И энергия

 

В теории электрических цепей основных первичных понятий только два – электрические ток и напряжение. Электрический ток протекает в электрической цепи, напряжение возникает на ее элементах. Электрический ток представляет собой направленное движение носителей зарядов, которыми могут быть электроны, дырки или ионы. Электрический ток в проводниках создаётся за счет движения отрицательно заряженных электронов, в полупроводниках – электронов проводимости и дырок, в электролитах – положительных и отрицательных ионов.

За положительное направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов или направление, противоположное движению электронов. На электрических схемах положительное направление движения тока обозначается стрелкой (рис. 1.4).

 

Рис. 1.4. Обозначение положительного направления тока

 

Численно ток определяется как предел отношения количества электричества ( - ), переносимого заряженными частицами сквозь рассматриваемое поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени (t2-t1), к этому промежутку времени, когда последний стремится к нулю, т.е.

. (1.1)

Обозначение или в (1.1) называют мгновенным значением электрического тока. Кроме него имеют место и другие обозначения:

- значение постоянного тока;

- действующее значение гармонического тока;

амплитудное значение гармонического тока;

- комплексная амплитуда гармонического тока;

- комплексно-сопряженное значение тока;

ср в - средневыпрямленное значение тока.

 

Каждое из этих значений тока должно использоваться с учетом конкретного случая расчета электрической цепи, а не произвольно.

Электрический ток измеряется в амперах (А), в технике широко используют значения в миллиамперах (1мА=10-3А) и микроамперах (1мА=10-6А).

Направление тока при расчетах указывается на схеме электрической цепи (рис. 1.4). Перед расчетами направление неизвестного тока выбирается произвольно. Если в результате расчетов получено положительное значение тока, то истинное направление тока будет соответствовать указанному на схеме. Если получена отрицательная величина тока, то в действительности ток протекает в противоположном направлении (относительно указанного на схеме). В этом случае изменять направление тока и заново проводить расчет не требуется, так как одновременное указание величины и направления тока однозначно описывает ток в цепи.

Электрическое напряжение рассматривается как физическая причина, обусловливающая возникновение тока в цепи, который будет протекать лишь в том случае, если между началом а и концом участка в цепи имеется разность потенциалов Dj, т.е.:

Dj=jа - jв = ,

где jа и jв – потенциалы начала и конца участка цепи.

Физическая величина , равная разности потенциалов Dj начала и конца участка цепи, называется падением напряжения (или просто напряжением ).

Напряжение может быть как положительным, так и отрицательным. Положительное направление указывается стрелкой (рис. 1.5) или знаками (+) и(-).

 


Рис. 1.5. Положительное направление напряжения

 

Перед расчетом направление напряжения выбирается произвольно. Если величина после расчетов получилась положительной, то направление указано правильно. В противном случае следует признать, что в действительности напряжение направлено в противоположном направлении. Однако, как и в случае с током, заново проводить расчеты не требуется.

Величина или называется мгновенным значением напряжения. Кроме таких обозначений используются и другие значения напряжения:

- значение постоянного напряжения;

- действующее значение гармонического напряжения;

амплитудное значение гармонического напряжения;

- комплексная амплитуда гармонического напряжения;

- средневыпрямленное значение напряжения;

мгновенное значение ЭДС источника напряжения;

- значение ЭДС источника постоянного напряжения.

Как и в случае обозначений тока, каждое из приведенных обозначений напряжений должно использоваться с учетом конкретного случая расчета электрической цепи, а не произвольно.

Единицей измерения напряжения и потенциалов является вольт (В), используются значения в киловольтах (кВ), милливольтах (мВ) и микровольтах (мкВ). Например, для работы цветного кинескопа телевизора требуется напряжение не менее 20 кВ, а для питания современных микросхем требуется напряжение около 5В.

В радиотехнических устройствах используются, как правило, слаботоковые электрические цепи, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования токов и напряжений. Например, на рис.1.6 показан транзисторный усилительный каскад, обеспечивающий за счет использования источника энергии с напряжением - и транзистора VT1 усиление входного напряжения , называемого, в таком случае, сигналом.

Рассмотренные выше правила положительных направлений тока и напряжения (рис.1.4, рис.1.5), предусматривающие, что ток в электрической цепи, проходя от (+) источника энергии, через элементы цепи, к (-) источника энергии, образует на них падения напряжения с потенциалом (+) на входе и (-) на их выходе, применяются и для расчетов радиотехнических схем. Так для схемы (рис.1.6), с учетом этих правил, напряжение между базой и эмиттером транзистора определяется как

= - . (1.2)

В (1.2) величина > и определяется прохождением тока (рис. 1.6): (+) источника , , , (-) источника .

 

 

 

Рис. 1.6. Усилительный транзисторный каскад

 

Кроме тока и напряжения для оценки энергетических характеристик цепи используются также понятия: энергия и мощность электрического тока. С их помощью, например, определяются требования к источникам питания радиоэлектронной аппаратуры, рассчитывается коэффициент полезного действия (к.п.д.) устройств, оценивается эффективность систем передачи и обработки информации.

Если через участок электрической цепи под воздействием приложенного напряжения проходит заряд , то совершается элементарная работа или поступает в приемник элементарная энергия

= . (1.3)

 

Так как в соответствии с (1.1) = , то, подставляя это значение в (1.3), получаем, что

= . (1.4)

После интегрирования (1.4) получим формулу для расчета электрической энергии, потребляемой участком цепи к моменту времени

. (1.5)

Скорость поступления в цепь электрической энергии в данный момент времени представляет собой мгновенную мощность, выражение для которой можно получить дифференцируя (1.5) по времени , т.е.

. (1.6)

 

Таким образом, мгновенная мощность, поступающая в нагрузку, равна произведению мгновенных значений напряжения и тока. Мгновенная мощность имеет знак. Если >0 – цепь потребляет энергию извне, а если <0 – цепь отдает ранее накопленную энергию.

Для постоянного тока мощность не зависит от времени и определяется формулой

= . (1.7)

Кроме значений и в электротехнике используются и другие обозначения мощности:

- средняя мощность гармонического тока;

- реактивная мощность гармонического тока;

- полная мощность гармонического тока;

-комплексная мощность гармонического тока;

- средняя мощность периодического (не гармониче-

ского тока).

Эти обозначения мощностей, как и обозначения токов и напряжений, необходимо применять не произвольно, а с учетом конкретных условий расчета электрической цепи.

Энергия измеряется в джоулях (Дж), а мгновенная и средняя мощности в ваттах (Вт). Реактивная мощность измеряется в варах (Вар).