Лекція 1. Загальні поняття та визначення в електротехніці

Стан електричного кола характеризується двома основними параметрами: струмом (електричним струмом) і напругою (електричною напругою).

Електричний струм у провіднику можна визначити на підставі уявлення про впорядкований рух електричних зарядів. При цьому струм відображатиме швидкість вказаного руху зарядів у провіднику. Отже матимемо

                                       (1.1)

Де q - величина заряду, що переноситься крізь визначений переріз провідника (вимірюється у кулонах – Кл);

t - час, за який заряд q перетинає вказаний переріз провідника (основна одиниця виміру – секунда – с).

Величина струму вимірюється в амперах (А), при цьому

.

Отже струм є швидкістю змінення у часі заряду, який протікає крізь визначений переріз провідника. Це скалярна алгебраїчна величина, котра, як видно, може бути як від’ємною так і додатною, що залежить від напрямку руху зарядів.

З (1.1) видно, що в загальному випадку струм є функцією часу. За цією ознакою розрізняють струм постійний і змінний.

Постійний струм характеризується тим, що його параметри не залежать від часу, тоді як параметри змінного струму змінюються у часі за тим чи іншим законом (наприклад, синусоїдальним або трапецеїдальним тощо). Ці питання детальніше розглядатимемо у подальшому.

Для однозначного визначення позначки струму під час аналізу електричних кіл один з його можливих напрямків умовно приймається за додатний (див. рис. 1.3).

Рис. 1.3. Позначення напрямку протікання струму між двома вузлами електричного кола

Звичайно, поняття напрямку цілком прозоре за умови постійного струму, однак і при аналізі електричних кіл змінного струму це поняття (з урахуванням особливостей змінного струму) широко використовується.

Взагалі кажучи, напрямок струму під час аналізу електричного кола можна вибирати довільно. Головне встановити відповідне правило такого вибору й строго дотримуватися його протягом проведення такого аналізу.

Умовно-додатний напрямок струму (в рамках усього навчального посібника) вибиратимемо співпадаючим з напрямком переміщення провідником додатних зарядів. Тобто вважатимемо, що провідниками електричного кола струм тече від вузлів з більшим потенціалом до вузлів з меншим потенціалом.

Проходження струму провідником супроводжується перетворенням або споживанням енергії. Для визначення енергії, яка витрачається в електричному колі (точніше на визначеному відрізку цього кола) вводиться поняття електричної напруги.

Електрична напруга визначається як величина втрати енергії на переміщення одиниці заряду між двома точками кола, а саме

                                   (1.2)

Де w - енергія, що витрачається на переміщення одиниці заряду вздовж кола між двома встановленими точками (одиниця виміру – джоуль[3] – Дж).

Величина напруги вимірюється у вольтах (В), при цьому

.

Напруга, як і струм, є скалярною алгебраїчної величиною.

Для однозначного визначення напруги одному з виводів (одній з двох встановлених точок кола) умовно приписують додатну полярність, що позначається стрілкою або позначкою «+». На практиці вибирається умовно-додатний напрямок напруги, який співпадає з напрямком зменшення потенціалу. Звичайно наведене правило безпосередньо може бути використане для електричних кіл постійного струму. Однак і в процесі аналізу електричних кіл змінного струму (як буде показано в подальшому) вказане правило, з певними застереженнями, цілком слушне.

Під час аналізу електричних кіл для запобігання плутанини напрямки напруги та струму слід узгоджувати. Зазвичай таке узгодження робиться за домовленістю. В даному навчальному посібнику узгодженні напрямки струму та напруги прийняті так, як це показано на рис. 1.4.

Із співвідношення (1.2) для визначення напруги між двома точками електричного кола неважко отримати співвідношення для визначення енергії, що витрачається на відрізку електричного кола з напругою u до моменту часу t.

Враховуючи формулу (1.1) для визначення струму, матимемо

                            (1.3)

 З наведеного співвідношення видно, що величина електричної енергії може бути виражена через величину напруги, струму та часу і матиме розмірність «В·А·с».

Рис. 1.4. Вибір та позначення напрямку напруги (а) та струму (б) в електричному колі

Диференціювання (1.3) за часом, дозволяє отримати швидкість змінення енергії у часі, тобто електричну потужність, що втрачається (розвивається) на відповідному відрізку електричного кола

                                            (1.4)

 Електрична потужність вимірюється у ватах (Вт), тобто

.

Потужність є алгебраїчною величиною, позначка якої визначається позначками напруги та струму, згідно відомих математичних правил. Додатна позначка потужності визначатиме її споживання в даному електричному колі (на даній ділянці кола), тоді як від’ємна – говорить про те, що потужність на даній ділянці електричного кола генерується.

Зазначимо, що струм і напруга можуть бути функціями часу. Вид таких функцій може бути довільний. У визначених випадках ці функції можуть бути постійними або періодичними у часі.