Общие сведения об электрических цепях

Главная задача электротехники - передача и использование электромагнитного поля для приведения в действие мощных машин, механизмов, источников света, тепла и для других энергетических преобразований. В электротехнике электромагнитное поле передаётся из одной точки пространства в другую вдоль проводов, благодаря чему удаётся осуществить высокую степень концентрации электромагнитного поля и несомой им энергии в пространстве диэлектрика, окружающего провода. Широко используются процессы, при которых напряжение и ток изменяются во времени по гармоническому закону. Промежуток времени, по истечении которого значения этих величин повторяются, носит название периода Т. Величина, обратная периоду, называется частотой и измеряется в Герцах (Гц) (циклах в секунду - циклическая частота). Также используются единицы: 1 кГц = 10³ Гц; 1 МГц = 10⁶ Гц; 1 ГГц = 10⁹ Гц; 1 ТГц = 10¹² Гц.

Электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с некоторой скоростью n называют электромагнитной волной. За период Т электромагнитная волна распространяется на расстояние длины волны: l = nТ = n/f. Для вакуума и воздуха скорость n = с = 3×10⁸ м/с и длина волны l [м] = c/f = = 300/(f [МГц]).

Если заряды находятся в движении, то с ними связано и магнитное поле, т. е. магнитная составляющая электромагнитного поля Н. Измеряется Н в амперах на метр [А/м]. Всякое движение заряженных частиц (сокращенно, зарядов) называется электрическим током. Ток в проводящей среде называют током проводимости. Если через рассматриваемую поверхность среды за промежуток времени Dt переносится количество электричества Dq, то мгновенное значение тока (значение его в данный момент времени) равно:

. (1.1)

Таким образом, ток определяется как скалярная величина, равная пределу отношения количества электричества, переносимого заряженными частицами сквозь рассматриваемую поверхность в течение некоторого промежутка времени, к величине этого промежутка времени, когда последний стремится к нулю. Измеряется в Амперах (А).

Ток может быть неизменным во времени. Тогда его называют постоянным током и обычно обозначают буквой I. Постоянный ток I равен количеству электричества, переносимому через рассматриваемую поверхность в единицу времени (секунду): I = q/t, где q - количество электричества, перенесенное за время t. Вообще I является функцией времени и может иметь разные величину и знак в различные моменты времени.

Совокупность устройств, предназначенных для прохождения в них электрических токов, называется электрической цепью. Всякая цепь содержит один или несколько источников (генераторов) электромагнитной энергии, называемых активными элементами цепи. Все остальные ее участки носят наименование пассивных элементов. Для переноса элементарного заряда dq через какой-либо пассивный участок цепи, необходимо затратить энергию dw = udq. Здесь u - мгновенное значение напряжения (разности потенциалов) на зажимах пассивного участка цепи. Напряжение определяется как предел отношения работы сил электрического поля при переносе заряда через заданный пассивный участок к величине этого заряда, когда последний стремится к нулю: u = dw/dq. Измеряется u в Вольтах (В). Напряжение - скалярная величина. В общем случае оно является функцией времени u = u(t).

Если напряжение не зависит от времени, его называют постоянным напряжением и обычно обозначают U. Постоянное напряжение U равно работе сил поля при переносе единичного заряда вдоль заданного участка цепи: U = W/q, где W - работа сил поля при переносе заряда q .