Касаткин А.С., Немцов М.В. Курс электротехники (2005), страница 2

В общем случае постоянный ток в проводящей среде представляет собой упорядоченное движение положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля, например в электролитах и газах движутся навстречу друг другу ионы с положительными и отрицательными зарядами. Так как направления движения положительных и отрицательных зарядов противоположны, то необходимо договориться о том, движение каких зарядов следует считать направлением тока, Принято считать направлением тока 1 направление движения положительных зарядов, т.

е. направление, обратное напрев. пению движения электронов в проводнике под действием электрического поля (рис. 1.4) . Это направление показано стрелкой. Постоянный ток Т = ~ Д!/г, где г — время равномерного перемещения суммарного заряда! Ц! через поперечное сечение рассматриваемого участка цепи. Основная единица тока в международной системе единиц (СИ) ампер (А)', заряда — кулон (Кл). Напряжением называется скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности электрического поля. Рпзносгь потенциалов— напряжение в безвихревом электрическом поле, в котором напряжение не зависит от пути интегрирования. (Электрическое поле цепи постоян.

ного тока — безвихревое.) Она вычисляется вдоль любых участков цепи, не содержащих ЭДС источников. Постоянное напряжение для участка проволиика (рис. 1.4) Ь вЂ” .( Пь Хоя — ХЕЬ а я Прн постоянном токе 1 А в двух параллельных прямонннейных проводниках бесконечной дняны н ннчтожно малой площади поперечного кругового сечения, расположенных ня расстоянии 1 м один от другого в вакууме, енпя нх взаимодействия равна 2 !О Н/м (ньютон нв метр.) Рнс.

1.4 и.ь=и о — г~ — от Рнс. 1.5 Ь 1 Ь А и = Г бб) = — )' Рй1 = —, е ч а ч где Е = дЬ' — сила, которая действовала бы на положительный заряд о в однородном постоянном электрическом поле с напряженностью й; ь А = ) ГЙ1 — работа электрического поля при перемещении положи- а тельного заряда вдоль участка проводника; И и Ч1Ь вЂ” потенциалы однородного постоянного электрического поля в поперечных сечениях а и Ь участка проводника.

Основная единица напряжения в системе СИ вЂ” вольт (В), напряженности электрического поля — вольт на метр (В/м) . При расчете цйпи действительные направления токов в ее элементах в общем случае заранее не известны. Поэтому необходимо предварительно выбрать условнью положительные или, короче, положительные направления токов во всех элементах цепи. Положительное направление гоке в элементе (с сопротивлением г иа рис.

1.5) или в ветви выбирается произвольно и указывается стрел. кой. Если при выбранных положительных направлениях токов в результате расчета режима работы цепи ток в данном элементе получится положительным, т. е. имеет положительное значение, то действительное направление тока совпадает с выбранным положительным. В противном случае действительное направление противополохого выбранному положительному. Положительное направление напряжения на элементе схемы цепи (рис.

1.5) также может быль .выбрано произвольно и указывается стрелкой, но для учаспсов цепи, не содержащих источников энергии рекоьюндуется выбирать его совпадающим с положительным направлением тока, как па рис. 1.5, Если вьводы элемента обозначены (например, а и Ь на рис. 1.5) и стрелка направлена от вывода п к выводу Ь, то положительное направление означает, что определяется напряжение и= Ьг„. Аналогичное обозначение можно принять и для тока. Например, обозначение 1 ь указывает положительное направление тока в элемен- аЬ те цепи или схемы от вывода а к выводу Ь. 1,4. РЕЭИСТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Столкновения свободных электронов в проводниках с атомами кристаллической решетки тормозят их поступательное (дрейфовое) движение.

Это противодействие направленному движению свободных электронов, т. е. постоянному току, составляет физическую сущность сопротивления проводника. Аналогичен механизм сопротивления постоянному току в электролитах и газах. Для участка цепи с сопротивлением г (рис. 1.5) ток и напряжение связаны простым соотношением — законом Ома: (1.1) Ь Ь Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью: а = 1(г. Основная единица сопротивления в системе СИ вЂ” ом (Ом), проводиьюсти — сименс (См) . Проводящие свойства материала определяют его обьемлое удельное соцпогивлелие рг., равное сопротивлению между противоположными сторонами куба с ребром 1 м, изготовленного из данного материала.

Величина, обратная объемному удельному сопротивлению, называется обьемной удельной проводимостью. Т, =1!р Единицей объемного сопротивления служит 1 Ом . м, объемной удельной проводимости — 1 См!м. Сопротивление проводника постоянному току зависит от температуры. В общем случае наблюдается достаточно сложная зависимость. Но при изменениях температуры в относительно узких пределах (примерно 200 С) ее можно выразить формулой гэ = г111 + а(91 — 01)), где г, и гэ — сопротивления соответственно при температурах Й, и Йэ; а — температурный коэффициент сопротивления, равный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на 1 С.

