­ру­ющие) процессы в элементах цепи.

Пассивными называют элементы электрической цепи, которые не способны генериро­вать элек­три­че­скую энергию. К пассивным элементам относят резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы (табл. 1.1.1).

Резистор – это пассивный элемент элек­­­трической цепи, предназна­чен­ный для ис­пользования его электрического сопротивления R. Резистор не мо­жет на­капливать энергию: полученная им электрическая энергия необратимо преобразовывается в нём в тепло­вую энергию.

Т а б л и ц а 1.1.1. Пассивные элементы цепей и их характеристики

Пассивный элемент	Условное графическое обозначение	Основной параметр	Единица измерения	Уравнения элемента
Резистор		Сопротив- ление R	Ом (кОм, МОм)	, Ом , В , Вт
Индуктивная катушка		Индуктивность L	Гн (мГн, мкГн, нГн)	uL  – eL = или iL =
Конденсатор		Емкость С	Ф (мФ, мкФ, нФ, пФ)	или

Индуктивная катушка – это пассивный элемент цепи, предназначен­ный для ис­­пользования его собственной индуктивности L иили его магнитного поля. При нара­стании тока в индуктивной катушке происходит преобразо­вание электрической энергии в магнитную и её накопление в магнитном поле катушки, а при убывании тока – обратное преобразование энергии магнитного поля в электрическую энергию, возвращаемую источнику.

Конденсатор – это пассивный эле­­мент цепи, предназначенный для ис­­­поль­зования его электрической ёмкости С. При нарастании напряжения на зажимах конден­сатора в нём происходит преобразование электрической энергии внешнего источника в энергию электрического поля за счёт накоп­ле­ния зарядов противоположных знаков на двух его электродах (пластинах). При уменьшении напряжения происхо­дит обратное преоб­разова­ние энергии электрического поля в электри­ческую энергию, воз­вращаемую источнику.

Активные элементы  это источники электрической энергии (аккумуляторы, генераторы и др.). Различают: источники напряжения (ИН) и источники тока (ИТ) в зависимости от их внутреннего сопротивления (табл. 1.1.2). В источнике напряжения внутреннее сопротивление R_вт значительно меньше сопротивления R нагрузки (в идеальном ИН R_вт = 0), а в источнике тока R_вт значительно больше сопротивления R нагрузки (в идеальном ИТ R_вт = ), а проводимость (в сименсах)

G_вт = 1/R_вт << G = 1/R.

Т а б л и ц а 1.1.2. Активные элементы цепей и их характеристики

Активный элемент	Схема источника энергии и его график внешней характеристики (ВАХ) U = f(I)	Уравнение ВАХ
Источник напряжения (ИН)		В,
Источник тока (ИТ)		, J – ток ИТ, Gвт = 1/Rвт
П р и м е ч а н и е: 1 – ВАХ идеализированных источников энергии; 2 – ВАХ реальных источников; 3 – ВАХ идеальных источников энергии