Раздел 1. Основы электротехники

Глава 1. Линейные электрические цепи постоянного тока

1.1. Основные понятия и определения

Электрической цепью называют совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи, преобразования и использования электрической энергии. В общем  это понятие собирательное. Оно охватывает совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении.

Все электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три основные группы:

1. Источники электрической энергии (ИЭЭ), т. е. электротехнические устройства, в которых происходит преобразование первичной, не электрической энергии, в электрическую (химические элементы, термоэлементы, фотоэлементы, генераторы);

2. Приемники электрической энергии, т. е. электротехнические устройства, в которых электрическая энергия преобразуется в иной, обходимый для достижения цели, вид энергии (электродвигатели, электропечи, электролитические ванны, электромагнитные механизмы, излучатели, электролампы и т. п.); иногда вместо термина «приемники» употребляют равнозначные термины «потребители» или «нагрузка»;

3. Линии передачи электрической энергии, которые связывают источники и приёмники.

4. Преобразователи энергии, которые включают в себя трансформаторы, выпр­ямители, а также различную коммутационную аппаратуру (выключатели, релейно-контакторные элементы автоматики и т.П.).

Электрическая цепь состоит из отдельных устройств – элементов электрической цепи.

Графическое изображение электрической цепи, содержащее ус­ловные обозначения ее элементов и показывающее соединения этих элементов, называют схемой электрической цепи.

Участок электрической цепи, по которому проходит один и тот же ток, называют ветвью. Место соединения трех и более ветвей электрической цепи называют узлом. Любой замкнутый путь, включающий в себя несколько ветвей, называют контуром электрической цепи или схемы.

Любая электрическая цепь характеризуются током, электродвижущей силой и напряжением.

1.2. Электрический ток

Электрическим током проводимости называется упорядоченное движение свободных заряженных частиц под действием электрического поля.

Электрический ток, обусловленный направленным упорядоченным движением электронов, имеет место в проводниках первого рода (металле), в электронных и полупроводниковых приборах. В проводниках второго рода – электролитах (водные растворы солей, кислот и щелочей) – электрический ток обусловлен движением положительных и отрицательных ионов, упорядоченно передвигающихся под действием приложенного поля.

Электрический ток можно наблюдать и в ионизированном газе (в результате ионизации молекул газа возникают свободные носители заряда: электроны и ионы, обеспечивающие ток).

В большинстве случаев причиной упорядоченного движения электрических зарядов является электрическое поле. При отсутствии электрического поля свободные электрические заряды совершают тепловое, беспорядочное движение, в результате чего количество электричества, протекающего через любое сечение S проводника, в среднем равно нулю.

Для количественной оценки электрического тока служит величина называемая силой тока.

Сила тока численно равна количеству электричества q, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени t:

. (1.1)

Таким образом, сила тока характеризует расход электричества в единицу времени через данное сечение электрической цепи. В дальнейшим наряду с термином «сила тока» будем применять термин «ток». Очевидно, что величина тока определяется как упорядоченной скоростью носителей заряда (например, электронов), так и их плотностью.

Единицей силы токав Международной системе единиц измерения (СИ)является ампер (А).

Сила тока равна одному амперу, если через поперечное сечение проводника за одну секунду протекает электрический заряд в один кулон:1 А = 1 Кл/1 с.

Ток, неизменный во времени по величине и направлению, называют постоянным током. Постоянный ток обозначается символом I:

. (1.2)

За положительное направление тока принимают направление, в котором перемещаются положительные заряды, т.е. направление, противоположное движению электронов.

Наряду с силой тока весьма важное значение имеет плотность тока . По определению она равна количеству электричества, протекающего в 1 с через единицу перпендикулярного к току сечения проводника. В однородном проводнике ток равномерно распределяется по сечению, так что

. (1.3)

Плотность тока позволяет охарактеризовать проводник с точки зрения способности выдерживать ту или иную нагрузку.