Понятие об электрическом токе

При рассмотрении различных явлений используется такое понятие, как гипотеза.

Гипотеза (от древнегреческого — «основание», «предположение») – это недоказанное утверждение, предположение или догадка. Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих её наблюдений (примеров), и поэтому выглядит правдоподобно. Гипотезу впоследствии или доказывают, превращая её в установленный факт, или же опровергают (например, указывая контрпример), переводя в разряд ложных утверждений.

Гипотеза имеет право на существование, если она в необходимой степени и в необходимом объеме позволяет объяснить некоторое явление и дать прогноз его развития.

При рассмотрении явлений, происходящих в электрических цепях, очень плодотворно используется гипотеза о том, что электрический ток является направленным движением заряженных частиц. На самом деле, вероятно, это не совсем так. Ведь скорость распространения электрического сигнала в проводниках практически равнее скорости света в вакууме, и очевидно, что никакие частицы так быстро в плотных металлических телах распространяться не могут.

Тем не менее, такое представление об электрическом токе позволяет рассчитывать электрические цепи и схемы, объяснять происходящие в них явления. Причем результаты расчетов и выводов соответствуют наблюдаемым на практике явлениям, которые можно измерить соответствующим инструментом.

Общепринятым является предположение о том, что двигаются в проводниках положительные заряды, и это движение происходит в направлении от положительного к отрицательному выводу источника тока под действием разности потенциалов. Эта разность потенциалов называется напряжением, которое измеряется в вольтах и определяется вольтметром.

Рассмотрим простейшую электрическую схему (рис. 1).

На рис. 1а обозначение G – источник питания с напряжением U, HL ‑ лампа накаливания, на которой падает (расходуется) все напряжение U, I – ток, направление движения которого (направление движения заряженных частиц) показано стрелкой.

На рис. 1б изображена та же схема с включенными измерительными приборами – вольтметром V (может подключаться и непосредственно к лампочке) и амперметром A. Вольтметр подключается всегда параллельно источнику питания (в данном случае – G) или нагрузке (в данном случае – HL).

Амперметр всегда подключается последовательно непосредственно в тот участок цепи, в котором измеряется ток.

Вольтметры на рис. 1б покажут одинаковое напряжение в том случае, если сопротивление подводящих проводников будет бесконечно мало.

Ток в электрической цепи может быть постоянным, пульсирующим и переменным.

Постоянным током называется ток, текущий в одном направлении и не изменяющий своей величины во времени. Графически его можно изобразить прямой линией, параллельной оси времени в координатах «сила тока I – время t» (рис. 2).

Соответственно, чтобы в цепи протекал постоянный ток, напряжение источника тока тоже должно быть постоянным, а состояние цепи не должно изменяться во времени.

В том случае, если направление движения заряженных частиц не меняется во времени (ток течет в одном направлении), но сила тока изменяется по величине, такой ток следует назвать пульсирующим (рис. 3).

В том случае, если изменение тока носит упорядоченный характер, то импульсы характеризуют по их форме (синусоидальные, пилообразные, прямоугольные и т.д.). В частности, на рис. 3 изображен ток с прямоугольными импульсами с амплитудой А, периодом Т и длительностью импульсов τ. Отношение Т/τ называют скважностью следования импульсов.

В том случае, если с течением времени ток меняет не только величину, но и направление, то такой ток называют переменным (рис. 4).

При этом форма импульсов может быть различна, они также могут быть синусоидальными (как на рис. 4), пилообразными, прямоугольными (как на рис. 3), и т.д.

Величина, обратная периоду Т (1/ Т) называется частотой, обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). 1 Гц – это одно полное колебание (один полный период) в секунду.

В технике чаще всего используют синусоидальный переменный ток с промышленной частотой f = 50 Гц, (в США и Австралии – 60 Гц) с которой электроэнергию передают на большие расстояния при высоком напряжении (сотни киловольт). Так поступают из-за того, что передаваемая мощность W (измеряется в ваттах) прямо пропорциональна току и напряжению (W = I ∙ U). Если передавать большую мощность при низком напряжении, то понадобятся большие токи, требующие для передачи электроэнергии проводов большого сечения. Так, например, для передачи тока в один ампер требуется медный проводник сечением около 0,25 мм². Если требуется передать мощность в 1000000 Вт (1 МВт), то при напряжении 220 В ток в проводах составит 1000000/220 = 4545,5 А, что потребует проводник сечением 4545,5/0,25 = 18182 мм² или диаметром 152 мм, что, конечно, нереально. Если передавать ток под напряжением 220000 В (220 КВ), то ток в проводах составит всего 1000000/220000 = 4,55 А, для чего понадобится проводник сечением 4,55/0,25 = 18,2 мм² или диаметром 4,81 мм, что вполне возможно.

Для превращения высокого напряжения в низкое, используемое на промышленных предприятиях (380 В) или в быту (220 В), применяются понижающие трансформаторы, которые работают только на переменном токе, а чтобы превратить переменный ток в постоянный – выпрямители.

На рис. 5 изображена схема передачи тока на большое расстояние.

В бортовой электрической системе автомобилей используется постоянный ток с напряжением 12 и 24 В. Электрогенерирующей установкой является генератор переменного тока, который после прохождения блока диодов становится постоянным.

