2. Основные понятия и определения
Для анализа и синтеза электрических цепей вводят понятия:
Электрический ток (I) – направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. Измеряется в Амперах [A].
Для получения направленного непрерывного движения носителей электрических зарядов необходимо создать электрическую цепь, состоящую из источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой проводниками [2; 4].
Электрическая цепь – представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих генерирование, передачу и использование электрической энергии.
Электрическая схема – графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения её элементов и способы их соединения.
Графическое изображение электрической цепи с помощью условных знаков представлено на схеме (рис. 1.1) [3]:
Рис. 1.1. Графическое изображение электрической цепи, где: I – постоянный ток, Е – ЭДС источника электрической энергии, R – сопротивление нагрузки (приемника), R0 – внутреннее сопротивление источника, U – напряжение, приложенное к нагрузке [2; 4].
Элементы электрической цепи – отдельные устройства, составляющие электрическую цепь.
Контур электрической цепи – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.
Ветвь электрической цепи – участок, состоящий только из последовательно включённых источников ЭДС (электродвижущей силы) и приёмников с одним и тем же током.
Узел цепи или схемы – это точка, в которой соединены 3 или более ветвей.
Источники электрической энергии – элементы электрической цепи, генерирующие электрическую энергию (источник энергии, источник питания, источник ЭДС). |
|
Электродвижущая сила (ЭДС) (Е) – скалярная физическая величина, характеризующая работу сил неэлектрического происхождения, действующих в цепях постоянного или переменного тока (величина работы, затрачиваемой на перемещение единицы положительного заряда от «-» к зажиму «+»). ЭДС измеряется в вольтах [В].
Источник ЭДС – это источник электрической энергии, характеризирующийся электродвижущей силой (E) и внутренним электрическим сопротивлением (Rвн).
Идеальный источник ЭДС – характеризуется нулевым внутренним сопротивлением Rвн = 0. Напряжение между выводами идеального источника ЭДС не зависит от тока, а его внешняя характеристика определяется выражением (1.1) [1, ст. 10]:
U = Е = const; (1.1)
Источник тока – источник электрической энергии, с большим внутренним сопротивлением.
Реальный источник тока – устройство, которое лишь старается поддерживать в цепи, к которой он подключен, ток заданного уровня, пока это позволяют его возможности (максимальный выходной ток и напряжение) [1, ст. 11].
У реальных источников внутреннее сопротивление имеет конечное значение. Если сопротивление нагрузки R стремится к бесконечности, то максимальное напряжение на выводах источника тока будет (1.2) [1, ст. 11]:
; (1.2)
Необходимо отметить, что эквивалентное внутреннее сопротивление источника тока подключается параллельно, а у источника ЭДС – последовательно с нагрузкой [1, ст. 11].
Приемники электрической энергии – элементы, потребляющие электроэнергию (потребители) [3].
Напряжение (U) – разности потенциалов на участке цепи (1.3):
Uab = Δφ = φa - φb; (1.3)
Для замкнутой цепи напряжение считают равным ЭДС источника тока: U=Е. Как и ЭДС, напряжение измеряется в Вольтах [B].
Сопротивление (R) – физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току и измеряется в Омах [Ом].
При последовательном соединении эквивалентное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений элементов, входящих в цепь (1.4):
; (1.4)
При параллельном соединении в расчётах удобнее использовать понятие проводимости.
Проводимость (G) – величина, обратная сопротивлению и измеряется в Сименсах [См] (1.5):
или
; (1.5)
Для количественного описания электрического тока используются две основные величины: сила и плотность тока.
Сила тока (I) в проводнике равна величине заряда (q), проходящего в единицу времени t через полное его сечение (1.6) [3, ст. 11-12]:
; (1.6)
Плотность тока (j) по абсолютной величине равна величине заряда, проходящего в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению движения зарядов.
Плотность тока – это вектор, направление которого совпадает с направлением скорости движения заряженных частиц. Если выделить внутри проводника бесконечно малую площадь dS, перпендикулярную к вектору плотности тока (j), то величина заряда, проходящего через нее за время dt, будет равна (1.7) [3, ст. 11-12]:
; (1.7)
В свою очередь, сила тока (I) и плотность тока (j) связаны соотношением (1.8):
; (1.8)
Плотность тока измеряется в амперах на квадратный метр [А/м2].
Постоянный электрический ток – ток, величина и направление которого не изменяется с течением времени [1, ст. 4].
Постоянный ток широко используется в технике: подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток. Любое портативное устройство питается от источника постоянного тока. Большинство приборов, таких как модем или зарядное устройство для мобильного, работают на постоянном токе.
Постоянный ток применяется в электролизе (разложение вещества на составные части при прохождении через его раствор эл. тока): на установках промышленного электролиза из растворов или расплавов солей получают алюминий, магний, натрий, калий, никель, медь, хлор и другие вещества.
Постоянный ток применяется в гальванизации и гальванопластике: на электропроводящей поверхности какого-нибудь предмета электрохимическим путём осаждается защитное или декоративное металлическое покрытие, например, бронзовый корпус наручных часов покрывается тонким слоем золота.
Постоянный ток в ряде случаев используется при сварочных работах: (электрическая дуговая или электрогазовая сварка), например, сварить деталь из нержавеющей стали специальным сварочным электродом можно только постоянным током.
В некоторых устройствах постоянный ток преобразуется в переменный ток преобразователями (инверторами), например, в компьютерных бесперебойных блоках питания при работе в автономном режиме.
Так же, постоянный ток используется в медицине (электрофорез).