В табл. 1.1 приведены значения объемного удельного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления некоторых материалов, где 1 мкОм =10 ' Ом. Электротехническое устройство, обладающее сопротивлением и применяемое для ограничения тока, называется резистором, Регулируемьй резистор называется реосгаюм. Условные обозначения раз. личных типов резисторов даны в табл. 1.2. Таблица 1 !. Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления некоторых проводниковыз материалов Объемное улсльнос сопротивление прн 20'Г, мкОм м Тсмпсрзгурнын коэбзфиггггепт со- Материал противления (на 1 Г) 0,44 1,02-1,12 0,00005 0,0001 Таблица !.2, Условныс ) рзфнчсскис нзпбраменни резисторов Усновнос изображение 1!аимснояа~~ис резистор: посгоююыи с отводами переменный (рсос)аг) с разрывом цепи без разрыва цени нсремонный (рооста) со г О нсп и 1 ым )зсз улнргпгзннсм свморсгулируюпгийся нслннснп, нзнрггьгс)з я злгнси мости от парамсгрз ялснн~сй ср;пя (! 10 Герсбро Мсдьтехничсская Алюминий Сталь Железо Чугун Свинец Вольфрам УГОЛЬ Мангаиин (сплав Гп 65': Мп— 1Ы, КЧ вЂ” 3Л> Констаг)тан Нихром (спяаи Гг — 209 М)~ Яоо ) 0,016 О,О!72-0,0!б О,оз95 0,125- 0,146 0,09.

0,11 0,1 5 0,218 0,222 0.0503 1О- 60 0,040 0,52 0,00 35 0,0041 0,0040 0,0057 0,0060 0,001 0,0039 0,0046 0,005 0,00003 Резисгивиыми элементами называются идеализированные модели резисторов и любых других электротехнических устройств или их частей, оказывающих сопротивление постоянному току независимо от физической природы этого явления. Они применяются при составлении схем замещения цепей и расчетах их ре. Рис !.6 жимов. При идеализации пренебрегают токами через изолируюшпе покрытия резисторов, каркасы прово.

лочных реостатов и т. л. Линейный резисгивный элемент является схемой замещения любой части электротехнического устройства, в которой ток пропорционален напряжению. Его параметром служит сопротивление г = сопз1. Если зависимость тока от напряжения нелннейна, то схема замещения содержит нелинейный реэисгиввый цемент, который задается нелинейной вольт-амперной характеристикой /((/). На рис. 1.6 приведены вольтамперные характеристики (ВЛХ) линейного и нелинейного резистивных элементов (линии и, б), а также условные обозначения их на схемах заме 1це ни я. 1.5. ИСТОЧНИКИ ЗЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗНЕРГИИ постоянного токя Рассмотрим источник энергии на примере гальванического элем нта Один из типов гальванических элементов (рис.

1Л, а) представляет собой пве ~п1астины —. из мс!щ Ои и из шшка Лл, помещенные в раствор серной кислоты Нзо04 — ВН ь 50,. Вследствие химических процессов положительные ионы цинка г.п переходят в раствор серной кислоты, оставляя на цинковой пластине избыток отрицательных свободных зарядов. Одновременно в растворе серной кислоты тяжелые и малоподвижные положительные ионы цинкз Хп оттесняют легкие и подвижные положительные ионы водорода Н' к медной пластине, на поверхности которой происходит восстановление нейтральных атомов водорода.

При этом медная плзстина теряет свободные отрицательные заряды, т. е. заряжается положителыщ. Между разноименно заряженными плзстинами возникает однородное электрическое поле с напряженностью Ы, которое препятствует направленному движению ионов в растворе, При некотором значении напряженности поля б = Еч накопление зарядов на щ!астинах прекращается.

Напряжение или разность потенциалов между пластинами, при которой накопление зарядов прекращается, служит количественной мерой сторонней силы (в цзппом случае химической природы), стремяшейся к накоплени!о заряда 11 Ьгаь Е ь а) и) а) Рис.

1.7 Количественную меру сторонней силы принято называть элек7родвизкущей силой (ЭДС). Для гальванического элемента ЭДС Е = З„ь/ = = !7, где ь7 — расстояние между пластинами; 77 ь„= д — Рь „— на- аь' пряжение, равное разности потенциалов между выводами пластин в режиме холостого хода, т. е, при отсутствии тока в гальваническом элементе. Если к вьводам гальванического элемента подключить приемник, например резистор, то в замкнутой цепи возникнет ток. Направленное движение ионов в растворе кислоты сопровождается их взаимными столкновениями, что создает внутреннее сопротивление гальванического элемента постоянному току.

Таким образом, гальванический элемент, эскизное изображение которого дано на рис. 1.7, а, а изображение на принципиальных схемах— на рис. 1.7, б, можно представить схемой замещения (рис. 1.7, в), состоящей из последовательно включенных источника ЭДС Е и резистивного элемента с сопротивлением г, равным его внутреннему сопротивлению. Стрелка ЭДС указывает направление движения положительных зарядов внутри источника под действием сторонних сил.