4.6. Положительные направления токов и напряжений

Для однозначности описания процессов, происходящих в каком-либо элементе цепи, необходимо знать не только величины его тока и напряжения, но также их направления в рассматриваемый момент времени. Действительно, если задан график изменения тока (см. рис. 4.1, б) или его уравнение, то по ним можно утверждать, что ток через полупериод изменяет свое направление на обратное и величина его для момента t₁положительна, но направление тока в элементе в этот момент неизвестно. Чтобы ответить на этот вопрос, одно из двух возможных направлений тока в элементе берут за основное и указывают его на схеме стрелкой. Стрелки, поставленные на схемах, указывают положительные направления э.д.с, напряжений и токов, т.е. такие направления, для которых значения обозначенных величин положительны.

Если, например, в заданный момент времени значения величин положительны: Е > 0, V > 0, I > 0, е > 0, e > О, i > О, то их действительные направления в этот момент времени совпадают с направлениями, указанными на схеме стрелками. Если значения этих величин отрицательны, то их действительные направления противоположны направлениям, указанным на схеме стрелками.

Рассмотрим примеры цепей и. поясним значение поставленных на их схемах стрелок. На рис. 4.9 приведены схемы соединений двух простейших цепей постоянного (а) и изменяющегося (б) токов, состоящих из идеальных источников питания с э.д.с. Е и е и электрических ламп, подключенных непосредственно к внешним зажимам источников. На рис. 4.10 даны схемы замещения этих цепей, на которых электрические лампы представлены резистивными элементами с сопротивлением r. На рис. 4.11 изображены графики э.д.с. источников питания.

Из физики известно, что за положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов, за положительное направление э.д.с. — направление действия сто­ронних сил на положительный заряд, за положительное направление напряжения — направление убывания потенциала. Так как положительные заряды внутри источника движутся в направлении действия сторонних сил, а в приемнике — в направлении убывания потенциала, то положительные направления тока и э.д.с. источника, тока и напряжения приемника совпадают.

Положительное направление напряжения на внешних зажимах источника противоположно положительному направлению тока источника. Следовательно, положительные заряды внутри источника в этот момент времени движутся в направлении возрастания потенциала, и их энергия возрастает на величинуqE = W_эилиqe = W_e. В приемнике положительные заряды при этом движутся в направлении убывания потенциала, и их энергия убывает на величинуqUилиqu. Развиваемая источником мощностьР = ЕIилир = еiи мощность участка цепи Р = UIилир =uiбудут положительны только при совпадающих положительных направлениях э.д.с. и тока источника, а также напряжения и тока приемника.

Воспользуемся понятием о положительных направлениях для описания процесса в цепях, схемы которых приведены на рис.4.12, а и 4.13, а.

Предположим, что источники питания идеальны: U = Еиu = е, графики их напряжений заданы на тех же рисунках (см. рис. 4.12, б и 4.13, б), а подключение ламп к источникам осуществлено в момент прохождения и от отрицательных значений к положительным, т. е. в точке О.

После включения лампы потенциал зажима а относительно потенциала зажима bв первой схеме начнет увеличиваться, а во второй - уменьшаться. Следовательно, в первой схеме лампа должна светить более ярко.

При t > T/2яркость лампы в первой схеме уменьшается, а во второй – увеличивается. Изменение яркости ламп можно наблюдать и визуально, если частота синусоидальной э.д.с. мала (1 – 3 Гц) и имеется возможность осуществить подключение лампы в заданный момент времени.