Напряжение, мощность и сопротивление в электрической цепи

Электрической цепью считается комплекс определенных элементов и устройств, специально предназначенных для протекания электрического тока, в которых электромагнитные процессы можно описать, благодаря таким понятиям, как напряжение и сила тока. Изображение электрической цепи условными знаками называется электрической схемой.

Напряжение в электрической цепи

Для рассмотрения напряжения электрической цепи имеет смысл определить такое понятие, как электрический ток. Электроток характеризуется заряженными частицами, пребывающими в каком-то из проводников в упорядоченном движении. Для его возникновения заранее формируется электрическое поле, оказывающее определенное воздействие на заряженные частицы и приводящее их в движение. Возникновение зарядов при этом будет наблюдаться исключительно в том случае, когда различные вещества между собой тесно контактируют.

В некоторых отдельно взятых видах веществ заряды будут свободно перемещаться среди их разных частей, в то же время, в других веществах это не осуществляется. В этих случаях проводящие вещества называют проводниками, а непроводящие считаются диэлектриками (или изоляторами). При этом в физике подобное разделение всего лишь условное. Способностью проводить электричество обладают любые вещества, но одним она присуща в большей степени, другим – в меньшей.

Электрический ток, как явление свободных зарядов в упорядоченном движении, характеризуется силой тока, равнозначной количеству электричества (заряда), проходящему за единицу времени через поперечное сечение вещества. Таким образом, если за время $dt$ по сечению вещества переносится некий заряд $dq = dq + dq$, то ток будет выражен в формуле:

$i = \frac{dq}{dt} = \frac{q}{t}$

Согласно характеру своего проявления, электрические заряды бывают: положительными и отрицательными. Ток в теле, которое было наэлектризовано, будет существовать непродолжительное время, что объясняется постепенным угасанием заряда самого по себе. С целью более продолжительного существования тока в проводнике потребуется обеспечение постоянной поддержки в нем электрического поля.

Электрическое поле может сформировать исключительно какой-либо источник электротока.

Изобретенная в свое время батарея стала первым стабильным источником электрического тока. Основными величинами выступают:

• сила тока;
• сопротивление;
• напряжение.

Данные величины, имея тесную взаимосвязь между собой, наиболее точным образом могут охарактеризовать происходящие в электрической цепи процессы.

В качестве одного из факторов, воздействующих непосредственно на работу тока, и выступает напряжение, представляющее собой отношение работы к заряду, который пройдет через определенный участок цепи. Единицей измерения работы тока выступает джоуль (Дж), а заряда – кулон (Кл). Единицей напряжения, таким образом, будет 1 Дж/Кл (или один вольт (В)).

Чтобы возникло напряжение, потребуется источник тока. В ситуации с разомкнутой цепью напряжение присутствует только на клеммах источника. Если включить источник в цепь, на ее отдельных участках можно зафиксировать появление напряжения, а, соответственно, и тока. Напряжение можно измерить вольтметром, включенным параллельно в электрическую цепь.

Электрический потенциал $ф$ представляет отношение энергии (работы) $Э$ электрического поля к единичному заряду $q_0$ (малый заряд, который не искажает поле, куда он внесен). Формула получается при этом следующая:

$dф = \frac{dЭ}{dq_0} = \frac{Э}{q_0}$

Электрическое напряжение является разностью потенциалов между двумя точками электрополя (например, 1 и 2), что выражается формулами:

$U_{1-2} = ф_1 - ф_2 = \frac{dЭ_1}{q_0}-\frac{dЭ_2}{q_0} = \frac{dЭ_{1-2}}{q_0}$

$U_{1-2} = \frac{Э_{1-2}}{q_0}$

$U_{2-1} = -\frac{Э_{1-2}}{q_0}$

Таким образом, электрическое напряжение считается работой электрического поля, ориентированного на перемещение единичного заряда из одной точки в другую. В пассивных элементах цепи положительное направление напряжения будет совпадать с положительным направлением тока.

Мощность в электрических цепях

Мощность, определяя скорость совершения работы в единицу времени, считается равной произведению напряжения и силы тока:

$P = IU$, где:

• $P$ – мощность тока,
• $I$ – сила тока,
• $U$ – напряжение в цепи.

Мощность является величиной, обозначающей интенсивность передачи электроэнергии. С целью измерения мощности применяются ваттметры. Мощностью определяется работа по перемещению электрических зарядов за единицу времени:

$P = \frac{A}{\delta t}$

Здесь:

• $A$ – работа,
• $\delta t$– время, на протяжении которого такая работа совершалась.

Мощность тока в разных приборах и оборудовании будет зависеть параллельно от таких основных величин, как напряжение и сила тока. Чем выше будет ток, тем большим окажется значение мощности, соответственно, она возрастает и если напряжение повысится.

Существует две основных разновидности электрической мощности:

• активная;
• реактивная.

В первом случае мощность электротока безвозвратно превращается такие виды энергии, как:

• механическая;
• тепловая;
• световая;
• прочие.

В производственной и бытовой среде применяются уже более крупные значения: киловатты и мегаватты. К реактивной мощности будет относиться такая степень электрической нагрузки, которая создается в устройствах индуктивными и емкостными колебаниями энергии электромагнитного поля.

Сопротивление в электрической цепи

Электрическое сопротивление является определяющей величиной для силы тока, текущего при заданном напряжении по цепи. Под электрическим сопротивлением $R$ понимается отношение напряжения, возникшего на концах проводника, к силе тока, который течет по проводнику.

$R = \frac{U}{I}$, где

• $R$- электрическое сопротивление проводника;
• $U$ - напряжение;
• $I$ - сила тока.

При расчетах напряжений и токов через элементы электроцепи нужно знать показатель их общего сопротивления. Источники энергии существуют в двух разновидностях: постоянный ток (аккумуляторы, выпрямители, батарейки) и переменный ток (промышленные и бытовые сети). В первом случае ЭДС со временем не изменяется, а во втором она будет изменяться, согласно синусоидальному закону с определенной частотой.

Сопротивление нагрузки существует в активном и реактивном виде. Активное сопротивление $R$ не зависит от частоты сети, что говорит об изменении тока синхронно с напряжением. Реактивное сопротивление бывает индуктивным и емкостным.

Со временем будет фиксироваться уменьшение тока и возрастание напряжения до заряда конденсатора. При подключении к источнику переменного тока конденсатора, он начнет постоянно перезаряжаться с частотой сети, а ток будет увеличиваться раньше напряжения.