Электротехника и электроника. - Немцов М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Если значения параметров всех элементов схемы замещения цепи известны, то, пользуясь законами электротехники, можно рассчитать режим работы всех ее элементов, т. е. определить электрическое состояние всех электротехнических устройств.
В дальнейшем вместо термина схема замещения электрической цепи будем пользоваться сокращенными — схема цепи, или схема.
2.3. Положительные направления токов и напряжений
Согласно электронной теории электрической проводимости, валентные электроны в металлах легко отделяются от атомов, ко-
21
торые становятся положительными ионами. Ионы образуют в твердом теле кристаллическую решетку с пространственной периодичностью. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решетки между атомами, сталкиваясь с ними.
Под действием продольного электрического поля напряженностью «?, создаваемого в проводнике длиной / источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость и дополнительно перемещаются в одном направлении вдоль проводника (рис. 2.4).
Постоянный ток в проводящей среде представляет собой в общем случае упорядоченное движение положительных и отрицательных зарядов под воздействием электрического поля. Например, в электролитах и газах ионы с положительными и отрицательными зарядами движутся навстречу друг другу. Так как направления движения положительных и отрицательных зарядов противоположны, то необходимо уточнить, движение каких зарядов следует считать направлением тока. Принято считать направлением тока / направление движения положительных зарядов, т. е. направление, обратное направлению движения электронов в проводнике под воздействием электрического поля. Это направление показано стрелкой (см. рис. 2.4).
Постоянный ток определяют по формуле
где t — время равномерного перемещения суммарного заряда \q\ через поперечное сечение рассматриваемого участка цепи.
Основная единица измерения тока в СИ — ампер (А): 1 A= 1 Кл/с.
Значение тока в цепи измеряется прибором — амперметром, который включают последовательно, т.е. в разрыв цепи.
При расчете цепи действительные направления токов в ее элементах в общем случае заранее не известны. Поэтому необходимо предварительно выбрать условные положительные, или, короче, положительные, направления токов во всех элементах цепи.
Положительное направление тока в элементе сопротивлением R (рис. 2.5) или в ветви выбирается произвольно и указывается стрелкой. Если при выбранных положительных направлениях токов в результате расчета режима работы цепи значение тока в
Vab=U
а
iL
Ь
со-
R
U
Рис. 2.4
Рис. 2.5
22
данном элементе получится положительным, то действительное направление тока совпадает с выбранным положительным. В противном случае действительное направление противоположно выбранному положительному.
Положительное направление напряжения на элементе схемы цепи (см. рис. 2.5) также может быть выбрано произвольно и указывается стрелкой, но для участков цепи, не содержащих источников энергии, рекомендуется выбирать его совпадающим с положительным направлением тока, как на рис. 2.5.
Если выводы элемента обозначены, например, avi b (см. рис. 2.5) и стрелка направлена от вывода а к выводу Ъ, то положительное направление означает, что определяется напряжение
u=uab=va-vb.
Аналогичное обозначение можно принять и для тока. Например, обозначение 1аЬ указывает положительное направление тока в элементе цепи или схемы от вывода а к выводу Ь.
2.4. Закон Ома. Резисторы и резистивные элементы
Столкновения свободных электронов в проводниках с атомами кристаллической решетки тормозят их поступательное движение. Это противодействие направленному движению свободных электронов, т. е. постоянному току, составляет физическую сущность электрического сопротивления проводника. Аналогичен механизм сопротивления постоянному току в электролитах и газах.
На участке цепи сопротивлением R (см. рис. 2.5) зависимость тока от напряжения определяется соотношением
Uab=RIab, или U=RI, (2.1)
называемым законом Ома.
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью
G= 1/R. (2.2)
Основная единица измерения сопротивления в СИ — ом (Ом), проводимости — сименс (См).
Проводящее свойство материала определяет его объемное удельное сопротивление ру, равное сопротивлению между противоположными сторонами куба с ребром 1 м.
Величина, обратная объемному удельному сопротивлению, называется объемной удельной проводимостью
уу= 1/ру. (2.3)
23
Таблица 2.1
Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления некоторых проводниковых материалов
Материал Объемное удельное сопротивление при температуре 20 °С, Ом ¦ м Температурный коэффициент сопротивления (на 1 °С)
Серебро 1,6- ю-8 0,0035
Медь техническая (1,72-1,82)- 10-8 0,0041
Алюминий 2,95 - 10"8 0,004
Сталь (1,25-1,46)- 10-7 0,0057
Железо (0,9-1,1) 10-7 0,006
Чугун 1,5-10-7 0,001
Свинец (2,18-2,22)- 10-7 0,0039
Вольфрам 0,503 - 10"7 0,0048
Уголь (1-6) • ю-7 0,005
Манганин (сплав: Cu - 85 %, Mn -12%, Ni-3%) (0,40-0,52) • 10"7 0,00003
Константан (сплав: Cu- 57-60%; Ni-39-41 %; Mn - 1-2%) 4,4 ¦ 10"7 0,00005
