Определения силы тока, напряжения и мощности

Сила тока, напряжение и мощность, которые уже рассматривались в курсе физики, являются интегральными величинами электромагнитного поля.

Электрический ток – это явление направленного движения заряженных частиц.

Количественную меру этого движения в ГОСТе определяют как силутока. Но в электротехнических дисциплинах принято говорить просто: ток.

Величину тока определяют как скорость изменения заряда во времени:

где q– заряд.

Так как током называют и явление, и его количественную меру, у многих складывается впечатление, что ток – величина векторная. Стрелкой насхеме обозначают направление движения положительно заряженных частиц.

Если величину тока определить упрощенно, то это – количество зарядов через поперечное сечение проводника в единицу времени. Очевидно, чтоэто величина скалярная.

В результате расчетов ток может получиться с разными знаками. Токположительный, если его выбранное направление совпадает с направлениемдвижения положительных зарядов.

Ток измеряют в амперах (А). Французский академик Андре Мари Ампер ввел понятие электрического тока.

Человек начинает ощущать ток в своем теле при его величине 0,005 А. Ток 0,05 А опасен для жизни. Ток в люминесцентной лампе 0,15 А, в лампенакаливания – 0,2–1 А, в холодильнике – 0,5–0,8 А, в бытовых нагревательных приборах – 2–8 А, в электродвигателе трамвайного вагона – от 100 А ивыше, в индукторе печи для плавления алюминия – 18000 А.

Напряжение – количество энергии, затраченной на перемещение единичного заряда из одной точки электромагнитного поля в другую:

где W – энергия.

Потенциал – количество энергии, затраченной на перемещение единичного заряда из бесконечности в какую-либо точку электромагнитногополя. Отсюда напряжение – это разность потенциалов.

Эта величина тоже скалярная. Может быть положительной и отрицательной. Напряжение положительно, еслипотенциал точки 1, из которого направлена стрелка u12(см. рис. 15), выше потенциала точки 2. Индексация показывает направление ко второму индексу.

Рисунок 15

Единица измерения напряжения – вольт (В). Названа вчесть итальянца Алесандро Вольта, создателя первого источника электрической энергии – «Вольтова столба». Онпервым ввел понятие напряжения.

Мощность – это скорость изменения энергии во времени:

Умножим и разделим на dt

Следовательно, мощность – это произведение напряжения на ток. Единица измерения мощности в общем случае – В А (Вольт-Ампер).

Источник электрической энергии (источник питания) – это преобразователь неэлектрической энергии в электрическую.

Механическая энергия преобразуется в электрическую в электромеханических генераторах постоянного и переменного тока; химическая – в гальванических элементах и аккумуляторах; световая – в фотоэлементах; тепловая в термопарах.

Идеальные источники электрической энергии делятся на:

-идеальный источник тока;

-идеальный источник ЭДС.

Идеальный источник тока характеризуется бесконечно большим сопротивлением и неизменным значением силы тока.

Идеальный источник ЭДС характеризуется бесконечно малым сопротивлением и неизменным значением напряжения.

Источниками электрической энергии по отношению к потребителям являются также трансформаторы и выпрямители. Первые применяются в сетях переменного тока для изменения величины напряжения при передаче и распределении электроэнергии; вторые – для получения постоянного тока из переменного.

В реальных условиях существование идеальных источников невозможно, поэтому в схемах замещения используют понятие источника напряжения (рис. 1) или источника тока (рис. 2).

Рисунок 1 – Реальный источник ЭДС

Рисунок 2 – Реальный источник тока

Источник электрической энергии характеризуется следующими величинами:

- электродвижущей силой (ЭДС) Е, которая измеряется в вольтах (В) и характеризует способность источника создавать ток во внешней цепи;

- внутренним сопротивлением r0, (Ом);

- напряжением на зажимах U, величина которого в реальном источникезависит от величины тока I, отдаваемого им в цепь и определяется выражением

U = Е – I·r₀

- развиваемой мощностью Рист.;

Рист. = Е·I

- отдаваемой приемникам электрической цепи мощностью Рпр.;

Рпр. = U·I

- коэффициентом полезного действия η;

η=Рпр./Рист. = U·I/ Е·I = U/Е

При выполнение расчетов параметров электрических схем, в некоторых случаях, имеется необходимость взаимной замены источников электрической энергии. При замене источника ЭДС на источник тока и обратно внутренне сопротивление источника остается неизменным, при этом взаимосвязь между ЭДС и током источника описывается следующим выражением:

Е=I·r₀,

где Е – ЭДС реального источника ЭДС, В;

I – ток короткого замыкания реального источника тока, А;

r₀ – внутренне сопротивление реального источника ЭДС или тока, Ом.

Закон Ома для участка цепи

В настоящее время под законом Ома понимают все соотношения, связывающие между собой напряжение и ток.

В курсе ТОЭ рассматривается три закона Ома:

-Закон Ома для участка цепи;

-Закон Ома для полной цепи;

-Закон Ома для активной ветви.

Закон Ома для участка цепи показывает взаимосвязь между силой тока I, протекающей через участок цепи, и напряжениемU, приложенному к этому участку. В общем виде закон Ома для участка цепи описывается выражением:

I=U/R=U·G,

где R – сопротивление участка цепи, Ом;

G=1/R=R^-1 – проводимость участка цепи, См.

Схема, к которой применяется закон Ома для участка цепи, представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Участок цепи

Закон Ома для полной цепи показывает взаимосвязь между силой тока I, протекающей через контур полной цепи, ЭДС источника Е, внутренним сопротивлением источника ЭДС r и сопротивлением нагрузки R. В общем виде закон Ома для полной цепи описывается выражением:

I=E/(r+R),

где E – ЭДС источника, В;

    r – внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом;

    R – сопротивление нагрузки, Ом.

Схема, к которой применяется закон Ома для полной цепи, представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Полная цепь