2.3. 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 Е, создаваемого в проводнике длиной l источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) и дополнительно перемещаются в одном направлении (вдоль проводника на рис. 2.3).
Рис. 2.3
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. Это направление показано стрелкой на рис. 2.3.
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 — без-вихревое). Она вычисляется вдоль любых участков цепи, не содержащих ЭДС источников.
Постоянное напряжение для участка проводника (см. рис. 2.3)
где F = qE — сила, которая действовала бы на положительный заряд q в однородном постоянном электрическом поле с напряженностью Е;
- работа сил электрического поля при
перемещении положительного заряда
вдоль участка проводника;
- φа и φь — потенциалы однородного постоянного электрического поля в поперечных сечениях а и b участка проводника.
Основная единица напряжения в 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. 2.4) 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.
Рис. 2.4.
Положительное направление напряжения на элементе схемы цепи 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. 2.4.
Если выводы элемента обозначены (например, а и b на рис. 2.4) и стрелка направлена от вывода а к выводу b, то положительное направление означает, что определяется напряжение U=Uab .
Аналогичное обозначение можно принять и для тока. Например, обозначение Iab указывает положительное направление тока в элементе цепи или схемы от вывода а к выводу b.