Общая электротехника и электроника. Электрическая цепь. Электрический ток. Напряжение.

Электрическая цепь – совокупность объектов и устройств, служащих для получения и преобразования электрической энергии, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, напряжении и ЭДС.

В общем случае, электрическая цепь состоит из источников, приемников электрической энергии и вспомогательных элементов.

В источниках электрической энергии какой-либо вид энергии преобразуется в электрическую энергию. В приемниках – обратное преобразование.

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.

Для количественной характеристики тока вводится понятие силы тока:

1. Это заряд, проходящий через некоторую поверхность в единицу времени.

2. Это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Единицей силы тока является ампер – основная единица. [i] = А.

Важное значение имеет направление тока. За направление тока принимается направление движения «+» зарядов (в сторону, противоположную движению «-» зарядов). Направление тока характеризует знак тока или наоборот.

Для того, чтобы задать знак тока, необходимо задать условно положительное направление тока. Если ток течет от точки 1 к точке 2, то i>0, если наоборот, то i<0.

В общем случае электрический ток является функцией времени, поэтому вводится понятие мгновенного значения тока, т. е. значения тока в данный момент времени.

Мгновенное значение тока (других величин) принято обозначать строчными буквами:

i – мгновенное значение тока; I – постоянный ток.

П остоянный электрический ток – ток, не изменяющийся ни по величине, ни по направлению.

П ульсирующий ток – ток, изменяющийся по величине, но не изменяющийся по направлению.

Переменный ток – ток, изменяющийся по величине и по направлению.

Напряжение на участке цепи – разность потенциалов на его концах. ; [U] = В.

Разность потенциалов (напряжение) – работа, которую совершают кулоновские силы по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

Напряжение – величина скалярная: U > 0 => φ1 > φ2, U < 0 => φ1 < φ2.

Для того, чтобы придать смысл знаку напряжения, вводится условно положительное направление напряжения. На схемах его обозначают стрелкой.

В электротехнике условно «+» направление тока всегда совпадает с условно «+» значением напряжения. i₁₂ = -i₂₁; U₁₂ = -U₂₁.

Идеализированные элементы электрической цепи.

При расчете электрических цепей реальные элементы (резисторы, конденсаторы, транзисторы, трансформаторы и т. д.) заменяются так называемыми эквивалентными схемами замещения (математическими моделями). В схемах замещения используются идеализированные элементы (реально в природе их нет).

Идеализированные элементы:

1. Пассивные – такие элементы, напряжение на которых существует только при протекании тока через эти элементы.

2. Активные – источники электрической энергии.

Существуют 3 пассивных идеализированных элемента: сопротивление, индуктивность и емкость.

В свою очередь идеализированные элементы делятся на линейные и нелинейные.

С опротивление – идеализированный элемент, приближенно заменяющий резистор, в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепло. При этом ; [R] = Ом; ; σ – проводимость.

; ρ – удельное сопротивление.

- связь между мгновенными

значениями I и U. R – параметр сопротивления.

Если R не зависит от тока напряжения (R=const), то говорят о линейном сопротивлении.

- закон Джоуля-Ленца.

Индуктивность – идеализированный элемент, приближенно заменяющий катушку индуктивности, в котором накапливается энергия магнитного поля.

, где ψ – потокосцепление самоиндукции. [L]=Гн.

, где ω – число витков в катушке, μ₀ – магнитная постоянная = 4π*10^-7 Гн/м, μ – магнитная проницаемость материала, заполняющего соленоид, S – площадь сечения, l – длина.

Если L не зависит от тока, то индуктивность будет линейная.

Линейная индуктивность встречается редко. - энергия магнитного поля.

Емкость – идеализированный элемент, приближенно заменяющий конденсатор, в котором может накапливаться энергия электрического поля.

; [C]=Ф. Если емкость не зависит от напряжения и тока, то это линейная емкость. - емкость плоского конденсатора.

ε₀ – электрическая постоянная = 8,85*10^-12 Ф/м.

- энергия электрического поля.

В теории электрических цепей используются 2 активных элемента:

1. Идеальный источник ЭДС.

2. Идеальный источник тока.

Идеальный источник ЭДС – активный элемент с 2 выводами, напряжение на выводах которого не зависит от тока через элемент. [E]=В.

Упорядоченное движение положительных зарядов от вывода с меньшим потенциалом к выводу с большим потенциалом происходит с помощью сторонних сил. Работа сторонних сил по перемещению единичного «+» заряда от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом внутри источника называется ЭДС источника.

И деальный источник тока – активный элемент, ток через который не зависит от напряжения на его зажимах.

Идеальных источников тока и ЭДС в природе не существует, так как эти источники должны обладать бесконечной мощностью.

Р еальные источники заменяются 2 эквивалентными схемами замещения с источником ЭДС и источником тока, в котором соответствующим образом подключается сопротивление Rв.