1.1. Ток, напряжение, мощность

 

Понятия электрического тока и напряжения являются одними из основных в теории электрических цепей. Электрический ток в проводящей среде есть упорядоченное движение электрических за­рядов под воздействием электрического поля (ток проводимости в металлах, электролитах, газах; ток переноса в электровакуумных

приборах и др.).

Количественно электрический ток в каждый момент времени характеризуется скалярной величиной i = i (t) — мгновенным зна­чением тока, характеризующим скорость изменения заряда qво времени:

где Δq — электрический заряд, прошедший за время Δt через по­перечное сечение проводника. В системе СИ заряд измеряется в кулонах (Кл), время — в секундах (с), ток — в амперах (А). В дальнейшем для краткости электрические токи и напряжения бу­дем просто называть токами и напряжениями.

В соответствии с приведенным выше определением понятие «ток» может использоваться в двух смыслах: ток как физический процесс и ток как количественная характеристика (вместо «силы

тока»).

Как функция времени ток i (t) может принимать положительные и отрицательные значения. Принято считать значение тока i (t) по­ложительным, если движение положительно заряженных частиц совпадает с заранее выбранным направлением отсчета тока и отри­цательным — в противном случае. Выбор направления отсчета тока

произволен, положительное направление отсчета тока показывается стрелкой (рис. 1.1).

Электрическое напряжение между двумя точками электричес­кой цепи определяется количеством энергии, затрачиваемой на пе­ремещение единичного заряда из одной точки в другую:

где W — энергия электрического поля. Единица измерения напря­жения в системе СИ — вольт (В), энергии — джоуль (Дж).

В потенциальном электрическом поле напряжение между двумя точками совпадает по значению с разностью потенциалов между ними. Например, напряжение между точками а и b цепи, по­казанной на рис. 1.1, б,

где V_a и Vb — потенциалы точек а и b.

Значение напряжения в любой заданный момент t называется мгновенным и обозначается и = и (t). Являясь скалярной величи­ной, u(t) может принимать как положительные, так и отрицатель­ные значения. Для однозначного определения знака напряжения выбирают положительное направление его отсчета, которое пока­зывается стрелкой (рис. 1.1, б), направленной от одной точки электрической цепи к другой. Для определенности будем считать, что положительное направление отсчета совпадает с направлением стрелки от более высокого потенциала, т. е. «+», к более низкому, т. е. «—» (рис. 1.1, б). При этом положительные направления от­счета напряжения и тока будут между собой согласованы, так как положительное направление отсчета напряжения и₍,ь соответствует направлению перемещения положительно заряженных частиц от более высокого потенциала V_a(+) к более низкому V_b(-). Очевид­но, что u_ab = —u_ba.Применительно к напряжению на участке цепи, по которому протекает ток, часто используют термин «падение на­пряжения».

Электрическая энергия, затраченная на перемещение единич­ного положительного заряда между двумя точками участка цепи с напряжением и (разностью потенциалов) к моменту времени t оп­ределится согласно (1.1) и (1.2) уравнением

где принято W=0 при t = — ∞.

Производная энергии по времени определяет мгновенную мощ­ность, потребляемую элементами, входящими в участок цепи:

Мощность измеряется в ваттах (Вт). Знак мощности р определя­ется знаком напряжения и тока. Если р>0, мощность потребляется элементами участка цепи, а при р<0 — отдается.

По характеру изменения во времени различают постоянные, гармонические, периодические несинусоидальные, непериодические токи и. напряжения. В ряде случаев (например, в цепях с распре­деленными параметрами) токи и напряжения могут быть не только функциями времени, но и функциями пространственных коор­динат. В технике связи токи и напряжения как материальные но­сители сообщений называют сигналами.