Электрическое сопротивление

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ.

Основные понятия электотехники

Электрическая цепь.

Как известно, направленное движение носителей электрических зарядов называется электрическим током. Для получения направленного непрерывного движения носителей электрических зарядов необходимо создать электрическую цепь, состоящую из источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой проводниками. Таким образом, электрическая цепь представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих генерирование, передачу и использование электрической энергии. Отдельные устройства, составляющие электрическую цепь, называют элементами электрической цепи. Элементы электрической цепи, генерирующие электрическую энергию, называют источниками электрической энергии (или источниками энергии, источниками питания, просто источниками). Элементы, потребляющие электроэнергию, называют приемниками электрической энергии (или приемниками, потребителями).

С помощью источников различные виды энергии преобразуются в электрическую энергию. Например, в машинных генераторах в электрическую энергию преобразуют механическую энергию, в гальванических элементах и аккумуляторах - химическую энергию, в термогенераторах - тепловую энергию, в фотоэлементах - энергию излучения и т. д. Приемники, наоборот, преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии, а именно; электродвигатели - в механическую, электронагревательные устройства - в тепловую, лампы- в световую, аккумуляторы - в химическую и т. д.

Между источниками и приемниками есть третий элемент цепи - соединительные провода (рис.1.2). В реальных электрических цепях содержится ряд вспомогательных элементов: коммутационная аппаратура, служащая для включения и отключения отдельных участков цепи, электроизмерительные приборы, защитные устройства, а также преобразующие устройства в виде трансформаторов, выпрямителей и инверторов, которые позволяют рационально передавать электроэнергию на дальние расстояния и распределять ее между потребителями.

Электрические цепи, которые состоят только из линейных элементов, называют линейными. Электрические цепи, в которые входит хотя бы один нелинейный элемент, называют нелинейными (рис. 1.1).

Электрический ток.

Электрический ток оценивается количеством носителей зарядов, проходящих в единицу времени через поперечное сечение проводника.

Следует иметь в виду, что в зависимости от проводящей среды носителями зарядов могут быть движущиеся электроны (в металлах и полупроводниках) или положительные и отрицательные ионы (в электролитах).

За положительное направление тока принимают направление движения положительных носителей зарядов, которые во внешней цепи перемещаются от положительного зажима источника питания к отрицательному (см. рис. 1.2, участок ab), т. е. во внешней цепи положительные направления тока и напряжения совпадают. На участке 1-2 (см. рис. 1.2), содержащем источник питания, положительные носители зарядов под действием сил стороннего поля перемещаются от меньшего потенциала к большему: здесь положительное направление тока совпадает с положительным направлением э. д. с. и противоположно положительному направлению напряжения.

Электрический ток, изменяющийся во времени, называется переменным. Значение переменного тока для заданного момента времени называют мгновенным значением тока и обозначают i. Переменный ток определяется как отношение количества электричества dq, протекающего через поперечное сечение проводника за время dt, к этому времени:

i = dQ / dt (*)

Электрический ток, значение и направление которого не изменяются, называется постоянным и обозначается I. Постоянный ток определяется отношением

I = Q / t

Основными единицами заряда, тока и времени в Международной системе единиц (СИ) являются: кулон (Кл), ампер (А) и секунда (с). Для тока используют также дольные единицы: миллиампер - 1мА = 10^-3 А и микроампер - 1мкА = 10^-6 А

Электрическое сопротивление.

Перемещение носителей зарядов по электрической цепи требует затраты энергии на преодоление противодействия их движению со стороны проводников (элементов) цепи. Это противодействие - результат столкновений носителей электрических зарядов с атомами или молекулами при перемещении их по проводнику. Противодействие проводника направленному движению носителей электрических зарядов, т. е. электрическому току, характеризуется сопротивлением проводника.

Свойство элемента поглощать энергию из электрической цепи и преобразовывать ее в другие виды энергии (тепловую, световую) характеризует параметр сопротивление r (рис.1.4а). Свойство элемента, состоящее в возникновении собственного магнитного поля при прохождении через элемент электрического тока, характеризует параметр индуктивность L (рис. 1.4б). Свойство элемента накапливать заряды характеризует параметр емкость С (рис.1.4в). Реальные элементы цепи в общем случае обладают всеми тремя параметрами: r, L, С. В некоторых случаях каким-либо параметром элемента можно пренебречь. Так, катушку индуктивности на схеме замещения можно представить в виде элемента, обладающего индуктивностью L (пренебрегая емкостью С и сопротивлением r). Элементы цепи, характеризуемые только одним параметром, называют идеальными.

Следует помнить, что распределенные параметры на схемах изображают в виде сосредоточенных сопротивлений, индуктивностей, емкостей. Электрические цепи могут быть неразветвленными или разветвленными, с одним или несколькими источниками питания, линейными или нелинейными, постоянного или переменного тока.

Зависимости напряжения на сопротивлении от тока U(I) или тока от напряжения I(U) (рис. 1.1) получили название вольт-амперных характеристик. Если в приемнике отношение напряжения к току есть величина постоянная [U(I) = r = const], то приемник является линейным элементом и его вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей через начало координат (на рис. 1.1 линия 2). Если же это отношение непостоянно, то приемник будет нелинейным элементом электрической цепи и его вольт-амперная характеристика непрямолинейна (на рис. 1.1 кривая 1).