1. 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 гипотезао том, чтоэлектрический 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 напряжениемU,HL‑ лампа накаливания, на которойпадает(расходуется) все напряжениеU, 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 амперметромA. 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 токаI– времяt» (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, периодомТи длительностью импульсовτ. ОтношениеТ/τназывают 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 буквойfи 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 мощностьW(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 мм²или 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 мм²или 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). ВеличинаΔI называется шумом, а отношениеI_CP/ΔI– 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 Iв цепи равен частному от деления напряженияU, подведенного к цепи, на ее сопротивлениеR:

.

Так, если в схеме на рис. 1 напряжение U= 12 В, а сопротивление лампочкиR= 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 напряженийU₁иU_2-3равнаU, 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 R2 = 1 Ом, аR3 = 100 Ом, то суммарное сопротивлениеR_2-3будет 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 U₁иU_2-3(два неизвестных и два уравнения). Выразим из второго уравненияU₁черезUиU_2-3и получим

Подставим полученный результат в первое уравнение:

или, откуда путем алгебраических преобразований получаем:

.

Рассмотрим следующий пример: U= 12B,R1 = 10 Ом,R2 = 20 Ом,R3 = 40 Ом.

Определим R_2-3:

.

Определим U_2-3:

.

Определим U₁:

.

Определим величину тока I₁:

.

В точке В(рис. 8) токI₁«раздваивается» обратно пропорционально сопротивлению участков цепи, т.е.:

при условии, что(закон Кирхгофа).

То есть, снова имеется два уравнения и два неизвестных (I₂иI₃).

Выразим I₂в видеI₂=I₁–I₃и получим:

, или

Для данного примера при I₁= 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= 6Oм,R2= 4 Ом, то напряжениеU₂определится, 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_ВХдостаточно велико, в несколько раз большеR2, то величинаU₂будет определяться практически напряжениемU₁и соотношением сопротивленияR1иR2. В противном случае при расчетеU₂необходимо учитывать совместное сопротивление параллельно включенныхR2иR_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.

Некоторые правила чтения электронных схем

Обычно в электронных схемах происходит преобразование входного сигнала и создание выходного сигнала. Как правило, вход сигнала изображается в левой части схемы, а выход – в правой части. Таким образом, чтение схем производится слева направо.

Место подключения источника питания чаще всего показывается в правой части. Это обусловлено тем, что правая часть чаще всего насыщена более мощными электронными компонентами (выходной сигнал всегда мощнее входного).

Обычно электронная схема строится таким образом, что в ней выделяется «общий» проводник, который иногда называют «землей». Как правило, этот проводник соединен с «минусом» источника питания.

Для упрощения схем часто минусовой вывод элементов или блоков не доводят до линии общего «минуса», а обозначают его жирной короткой горизонтальной линией.

На рис. 12 и 13 изображены две произвольные электронные схемы, причем на рис. 12 использован «общий минусовой» проводник, а на рис. 13 - использовано его условное обозначение.

В этих схемах входной сигнал подается на «Вход», а «выходом» служит силовой элемент 2.

Контрольные вопросы

1. Что такое гипотеза, и когда она имеет право на существование?

2. Какая гипотеза используется при объяснении явления электрического тока в проводниках?

3. Как подключаются к электрическим схемам вольтметр и амперметр?

4. Что такое постоянный ток?

5. Что такое пульсирующий ток?

6. Что такое переменный ток?

7. Как передается электроэнергия на большие расстояния?

8. Что такое «шум» в электрической цепи?

9. Как формулируются законы Ома и Кирхгофа?

10. Что такое «падение напряжения», и как его измерить?

11. Что такое «делитель напряжения», и для чего он используется?

12. В каком порядке читаются электронные схемы?