1.3. Положительные направления токов и напряжений

Согласно электронной теории электропроводности валентные электроны в металлах легко отделяются от атомов, которые становятся положительными ионами. Ионы образуют в твердом теле кристаллическую решетку с пространственной периодичностью. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решетки между атомами (тепловое движение), сталкиваясь с ними.

Под действием продольного электрического поля напряженностью E, создаваемого в проводнике длиной J источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) и дополнительно перемещаются в одном направлении (вдоль проводника на рис. 1.4).

В общем случае постоянный ток в проводящей среде представляет собой упорядоченное движение положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля, например в электролитах и газах движутся навстречу друг другу ионы с положительными и отрицательными зарядами. Так как направления движения положительных и отрицательных зарядов противоположны, то необходимо договориться о том, движение каких зарядов следует считать направлением тока. Принято считать направлением тока I направление движения положительных зарядов, т.е. направление, обратное направлению движения электронов в проводнике под действием электрического поля (рис. 1.4). Это направление показано стрелкой.

Постоянный ток I = |Q|/t, где t — время равномерного перемещения суммарного заряда | Q | через поперечное сечение рассматриваемого участка цепи.

Основная единица тока в международной системе единиц (СИ) — ампер (А)*, заряда — кулон (Кл).

Напряжением называется скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности электрического поля. Разность потенциалов — напряжение в безвихревом электрическом поле, в котором напряжение не зависит от пути интегрирования. (Электрическое поле цепи постоянного тока — безвихревое.) Она вычисляется вдоль любых участков цепи, не содержащих ЭДС источников.

Постоянное напряжение для участка проводника (рис. 1.4)

ФОРМУЛА СО СТРАНИЦЫ 7

-----------------------------------------

*При постоянном токе 1 А в двух параллельных прямолинейных проводниках бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного кругового сечения, расположенных на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, сила их взаимодействия равна 2 • 10^-7 Н/м (ньютон на метр).

----------------------------------------

или

(ФОРМУЛА СТР 8)

где F=qE — сила, которая действовала бы на положительный заряд q в однородном постоянном электрическом поле с напряженностью E;

(ФОРМУЛА СТР 8)

— работа электрического поля при перемещении положительного заряда вдоль участка проводника; ja и jb — потенциалы однородного постоянного электрического поля в поперечных сечениях a и b участка проводника.

Основная единица напряжения в системе СИ — вольт (В), напряженности электрического поля — вольт на метр (В/м).

При расчете цепи действительные направления токов в ее элементах в общем случае заранее не известны. Поэтому необходимо предварительно выбрать условные положительные или, короче, положительные направления токов во всех элементах цепи.

Положительное направление тока в элементе (с сопротивлением r на рис. 1.5) или в ветви выбирается произвольно и указывается стрелкой. Если при выбранных положительных направлениях токов в результате расчета режима работы цепи ток в данном элементе получится положительным, т. е. имеет положительное значение, то действительное направление тока совпадает с выбранным положительным. В противном случае действительное направление противоположно выбранному положительному.

Положительное направление напряжения на элементе схемы цепи (рис. 1.5) также может быть выбрано произвольно и указывается стрелкой, но для участков цепи, не содержащих источников энергии рекомендуется выбирать его совпадающим с положительным направлением тока, как на рис. 1.5.

Если выводы элемента обозначены (например, а и b на рис. 1.5) и стрелка направлена от вывода a к выводу b, то положительное направление означает, что определяется напряжение

U=U_ab.

Аналогичное обозначение можно принять и для тока. Например, обозначение I_ab указывает положительное направление тока в элементе цепи или схемы от вывода a к выводу b.