Электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов. В проводниках участвуют как положительные ( ), так и отрицательные ( ) носители, однако в классической теории цепей удобнее рассматривать ток как движение положительного заряда. Сила тока определяется как количество заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за единицу времени:
Таким образом, ток — это скорость изменения электрического заряда во времени. Заряд одного электрона составляет всего Кл, поэтому даже небольшой ток соответствует огромному числу движущихся частиц.
Важно помнить: ток — величина алгебраическая, то есть имеет знак. В физике за положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов. Однако в реальных цепях истинное направление зарядов часто неизвестно. Поэтому в ТОЭ вводят условно положительное направление тока, которое выбирают произвольно и обозначают стрелкой на схеме (рис. 1.4).
Это направление не отражает физическую реальность, а лишь задаёт систему отсчёта для расчётов. Например, если ток направлен от точки 1 к точке 2, его обозначают как . Очевидно, что .
Потенциал и напряжение
Каждая точка в электрической цепи характеризуется электрическим потенциалом — работой, которую необходимо совершить силами электрического поля для переноса единичного положительного заряда из бесконечности в данную точку.
Ток всегда течёт от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким. Если потенциалы двух точек равны, ток между ними отсутствует.
Напряжение между двумя точками — это энергия, затраченная на перемещение единичного заряда из одной точки в другую:
Как и ток, напряжение — величина с направлением. Условно положительное направление напряжения обычно согласуют с направлением тока и также обозначают стрелкой (рис. 1.4). В этом случае стрелка указывает от точки с потенциалом к точке с потенциалом , и напряжение выражается как разность потенциалов:
При согласованном выборе полярностей достаточно указывать только направление тока — напряжение автоматически считается положительным в том же направлении.
Энергия и мощность в цепи
При прохождении тока через участок цепи с напряжением происходит преобразование электрической энергии — в тепло, свет, механическую работу и т.д. Энергия , затраченная на перемещение заряда от момента времени (где энергия принята за ноль) до текущего момента , определяется как:
Энергия всегда положительная скалярная величина, измеряемая в джоулях (Дж).
Мощность — это скорость изменения энергии во времени, то есть работа, совершаемая за единицу времени. Мгновенная мощность на участке цепи равна:
Мощность — величина алгебраическая. Её знак зависит от направлений тока и напряжения:
- Если ток и напряжение совпадают по направлению (одинаковые знаки), мощность положительна — участок потребляет энергию (например, резистор).
- Если ток и напряжение противоположны, мощность отрицательна — участок отдаёт энергию в цепь (например, источник).
Это правило лежит в основе классификации элементов цепи.
Активные и пассивные элементы
Все компоненты электрической цепи делятся на два типа:
- Активные элементы — генерируют электрическую энергию (источники напряжения, тока, аккумуляторы, генераторы). Они могут отдавать мощность в цепь, поэтому их мощность часто отрицательна в пассивном знаковом соглашении.
- Пассивные элементы — потребляют или накапливают энергию (резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы). Их мощность положительна или колеблется около нуля (в реактивных элементах).
Понимание этих базовых понятий — тока, напряжения, мощности и их взаимосвязей — необходимо для анализа любой электрической цепи, будь то простой делитель напряжения или сложная система связи.
Интересный факт 💡
Первое точное определение электрического тока дал Андре-Мари Ампер в 1820 году — за 30 лет до появления электронов в науке! Он описал ток как «математическое направление движения невидимой жидкости» — и этот подход до сих пор лежит в основе ТОЭ.