Цепи постоянного тока

Проводники в отличие от диэлектриков характеризуются наличием свободных электронов, движущихся хаотически внутри проводника. Если вдоль проводника действует напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля E на электроны с зарядом e действует сила f Ee. Величины f и E векторные. В течение времени свободного пробега электроны приобретают направленное движение наряду с хаотическим.Каждый электрон имеет отрицательный заряд и получает составляющую скорости, направленную противоположно вектору E. Упорядоченное движение , характеризуемое некоторой средней скоростью электронов U ср, определяет протекание электрического тока. Электроны могут иметь направленное движение и в разреженных газах.

В электролитах и ионизированных газах протекание тока в основном обусловлено движением ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительного полюса к отрицательному, исторически направление тока было принято обратным направлению движения электронов.В цепях могут протекать токи, значение или направление которых либо то и другое изменяются во времени.

Такие токи называются переменными, изменяющимися. Токи могут быть периодическим или непериодическими. Значения периодического тока в различные моменты времени повторяются по истечении некоторого промежутка времени, который называется периодом.Наиболее важно изучение периодических переменных токов, особенно синусоидальных, которые изменяются во времени по гармоническому закону теория переменных токов Токи могут представлять собой комбинации постоянного и переменного токов.

В ряде случаев нужно исследовать и цепи непериодического переменного тока. Протекание электрического тока в цепи вызывает различные явления нагрев проводов цепи, воздействие электромагнитных сил и др. При протекании тока в растворах или расплавах солей и кислот происходит электролиз.В системе СИ сила тока I выражается в амперах А . При измерениях малых токов пользуются меньшими кратными единицами миллиампером мА , равным 10 А, и микроампером мкА , равным 10 А. Эту величину можно воспроизвести, используя различные эффекты, проявляющиеся при протекании тока в электрической цепи. Основным является воспроизведение ампера с помощью измерения сил взаимодействия между проводниками.

При силе тока в один ампер через данное сечение проводника электрический заряд, 1Кл, т.е. заряду 6,29 10 электронов.Плотность тока J в данной точке пространства является векторной величиной и определяется отношением элементарного тока dI, протекающего через элементарную площадку ds, протекающего через эту точку перпендикулярно направлению тока, к ее размеру см. приложение 1 . Направление вектора J будет совпадать с нормалью к площадке и направлением тока dI. Единица плотности тока- ампер на квадратный метр А м в технике чаще пользуются кратной единицей ампером на квадратный миллиметр А мм . В общем случае сила тока I , протекающего через поверхность s , будет равна интегралу скалярных произведений векторов плотности тока J на векторы, перпендикулярные элементарным площадкам рассматриваемой поверхности ds 1-1 Если плотность тока J одинаковы во всех точках поперечного сечения проводника, то 1-2 В однородной изотропной среде составляющая средней скорости упорядочного движения электронов пропорциональна напряженности электрического поля и имеет с ним одинаковое направление, поэтому вектор плотности тока определяется как Где - удельная электрическая проводимость. В другом виде 1-3 где - удельное электрическое сопротивление материала проводника.

Ток в цепи протекает под действием напряжения.

Рассмотрим участок проводника между сечениями A и B длиной l рис.1 напряженность поля E в котором одинакова во всех точках.

Напряжение UАВ между сечениями А и В, складывающееся из напряжений на отдельных элементарных участках, определится в данном случае как Подставляя в это равенство выражение для E и принимая для рассматриваемого проводника J l s, получим UAB plI s rI, 1-4 Где r pl s сопротивление проводника длиной l и площадью поперечного сечения s. Из простых соображений выведено выражение закона Ома, Равенство 1-3 является выражением закона в общем, виде. Напряжение выражается в вольтах В . Напряжение определенно как линейный интеграл вектора напряженности электрического поля. Разность потенциалов между рассматриваемыми точками электрической цепи или в общем случае между заряженными телами можно определить так же. Сопротивление выражается в Омах. Можно указать, что проводник имеет сопротивление 1 Ом , если при протекании по нему тока 1 А напряжение на его зажимах будет равно 1 В. С повышением температуры сопротивление металлических проводников увеличивается, а с понижением уменьшается. Зависимость сопротивления от температуры, исключая область сверхнизких температур, выражается в виде 1-5 где - сопротивление при исходной температуре , обычно равной 20 - сопротивление при температуре - температурный коэффициент.

В рассматриваемом случае в цепь введена ЭДС источника энергии, преобразующего какой- либо вид энергии в электрическую энергию.

Эта ЭДС неэлектростатического происхождения.

Она может быть сторонней, обусловленной химическими или тепловыми процессами в источнике энергии, либо индуктированной магнитным полем.При введении одной или ряда этих ЭДС в цепь линейный интеграл вектора напряженности электрического поля по контуру цепи становится равным алгебраической сумме n введенных ЭДС 1-6 Для цепи рис.1-2 сила тока определяется отношением ЭДС к сумме сопротивления нагрузки r и внутреннего сопротивления источника rв, которым обладают все источники энергии.

Для электрического генератора постоянного тока это сопротивление проводов обмоток и контакта щеток.Следовательно,применяется формула 1-7 Энергия и мощность цепи. В соответствии с законом Джоуля - Ленца 1843 энергия в джоулях, выделяемая в цепи с сопротивлением r при протекании тока l в течении всего времени t в секунду.