Электрическое напряжение

Основные понятия теории электрических цепей

Электрическая цепь

Электрической цепью называется совокупность элементов и устройств, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий: электрический ток и электрическое напряжение.

Устройства и элементы электрической цепи делятся на две группы: источники и приемники электрической энергии.

Источники электрической энергии представляют собой элементы и устройства, в которых происходит преобразование неэлектрических видов энергии (химической, тепловой, механической и др.) в электрическую энергию, например, гальванические элементы, аккумуляторы, механические электрогенераторы, солнечные батареи и т.п.

Приемники электрической энергии (нагрузки) представляют собой устройства и элементы, в которых происходит преобразование электрической энергии в другие виды энергии или запасание энергии, например, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, транзисторы, интегральные микросхемы и пр.

Элементы электрической цепи соединяют между собой с помощью вспомогательных элементов, к которым относятся: провода, переключатели, разъемы и пр. Для подключения к цепи каждый элемент или устройство имеет внешние выводы, называемые также зажимами, клеммами, полюсами и т. п.

Электрическая цепь, имеющая два вывода, называется двухполюсником (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности), три вывода — трёхполюсником (транзисторы), четыре вывода — четырехполюсником и т.д.

При анализе реальных цепей её элементы и устройства обычно заменяют их идеализированными или эквивалентными моделями. Цепь, полученная в результате такой замены, называется эквивалентной схемой или схемой замещения.

Электрический ток

Электрический ток— это направленное движение свободных носителей электрического заряда в проводящей среде. В металлах носителями заряда являются электроны, в жидкостях и газах — положительные и отрицательные ионы и т. п..

За направление электрического тока принимают направление, в котором перемещаются положительные заряды. При расчете электрических цепей направление тока выбирается произвольно и считается условно положительным. На рис. 1.1 выбранное направление тока на схеме указано стрелкой на проводнике.

Если значение тока, найденное в результате расчета, является положительным, то это означает, что действительное направление тока совпадает с условно положительным направлением. Если найденное значение тока является отрицательным, то это означает, что действительное направление тока противоположно условно положительному направлению.

Постоянный ток представляет собой ток, не изменяющейся во времени, и определяется как заряда, прошедший через поперечное сечение проводника, за одну секунду

.

Переменный ток представляет собой ток, изменяющейся во времени, и определяется как скорость изменения электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника,

. (1.1)

В Международной системе единиц СИ ток измеряется в амперах (А), заряд — в кулонах (Кл), а время — в секундах (с), то есть [А = Кл/с].

Электрическое напряжение

Известно, что на заряд, помещенный в электрическое поле, действует сила, значение и направление которой определяются напряженностью электрического поля, величиной заряда и его знаком. Работа, совершаемая силами электрического поля по переносу свободного единичного положительного заряда (один кулон) из некоторой точки поля в бесконечность, называется электрическим потенциалом jэтой точки. Такая работа совершается за счет энергии электрического поля.

Электрическим напряжением между двумя точками и электрического поля называется работа, совершаемая этим полем по перемещению единичного положительного заряда из точки в точку и равная разности потенциалов этих точек

.

Обычно за направление напряжения принимают направление, в котором перемещаются положительные заряды под действием электрического поля, то есть направление от точки цепи с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом. Тогда на участках цепи, не содержащих источников электрической энергии, направление напряжения и тока совпадают. Напряжение на участке электрической цепи будем обозначать стрелкой, расположенной рядом с этим участком (рис. 1.2).