Тема 1. Електричний струм. Електрорушійна сила і її джерела.

1. Електричний струм і його сила

Електричний струм являє собою впорядкований рух електронів або
іонів.
Електрони завжди рухаються від того місця, де вони перебувають у
надлишку, тобто від мінуса, туди, де є їх нестача, тобто до плюса. Але в
електротехніці (відтоді, коли ще не були відкриті електрони) прийнято умовно вважати, що струм іде від «плюса» до «мінуса», або від більшого потенціалу до меншого.
Струм виникає під впливом електричного поля, яке, діючи на електрони,
приводить їх у рух. Електричне поле має властивість поширюватися уздовж
провідника з величезною швидкістю, близької до швидкості світла - 300 000
км/с. З такою ж швидкістю тече електричний струм, незважаючи на те, що
швидкість переміщення електронів – частки міліметра в секунду.
Струм у провіднику нагадує рух води в довгій трубі, наповненій водою, до
одного кінця якої приєднаний насос. Якщо включити насос, то тиск досить
швидко передасться уздовж труби від одних часток води до інших і з
відкритого кінця труби потече вода. Однак вода, додана насосом, рухається
набагато повільніше, чим передається тиск, і дійде до кінця труби через
великий проміжок часу.
Електричний струм з кількісної сторони характеризують силою струму.
Сила струму – це величина електричного заряду, що проходить через
поперечний переріз провідника в одиницю часу.
Чим більше електронів проходить в одну секунду через поперечний
переріз провідника, тем більша сила струму (струм). Струм позначають буквою I й вимірюють в амперах.

    (1)
Струм рівний 1 А, якщо через поперечний переріз провідника в 1 с проходить 1 Кл електрики (6,3 10¹⁸ електронів).
Якщо струм у провіднику не міняє своїх величини й напрямку, його
називають постійним.
Інакше кажучи, постійний струм – це такий струм, який завжди йде в
одному напрямку з постійною силою.
Для виміру сили струму застосовуються амперметри. Щоб виміряти
струм у якому-небудь провіднику (мал. 1), треба в розрив провідника включити  амперметр (послідовне включення). Тоді струм пройде через прилад і буде виміряний.
Напруга, або різниця потенціалів на двох кінцях провідника, вимірюється
вольтметрами. При включенні вольтметра ланцюг не розривається, його
підключають до тих двох точок, між якими необхідно виміряти напругу. На
мал. 2 показане включення вольтметра для виміру напруги між точками А і Б
провідника, по якім протікає струм (паралельне включення).

У програмі електронного моделювання Multisim використовуються
наступні позначення:

а - Амперметр

б - Вольтметр.

2. Електрорушійна сила і її джерела

2. Електрорушійна сила і її джерела.
Для протікання по провідникові постійного струму на кінцях провідника
необхідно постійно підтримувати різницю потенціалів (напругу). Її створюють так звані джерела електрорушійної сили, що одержують електричну енергію з інших видів енергії.
У ланцюгах постійного струму як джерела електричної енергії
застосовуються: електромеханічні генератори, електрохімічні джерела
(гальванічні елементи, акумулятори), фотоелементи й ін. (мал. 4). При
перетворенні будь-якого виду енергії в електричну в джерелі відбувається
поділ позитивного й негативного зарядів і утворюється електрорушійна сила (ЕРС).
Електрорушійна сила (ЕРС) є причиною, що викликає рух
електричних зарядів, і визначає здатність сторонніх (неелектричних) або електромагнітних сил викликати електричний струм.

а - електромеханічний генератор

б – гальванічні елементи й батарея

в – акумуляторна батарея

г – сонячний фотоелемент

Мал. 4. Джерела електрорушійної сили постійного струму
Згідно із законом збереження енергії, кількість електричної енергії WИ ,
отриманої в джерелі, дорівнює роботі сторонніх або електромагнітних сил,
виконаної в процесі поділу заряду:
WИ =A  . (2)
Відношення цієї роботи до величини розділеного заряду виражає величину
ЕРС:
       (3)
де Ε - ЕРС. Як і напруга, ЕРС виміряється у вольтах (В). Таким чином, ЕРС 1 В з’являється, якщо для розділу 1 Кл електричного заряду виконана робота 1 Дж.
Враховуючи (1), (2) і (3), одержимо вираз енергії джерела:

 (4)

 Електрична енергія, одержувана в джерелі в одиницю часу, називається потужністю джерела:

            (5)

тут WИ - енергія джерела, виміряється в джоулях (Дж), PИ - потужність
джерела, виміряється у ватах (Вт).

