Зм 1. Електричні кола постійного струму

1.1. Елементи і режими роботи електричних кіл.

Впорядкований рух заряджених частинок в провіднику під дією електричного поля називається електричним струмом.

Для виникнення струму необхідне замкнуте електричне коло і джерело електрорушійної сили (ЕРС).

В електричних колах як постійного, так і змінного струму при будь-яких можливих режимах одночасно відбувається неперервний процес утворення електричної енергії і перетворення її в інші види енергії.

Електричне коло в загальному випадку включає такі елементи:

• Джерела електричної енергії – генератори, джерела живлення.

• Приймачі, що перетворюють електроенергію в інші види енергії.

• Засоби, що з’єднують джерела енергії і приймачі.

Графічне зображення кола називається електричною схемою.

Для електричної схеми існують поняття вузла, вітки і контуру.

• Вузол – точка з’єднання трьох або більше елементів кола. Іноді вводиться поняття умовного вузла, в якому з’єднуються два елементи електричного кола.

• Вітка – ділянка кола між двома вузлами.

• Контур – замкнутий шлях обходу віток.

Позначення деяких елементів електричних кіл на схемах:

– позначення ідеального джерела електрорушійної сили;

– позначення ідеального джерела струму;

– позначення гальванічного або акумуляторного елемента;

– позначення плавкого запобіжника;

– загальне позначення резистора (активного опору);

– нелінійний опір;

– позначення індуктивності (котушки індуктивності);

– позначення ємності (конденсатора);

– позначення вузла та умовного вузла;

– позначення затискача (клеми).

Умовні графічні позначення інших елементів кіл будуть наводитись при їх згадуванні.

Зауважимо, що такі елементи як індуктивність і ємність виявляють свою дію лише на змінному струмі.

Електричні кола можуть бути простими і складними. До простих відносяться кола з одним джерелом живлення (або кількома джерелами в одній вітці); до складних – кола з двома або більше джерелами живлення в різних вітках.

Н айпростіше коло складається з джерела електроенергії з ЕРС Е, приймача електричної енергії або кажуть навантаження з опором R та з’єднувальних проводів (рис. 1.1). Частина кола, що включає з’єднувальні проводи і навантаження є зовнішнім колом джерела.

Під дією електрорушійної сили Е в замкнутому колі виникає і підтримується направлений рух електричних зарядів – електричний струм І.

Величина струму І визначається кількістю електричних зарядів, що проходять через поперечний переріз провідника за одиницю часу (одну секунду). Якщо величина струму в часі не змінюється, то , де Q – кількість електричних зарядів, що проходить за t секунд.

Одиницею виміру електричного струму є ампер.

.

Якщо величина струму непостійна і змінюється в часі, величина струму визначається в диференційній формі і мова йтиме про миттєве значення струму

.

В металевих провідниках електричним струмом є рух негативних зарядів – електронів. В інших випадках (наприклад, електролітах) електричний струм здійснюється переміщенням і негативних, і позитивних зарядів в протилежних напрямках.

Рух позитивних зарядів в одному напрямку рівноцінний переміщенню негативних зарядів в протилежному напрямку.

Для визначеності за позитивний напрямок струму в провідниках умовно вважають напрямок руху позитивних зарядів.

Таким чином, напрямок струму характеризується знаком струму. Поняття позитивний струм або від’ємний струм має сенс, тільки якщо порівнювати напрямок струму у провіднику із деяким заздалегідь вибраним орієнтиром – так званим додатним напрямком. Додатний напрямок струму обирається довільно і вказується на схемі стрілкою. Якщо в результаті розрахунку струму, виконаному із урахуванням обраного додатного напрямку, величина струму матиме знак плюс (і > 0), то це означає, що його напрямок співпадає із обраним додатним напрямком. Інакше, коли величина струму від’ємна (i < 0), він направлений протилежно. Тому, обраний для струму додатний напрямок сам по собі не означає напрямок, в якому рухаються електричні заряди; він тільки надає певний сенс знаку струму.

В середині джерела електрорушійної сили на переміщення електричних зарядів витрачається певна енергія.

Відношення роботи А, що здійснюється зовнішніми силами (силами неелектричного походження) при переносі позитивно зарядженої частинки всередині джерела до її заряду Q називається електрорушійною силою (ЕРС) джерела енергії – .

Якщо Q = 1 Кл, то Е = А, тобто ЕРС чисельно дорівнює роботі, що здійснюється зовнішніми силами при переносі одиниці заряду через джерело на ділянці АВ (див. рис. 1.1). ЕРС визначається у вольтах:

.

Дією електрорушійної сили джерела забезпечується певна різниця потенціалів на його клемах. Клема з більш високим потенціалом називається позитивною (додатною) і позначається знаком « + ». Клема з нижчим потенціалом називається негативною (від’ємною) і позначається знаком « – ». Іншими словами клема « + » має більше вільних позитивних зарядів або менше від’ємних, а клема « – » має менше позитивних або більше від’ємних зарядів.

У зовнішньому колі струм направлений від клеми « + » до клеми « – », тобто від точки з вищим потенціалом до точки з нижчим потенціалом.

В джерелі напрямок струму збігається з напрямком ЕРС – від клеми « – » до клеми « + ».

Проходження електричного струму в колі пов’язане з втратою енергії. Ця енергія постачається в коло джерелом і перетворюється в колі в тепло.

Елемент кола, в якому відбувається необоротний процес перетворення електроенергії в теплову називається електричним активним (омічним) опором або резистором R.

Р озглянемо ділянку кола 1 – 2 (рис. 1.2).

Проходження струму на ділянці зумовлене різницею вищого і нижчого потенціалів U =  ₁ –  ₂ на його кінцях або прикладеною напругою U на ділянці.

Далі буде використовуватись таке узгодження: додатний (позитивний) напрямок напруги приймається від точки 2 з нижчим потенціалом до точки 1 з вищим потенціалом, тобто протилежно напрямку струму на цій ділянці кола. В розрахунках додатний напрямок напруги на схемах позначається стрілкою, що вказує на точку із вищим потенціалом.

Напругу на ділянці кола називають падінням напруги.

Напруга вимірюється як і ЕРС в вольтах – «В».

Додатними напрямками струмів і напруг користуються при дослідженні процесів, що відбуваються в електричних пристроях, і розрахунку електричних кіл.

Оскільки напрямок струму (в розумінні напрямку руху) умовний, то слід сприймати використовувані в подальшому фрази «струм протікає», «струм проходить» фігурально.

Основні електроенергетичні співвідношення для ділянки кола встановлені законами Ома і Джоуля–Ленца.