В то же время электронные системы управления агрегатами автомобиля используют как постоянный, так и пульсирующий и переменный ток. Последние генерируются различными датчиками, контролирующими рабочие параметры этих агрегатов.

Как правило, ток любой формы бывает неидеальным. Это связано с наличием различных помех его протеканию. В качестве помех, например, могут служить распространенные в окружающей среде электромагнитные колебания радиопередатчиков или электромагнитные поля проводников электрического тока. Эти помехи вызывают практически неупорядоченные или слабо упорядоченные колебания электрического тока с некоторой амплитудой ΔI (рис. 6). Величина Δ I называется шумом, а отношение I _CP/ Δ I – отношение «сигнал – шум». Шум вреден, т.к. мешает распознаванию истинного сигнала. Для подавления шума используются различные электронные фильтры.

При расчете электрических и электронных цепей широко используются основные законы электричества – закон Ома и закон Кирхгофа.

Закон Ома гласит, что ток I в цепи равен частному от деления напряжения U, подведенного к цепи, на ее сопротивление R:

.

Так, если в схеме на рис. 1 напряжение U = 12 В, а сопротивление лампочки R = 10 Ом, то ток в цепи будет равен 12/10 = 1,2 А.

Закон Кирхгофа говорит о том, что сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из узла (рис. 7)

Рассмотрим простую электрическую цепь постоянного тока, состоящую из нескольких элементов (рис. 8).

К схеме подведено постоянное напряжение U = 12 В. Так как напряжение есть разность потенциалов, то в точке А напряжение равно +12 В, а в точке Б оно равно нулю (12 – 0 = 12). Все это напряжение падает на электрической цепи, причем на каждом участке цепи падает (расходуется) часть напряжения, зависящая от сопротивления этого участка. Очевидно, что сумма падений напряжений U ₁ и U _2-3 равна U, т.е. 12 вольтам.

Определим эти падения напряжения, для чего нужно найти все сопротивления участков. На участке 1 сопротивление равно R1. Для определения сопротивления на участке 2 воспользуемся уравнением:

или .

Анализ полученного уравнения позволяет сделать вывод о том, что при параллельном соединении сопротивлений суммарное сопротивление всегда будет меньше наименьшего из соединенных параллельно сопротивлений. Поясним это на примере. Например, если R 2 = 1 Ом, а R 3 = 100 Ом, то суммарное сопротивление R _2-3 будет равно:

Известно, что падение напряжения прямо пропорционально сопротивлению участка цепи, т.е. можно записать:

Кроме того, как было сказано ранее

Последние два уравнения (система уравнений) позволяют рассчитать величины U ₁ и U _2-3 (два неизвестных и два уравнения). Выразим из второго уравнения U ₁ через U и U _2-3 и получим

Подставим полученный результат в первое уравнение:

или , откуда путем алгебраических преобразований получаем:

.

Рассмотрим следующий пример: U = 12 B, R 1 = 10 Ом, R 2 = 20 Ом, R 3 = 40 Ом.

Определим R _2-3:

.

Определим U _2-3:

.

Определим U ₁:

.

Определим величину тока I ₁:

.

В точке В (рис. 8) ток I ₁ «раздваивается» обратно пропорционально сопротивлению участков цепи, т.е.:

при условии, что (закон Кирхгофа).

То есть, снова имеется два уравнения и два неизвестных (I ₂ и I ₃).

Выразим I ₂ в виде I ₂ = I ₁ – I ₃ и получим:

, или

Для данного примера при I ₁ = 0,51 А

Зависимость падения напряжения при последовательном включении сопротивлений от величины этих сопротивлений часто используется в так называемых делителях напряжений (рис. 9).

Например, если U₁ = 12 В, R1 = 6 Oм, R2 = 4 Ом, то напряжение U₂ определится, как

.

Делители напряжения используются для питания отдельных участков электрических и электронных схем, где необходимо напряжение, отличное от напряжения источника питания.

Однако при расчете делителя напряжения необходимо учитывать входное сопротивление того участка цепи, которое он питает (рис. 10).

Если R_ВХ достаточно велико, в несколько раз больше R2, то величина U₂ будет определяться практически напряжением U₁ и соотношением сопротивления R1 и R2. В противном случае при расчете U₂ необходимо учитывать совместное сопротивление параллельно включенных R2 и R_ВХ.

В связи с этим у подавляющего большинства приборов, служащих для измерения величины сигнала, связанного с измерением падения напряжения на участке контролируемой цепи, входное сопротивление очень высоко и составляет несколько мегом (миллионов Ом). В частности, таким прибором является вольтметр.

У приборов, измеряющих силу тока (амперметры) наоборот, внутренне сопротивление очень мало (доли Ома), так как чувствительный элемент (добавочный резистор) включается в разрыв цепи, через него проходит контролируемый ток, и он не должен вносить заметных изменений в работу электрической цепи (рис. 11).

Таким образом, при измерении силы тока фактически измеряется падение напряжения на добавочном резисторе, т.е. сам процесс измерения аналогичен работе вольтметра, имеющего большое входное сопротивление.