2.1. Режими роботи джерел ЕРС

2.1. Режими роботи джерел ЕРС
Нехай зовнішній опір ланцюга R зменшений до нуля (мал. 3, а). Режим
електричного кола, при якім накоротко замкнута ділянка з одним або

декількома елементами, у зв'язку із чим напруга на цій ділянці дорівнює нулю, називається режимом короткого замикання. При R = 0 U = IR = 0,  I=Ε/ r.
Коли ланцюг розімкнутий, тобто R = ∞ , струм у ланцюзі відсутній: I = 0
(мал. 3, б). Джерело працює вхолосту, або в режимі холостого ходу. У цьому режимі напруга на затискачах джерела U Ir = Ε - максимальна й рівна його ЕРС Ε.
Якщо зовнішній опір R у кілька раз більше внутрішнього опору r, то
загублена усередині джерела напруга невелика, і напруга на затискачах
генератора U близька до ЕРС E. Такий режим навантаження джерела звичайно є найбільш бажаним, і його можна назвати нормальним режимом або режимом нормального навантаження (мал. 3, в). Окремим випадком нормального є номінальний режим роботи, установлений заводом-виготовлювачем для даного електротехнічного пристрою відповідно до пропонованих до нього технічних вимог.
Залежність напруги на затискачах джерела від струму навантаження
U = f (I) називають зовнішньою характеристикою джерела (мал. 4).

На мал. 4 точка А є точкою холостого ходу, у ній струм дорівнює нулю, а
напруга U досягає найбільшого значення U XX , тобто ЕРС E (відрізок ОА).
Точка Б є точкою короткого замикання, тому що для неї напруга дорівнює
нулю, а струм I досягає найбільшого значення IКЗ=Ε/r (відрізок ОБ дорівнює струму короткого замикання). Нормальний режим відповідає різним точкам поблизу точки А, наприклад точці М. Для цієї точки відрізок ОВ показує напругу на затискачах джерела, а відрізок ВА відповідає спаданню напруги усередині джерела.

3. Електричний опір. Резистор. Закон Ома для ділянки ланцюга

3. Електричний опір. Резистор. Закон Ома для ділянки ланцюга.
Різні речовини неоднаково проводять електричний струм і тому
розділяються на провідники, напівпровідники і діелектрики. Вплив речовини, у якій протікає струм, на значення струму враховується за допомогою
електричного опору.
Закон Ома для ділянки ланцюга визначає зв’язок між прикладеною
напругою U, опором ділянки R й силою струму в ланцюзі I: сила струму на
ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі, прикладеній до цієї ділянки й
обернено пропорційна опору:
 (6)

Мал. 5. Ділянка кола
На честь Георга Ома одиницю виміру опору назвали Ом (у ЄС і США
скорочене позначення Ω ). Опір 1 Ом має провідник, струм у якім при напрузі 1В = 1 А.
У радіоелектронній апаратурі для створення того або іншого опору
широко застосовуються резистори. Це найпоширеніші елементи електричних кіл.
Опір залежить від розмірів провідника, його матеріалу й температури.
Чим більше довжина провідника l й чим менше площа його поперечного
перерізу S , тим більше його опір R .

(7)

де ρ - питомий опір провідника, що залежить від матеріалу.

Мал. 6. Резистори
Зручно поперечний переріз S вимірювати в мм2, а питомий опір – в
Ом мм²/м. Для основних провідників значення питомого опору при температурі t = 20 °С наведено в таблиці 2.
Таб.2. Питомий опір провідників

