Электрическое напряжение

Основные понятия и законы теории

Электрических цепей

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ, ОПИСАНИЕ ЕЕ СОСТОЯНИЯ

Понятие электрической цепи

Электрическая цепь - это совокупность источников, приемников и преобразователей электрической энергии, связанных вместе соединительными проводами и линиями передачи электроэнергии.

Комментарий. Электрическая цепь - это техническая система. Ее основные части: 1) источники электрической энергии (например, электрические машины-генераторы, электрические батареи, аккумуляторы); 2) приемники электрической энергии (электродвигатели, осветительные и нагревательные приборы, устройства отображения информации); 3) преобразователи электрической энергии (трансформаторы, выпрямители, усилители мощности, стабилизаторы и многие другие). Дополнительными элементами цепей являются соединительные провода и линии передачи электроэнергии, а также устройства управления.

Режим работы электрической цепи (любой процесс в цепи, состояние цепи в любой момент времени) характеризуется совокупностью значений электрического тока и электрического напряжения на устройствах (элементах), образующих эту цепь.

Аксиома. Электрический ток и электрическое напряжение являются исходными, или базовыми понятиями теории электрических цепей. Этих двух переменных величин достаточно для описания любых процессов, происходящих в цепях.

Комментарий к аксиоме. Исходные понятия любой теории нельзя объяснить через другие понятия этой теории. Объяснение становится возможным в рамках более общей науки. Например, понятия электрического тока и напряжения можно объяснить в теории электромагнетизма через понятия электрического заряда, массы, расстояния и времени. В теории электрических цепей можно допустить, что ток и напряжение - это физические величины, которые в любой допустимой ситуации могут быть измерены. Единицы и способ измерения выбираются по соображениям практической целесообразности. В дальнейшем предполагается, что существуют приборы, позволяющие измерять электрические токи и напряжения в любой момент времени (амперметры и вольтметры).

 

 

Электрический ток

Электрический ток – это упорядоченное движение электрических зарядов в указанном направлении. Сила электрического тока (или просто ток, как говорят специалисты) приравнивается величине электрического заряда (), проходящего через устройство в единицу времени ():

И 1.1

при постоянном токе,  при переменном токе.

 

Предостережение 1. Электрический ток – физическое явление, и одновременно электрический ток – количественная характеристика этого явления. В конкретном тексте нетрудно определить, в каком смысле употреблен термин ток.

Предостережение 2. Последние формулы для тока не являются определением электрического тока, потому что не сформулировано определение движущегося через устройство (по проводу) заряда . Эти формулы лишь поясняют связь между током и движением зарядов, дают дополнительную характеристику процесса движения зарядов.

Единица измерения тока ампер (А) – это одна из основных единиц Международной системы единиц (SI). Ампер определяется с помощью эталона, принятого в этой системе единиц.

В теории предполагается, что токи измеряются идеальным амперметром. Этот прибор, в какую бы цепь он ни был включен, не потребляет электрической энергии, поэтому он не влияет на токи, протекавшие в цепи до его включения.

В зависимости от направления движения зарядов через амперметр он может показывать положительный или отрицательный ток. Считается, что амперметр показывает положительное значение тока, если положительные заряды движутся в направлении от зажима, помеченного плюсом, к зажиму, помеченному минусом. Если зажимы амперметра, включенного в электрическую цепь, поменять местами, то его показание изменит знак (абсолютная величина тока не изменится).

Чтобы не загромождать схемы электрических цепей, нецелесообразно рисовать в них амперметры. Эквивалентом амперметра в схеме цепи является стрелка, показывающая направление тока (предполагаемое направление движения положительных зарядов). Соответствие между маркировкой зажимов амперметра и направлением тока () показано на рис. 1.1.

 

И 1.2

Изменение направления тока сопровождается изменением знака тока.

Рис. 1.1. Стрелка тока  - эквивалент амперметра

 

И 1.3

Идеальный амперметр обладает нулевым электрическим сопротивлением.

 

Он измеряет переменный ток в любой момент времени или среднее значение за любой промежуток времени в зависимости от того, что требуется в условии конкретной задачи.

 

 

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение между парой фиксированных точек () – это работа электрических сил, перемещающих заряды из одной точки в другую, причем эта работа (А) рассчитывается на единицу перемещаемого заряда (). Вольтметр, включенный между двумя точками электрической цепи, показывает, какую работу совершает единичный заряд при перемещении между этими точками:

 

И 1.4

при постоянном токе, при переменном токе.

Предостережение. Последние формулы не являются определением электрического напряжения из-за того, что не дано определение величины . Они лишь поясняют связь между зарядом, движущимся в электрическом поле, и совершаемой над ним работой.

Примечание. В сложной электрической цепи заряды могут перемещаться между точками подключения прибора по разным путям (том числе и через сам вольтметр). Но в любом случае над единичным зарядом совершается одна и та же работа. Если бы это условие не выполнялось, понятие электрического напряжения потеряло бы практическое значение. Независимость напряжения между двумя фиксированными точками электрической цепи от пути, соединяющего эти точки, учитывается вторым законом Кирхгофа (см. п.1.3.2).

В Международной системе единиц единица измерения напряжения вольт (В) выбрана так, чтобы при ее умножении на единицу заряда кулон (Кл) получалась единица работы джоуль (Дж): 1В ^. 1Кл=1Дж=1кг^.м²/с².

 

И 1.5

В теории электрических цепей единицы измерения всех физических величин можно выразить через единицы измерения базовых величин: ампер, вольт и секунду.

В зависимости от направления электрических сил между точками, к которым подключен вольтметр, его показание может быть положительным или отрицательным. Прибор показывает положительное значение напряжения, если положительные заряды движутся от зажима, помеченного плюсом, к зажиму, помеченному минусом. Если зажимы (+) и (-) поменять местами, то показание вольтметра изменит знак.

Чтобы не загромождать схемы цепей вольтметрами, на месте предполагаемого вольтметра помещают стрелку, указывающую направление напряжения (предполагаемое направление электрических сил, действующих на положительный заряд). Соответствие между маркировкой зажимов вольтметра и направлением напряжения показано на рис. 1.2.

 

И 1.6

Изменение направления напряжения сопровождается изменением его знака.

Рис. 1.2. Стрелка напряжения  - эквивалент вольтметра

 

Предостережение. Пока на схеме цепи не показан вольтметр с зажимами (+) и (-) или не указано направление напряжения, можно говорить об абсолютной величине напряжения между указанными точками, но нельзя определить его знак.

Идеальный вольтметр, который является теоретической абстракцией, не потребляет электрической энергии и не влияет на напряжения, существовавшие в цепи до его подключения.

 

И 1.7

Идеальный вольтметр обладает бесконечно большим сопротивлением, ток в нем всегда равен нулю.

Идеальный вольтметр способен показывать переменное напряжение в любой момент времени или среднее напряжение за любой промежуток времени в зависимости от условий конкретной задачи.