ГЛАВА I
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 1. Основные определения
Электрической цепью называется совокупность источника, приемника электрической энергии и соединительных проводов, образующих замкнутые пути для электрического тока. В источниках, в зависимости от природы, происходит преобразование какого-либо вида энергии (химической — в гальванических элементах и аккумуляторных батареях, механической — в генераторах, тепловой — в термоэлементах и т. д.) в электрическую.
Источник характеризуется величиной электродвижущей силы (ЭДС) — Е, под которой понимается разность потенциалов на зажимах разомкнутого источника. Под потенциалом данной точки понимается работа, совершаемая силами электрического поля при
Рис. 1
перемещении единичного положительного заряда из данной точки цепи в некоторую другую, принятую за точку с нулевым потенциалом. В качестве последней может быть принята любая точка цепи или ее заземленная точка. Источник ЭДС изображается на схемах условным знаком (см. рис. 1, где стрелка указывает направление возрастания потенциала; потенциал зажима b больше потенциала зажима а на величину Е; источник является активным элементом электрической цепи).
На транспортных и экспедиционных судах, на метеорологических станциях основным источником электрической энергии являются электромеханические генераторы с приводом от дизеля и аккумуляторные батареи. На космических аппаратах используются полупроводниковые элементы с прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую. В качестве перспективных источников электрической энергии в будущем, очевидно, найдут применение генераторы, работающие на принципе использования разности температур глубинных и верхних слоев морей и океанов.
В приемниках электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии: механическую — в электродвигателях, тепловую — в резисторах и нагревательных элементах, световую — в электролампах и т. д.
На экспедиционных и исследовательских судах следует выделить особую группу приемников: точные измерительные приборы и системы, самописцы, ЭВМ, автоматические навигационные системы и другие приборы, особенностью работы которых является необходимость поддержания высокой стабильности напряжения источника электрической энергии.
Приемники постоянного тока характеризуются величиной электрического сопротивления, которое на схемах условно изображается в виде прямоугольника и обозначается буквой R (рис. 2). Сопротивление является пассивным элементом цепи, или пассивной нагрузкой. Каждое сопротивление электрической цепи характеризуется двумя основными параметрами: током и напряжением.
Сила тока определяется количеством электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени, т. е.
где I — сила тока, A; q — количество электричества, К; t — время, с.
Для измерения малых величин тока используются миллиампер (1 мА=1-10-3 А) и микроампер (1 мкА=1-10-6 А), а для больших токов — килоампер (1 кА=103 А).
При работе с электротехническими устройствами и приборами необходимо учитывать опасный для человека уровень электрического тока. Человеческий организм ощущает ток величиной 0,005 А, а ток в 0,05 А опасен для жизни.
Для протекания электрического тока в пассивном элементе цепи к нему должна быть приложена разность потенциалов U. Напряжение на приемнике равно разности потенциалов на его зажимах. Физически напряжение определяет работу, затрачиваемую источником на перенос единицы заряда от одного зажима к другому, т. е.
(2)
где Uаb —электрическое напряжение, В; φa и φb — электрические потенциалы точек а и b, В; Ааb —работа, затрачиваемая на перемещение заряда q из точки а в точку b, Дж; q — перемещаемый заряд, К.
§ 2. Основные законы электрических цепей
Изучение электрических цепей удобно вести при помощи электрических схем, под которыми понимается графическое изображение цепи с использованием условных обозначений и ГОСТов, отражающее соединение ее элементов. На схемах принято выделять активные участки цепи, т. е. участки с источниками ЭДС, и пассивные, т. е. участки без ЭДС. Применительно к схеме рис. 3 участок цепи а, Е, r0, b будет активным участком, а участок a, R, b— пассивным. Величина r0 определяет внутреннее сопротивление источника.
На пассивном участке цепи за действительное направление тока принимают
направление перемещения положительных зарядов, т. е. движение их от более высокого потенциала к более низкому. При этом следует иметь в виду, что если сопротивление выполнено из металла (проводник первого рода), то фактически в цепи движутся электроны, образующие ток, направленный в противоположную сторону. На активном участке цепи, где перемещение зарядов происходит под действием сторонних сил (внутреннего поля источника), направление тока совпадает с направлением ЭДС и имеет,
следовательно, обратное направление по отношению к зажимам. Направление действия ЭДС обозначается стрелкой, указывающей направление возрастания потенциала.
Ток в цепи зависит не только от величины и направления ЭДС, но и от электрического сопротивления цепи. Соотношение этих величин определяется одним из основных законов электрической цепи — законом Ома, к открытию которого близко подошел еще в 1801 г. академик В. В. Петров. Позднее, в 1826 г., закон был сформулирован Г. С. Омом.
Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром электрической цепи. Два контура называются независимыми, если имеется по крайней мере одна не общая обоим контурам ветвь. Данный n-й контур называется независимым от других n—1 контуров, если он содержит по крайней мере одну новую ветвь, т. е. ветвь, не входящую ни в один из остальных контуров.
Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрической цепи и может быть сформулирован следующим образом: алгебраическая сумма падений напряжения в замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС в том же контуре
