Ток, напряжение, анергия и мощность в электрической цепи

 

Электрический ток, как физическое явление, представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов. Под термином "ток" также понимают интенсивность или силу тока, измеряемую количеством электрического заряда q, прошедшее через поперечное сечение проводника в единицу времени: i = dq / dt. Следовательно, ток представляет скорость изменения заряда во времени. Ток измеряется в амперах (А). Знак тока зависит от направления движения зарядов одного знака, а именно условно принятого положительного заряда. Выбранное положительное направление тока на схемах обозначается стрелкой.

Прохождение электрического тока в цепи связано с преобразованием или потреблением энергии. Для определения энергии, затрачиваемой на перемещение заряда между двумя рассматриваемыми точками проводника, вводят новую величину - напряжение.

Напряжением называют количество энергии, затрачиваемой на перемещение единицы заряда из одной точки в другую: u = dw / dt, w - энергия. Напряжение измеряется в вольтах (В).

Напряжение величина относительная и всегда определяется между двумя точками. Напряжение между двумя точками на схеме a и b обозначается через U_ab. Напряжение U_ab – положительное, если точка а имеет более высокий потенциал относительно точки b, и будет отрицательным, если точка а имеет более низкий потенциал, относительно точки b. При этом справедливо соотношение U_ab = -U_ba. Напряжение между двумя точками а и b определяется как разность потенциалов в точках а и b:

U_ab = φ_а – φ_b

Потенциал φ – это напряжение в точке относительно общей опорной точки, потенциал, которой условно принимают равный 0. В схемах условным обозначением опорной точки является знак заземления. За опорную точку или узел можно выбрать любую точку схемы, однако на практике, в качестве опорной точки (узла) выбирают точку, к которой подключается наибольшее количество ветвей.

Когда говорят "напряжение в точке", имеют в виду, что напряжение определяется между этой точкой и опорной точкой (землей). Так, если за опорную точку выбран узел b (φ_b = U_b = 0), то напряжение в точке а равно

U_a = U_ab = φ_а – φ_b = U_a – U_b = U_a – 0.

Для однозначного определения знака напряжения между двумя выводами рассматриваемого участка цепи одному из выводов условно приписывают положительную полярность, которую отмечают либо стрелкой, направленной от вывода, либо знаками “+”, “-” . Потенциал вывода со знаком “+”, из которого выходит стрелка, выше потенциала второго вывода.

Перед началом анализа схемы должны быть указаны выбранные положительные полярности напряжений - только при этом условии возможно однозначное определение напряжений. Хотя условно положительную полярность напряжения можно выбирать произвольно, обычно удобно выбирать согласованную с выбранным положительным направлением тока, когда стрелки для тока и напряжения совпадают или знак “+” полярности напряжения находится в хвосте стрелки, обозначающей положительное направление тока.

Из определения напряжения можно получить выражение для энергии, затраченной на перемещение заряда q на участке цепи с напряжением U к моменту времени t:

Дифференцирование этого равенства по времени дает выражение скорости изменения энергии во времени, т.е. мощности, выражаемой в ваттах:

Знак мощности определяется знаками напряжения и тока. При совпадении знаков напряжения и тока мощность положительна, что соответствует потреблению энергии в рассматриваемом участке цепи. При несовпадении знаков напряжения и тока мощность отрицательна, что означает отдачу ее из участка цепи (такой участок является источником энергии).