4. Електричне коло і його елементи

Електричним колом називають сукупність пристроїв, призначених для
одержання, передачі, перетворення й використання електричної енергії.
Електричне коло складається з окремих пристроїв - елементів
електричного кола (джерел електричної енергії, її споживачів, пристроїв для
передачі енергії, перетворення, комутації, контролю і т.д.).
Джерело електричної енергії, її приймач і сполучні проводи вважаються
основними елементами кола, тому що при відсутності хоча б одного з них
електричне коло зібрати неможливо.
Джерела електричної енергії служать для одержання електричної енергії
з інших видів енергії – механічної, хімічної, тепловий, променистої. При
перетворенні будь-якого виду енергії в електричну в джерелі відбувається поділ позитивних і негативних зарядів і утворюється електрорушійна сила (ЕРС).
Приймачі електричної енергії служать для перетворення електричної
енергії в інші види енергії: механічну, теплову, світлову, хімічну.
Елементи ланцюга, що мають тільки один параметр, називають ідеальними.
Джерела електричної енергії (ЕРС, струму) належать до групи активних
елементів електротехнічних пристроїв.
До групи пасивних елементів ставляться: активний опір R, індуктивність
(індуктивна котушка) L і ємність (конденсатор) C.
В електротехнічних пристроях одночасно протікають три енергетичні
процеси.
1. В активному опорі відбувається перетворення електричної енергії в
тепло.
2. В індуктивному елементі енергія електричного поля джерела перетвориться в енергію магнітного поля котушки й навпаки.
3. У конденсаторі, при заряді, відбувається накопичення енергії джерела в
електричнім полі конденсатора й потім при розряді повернення її джерелу.

Величини опір R, індуктивність L і ємність C залежать від властивостей
пристрою, його конструкції і є параметрами цього пристрою.
Таб. 1. Таблиця ідеальних елементів електричного кола

4.1. Закон Ома для замкненого ланцюга

Якщо з'єднати провідниками полюси джерела ЕРС із тим приладом, який
повинен живитися струмом, наприклад, з лампою розжарювання, то виходить
найпростіше замкнене електричне коло (мал. 1).

Мал. 1. Просте електричне коло з одним джерелом і одним приймачем.

Поки джерело ЕРС працює (наприклад, поки в акумуляторній батареї
відбувається хімічна реакція), у ланцюзі діє ЕРС. Якщо замкнути вимикач, по
ланцюгу піде струм. Якщо розірвати ланцюг (розімкнути вимикач), струм
припиниться, але ЕРС залишається діяти й у розімкнутому ланцюзі.
Для того, щоб безупинно протікав струм, крім ЕРС, необхідно ще
наявність замкненого електричного ланцюга.
У кожному замкненому ланцюзі розрізняють внутрішню частину, тобто
джерело ЕРС, і зовнішню частину, до якої належать усі прилади й проводи,
підключені до джерела ЕРС. Умовно вважають, що струм у зовнішньому
ланцюзі йде від «плюса» джерела до «мінуса», а усередині джерела - від
«мінуса» до «плюса».
Кожне джерело ЕРС завжди має деякий опір. Його називають внутрішнім опором і позначають r (мал. 2). Струм усередині джерела ЕРС
зустрічає в ньому опір, як і в будь-якому провіднику. Акумулятори мають
внутрішній опір близько часток ома, гальванічні елементи – від часток ома до
декількох ом.
Зовнішній опір частий називають навантажувальним опором або
навантаженням.

Мал. 2. Замкнене коло

Відповідно до закону Ома для всього ланцюга сила струму в
замкненому ланцюзі є відношення ЕРС до повного опору ланцюга, тобто сумі зовнішнього й внутрішнього опорів:

4.2. Схеми електричних кіл

4.2. Схеми електричних кіл
Графічне зображення електричного кола, що містить умовні позначки
елементів й показує з'єднання між ними, називається схемою електричного
кола.
Найбільш загальні відомості про електротехнічний пристрій містить
структурна схема, на якій показані основні функціональні частини приладу, їх призначення й взаємозв'язки.
Судити про особливості функціональних частин і деталей, з яких вони
полягають, процесах, що протікають в окремих частинах і пристрої в цілому, за структурною схемою неможливо. Для цього призначені принципові
електричні схеми, на яких показані всі елементи пристрою й усі зв'язки між
ними. Поруч із умовними графічними позначеннями (УГП) деталей вказуються їхні позиційні позначення, що полягають із однієї або двох букв латинського алфавіту, привласнених даному виду елементів, і цифр, що позначають номера однотипних елементів на схемі.

Мал. 1. Схеми приймача прямого підсилення: а) структурна; б) принципова

Функціональні схеми займають проміжне положення між принциповими
й структурними й сполучають у собі характерні риси обох, вони досить
докладні для вивчення процесів, що відбуваються, але не містять надлишкової інформації.