Постійний струм та кола постійного струму.  

 Струм та його щільність. Електричний  струм  -  це  спрямований  рух  заряджених  часток  під  дією  електричного  поля  в  провіднику.  Позначається  -  І, А(ампер). Сила  струму  -  це  кількість  зарядів,  які  пройшли  скрізь  поперечну  площину  провідника  в  одиницю  часу:  

 I=q/t

де - t час, с.

Малюнок 3.1.1. Напрям руху позитивних зарядів. 

Постійний струм - це струм, який не змінюється ні за  значенням  ні  за напрямком  з  часом.  За  додатній  напрямок  струму приймають напрямок переміщення протонів, тобто назустріч електронам  -  від  "+"  до  "-". Щільність струму - це величина, яка чисельно дорівнює  відношенню сили струму до площини поперечного перерізу  проводу,  по  якому  проходить  цей  струм:

J=I/S

де - S площа  поперечного  перерізу  проводу,  мм².

Вимірюється щільність струму в амперах на метр квадратний: А/м². Щільність струму є вектором. Напрям вектора щільності струму збігається з напрямком напруженості електричного поля. Таким  чином,  густина  струму  визначається  зарядом,  який  проходить  через  одиницю  поперечного  перерізу  провода  в  одиницю  часу.  Заряд  пропорціональний  швидкості  руху заряджених  часток,  а  швидкість  руху  пропорціональна  напруженості  електричного  поля:

J=ɣ*E

де - ɣ коефіцієнт пропорціональності, який називають  питомою електропровідністю провідника. При постійній  температурі  питома  електропровідність  провідника  теж  постійна.  При збільшені температури у провідників першого класу  електропровідність  зменшується,  а  у  провідників  другого  класу  збільшується. Електропровідність провідника позначається - G.  Вимірюється  у  См.

G=ɣ*E/l

де  l  -  довжина  провідника, м.

Тобто,  електропровідність  провідника  залежить  від  довжини  та  поперечного  перерізу  проводу,  та  при  постійній  температурі  електропровідність  даного  проводу  постійна.  Щільність  струму  -  векторна  величина,  яка  направлена  за  нормаллю  до  площини  поперечного  перерізу  провода.  Щільність  струму  при  різних  площинах  поперечного  перерізу  провідника  різна:  чим  більший  переріз,  тим  менша густина  струму,  та  навпаки.

Резистори.

Резистор або опір  (від лат. resisto - опираюся) — пасивний елемент електричного кола, призначений для використання його електричного опору. Основною характеристикою резистора є величина його електричного опору. Для випадку лінійної характеристики, значення електричного струму крізь резистор в залежності від електричної напруги, описується законом Ома. Резистори належать до електронних компонентів, що застосовуються в схемах електротехніки та електроніки для обмеження сили струму та розподілу напруги. Резистори — найпоширеніші пасивні компоненти електронної апаратури, що використовуються як навантаження, споживачі та подільники в колах живлення, як елементи фільтрів, шунти, в колах формування імпульсів тощо. 

Основні параметри резисторів

Резистори характеризують номінальним значенням електричного опору (від частин Ома до 1000 ГОм), прийнятним відхиленням від нього (0,001…20 %), максимальною потужністю розсіювання (від сотих часток Вт до декількох сотень Вт), граничною електричною напругою та температурним коефіцієнтом електричного опору.

Класифікація резисторів

Залежно від призначення, резистори діляться на дві групи: резистори загального призначення та резистори спеціального призначення, до яких належать: високоомні резистори, високовольтні резистори, високочастотні резистори та прецизійні резистори.За видом резистивного матеріалу резистори класифікуються на:

• дротяні резистори (найдавніші) — відрізок дроту з високим питомим опором, намотаний на неметалевий каркас. Можуть мати значну паразитну індуктивність;
• плівкові металеві резистори — тонка плівка металу з високим питомим опором, напилена на керамічне осердя, на кінці якого вдягнуті металеві ковпачки з дротяними виведеннями. Це найпоширеніший тип резисторів;
• металофольгові резистори — як резистивний матеріал використовується тонка металева стрічка;
• вугільні резистори — бувають плівковими і об'ємними. Використовують високий питомий опір графіту;
• напівпровідникові резистори — використовують опір слабколегованого напівпровідника. Ці резистори можуть бути як лінійними, так і мати значну нелінійність вольт-амперної характеристики. В основному використовуються в складі інтегральних мікросхем, де інші типи резисторів застосувати важче.

За характером зміни опору резистори поділяються на:

• резистори сталого опору;
• регульовані резистори змінного опору (потенціометри);
• підлаштовні резистори змінного опору.

За видом монтажу резистори бувають:

• для навісного монтажу, з дротяними виводами (англ. Through Hole Technology (THT));
• для поверхневого монтажу (англ. Surface Mount Device (SMD));
• комбінації резисторів в одному загальному блоці, зазвичай мініатюрного виконання (збірки, мікромодулі, матриці, мікросхеми).

За видом вольт-амперної характеристики:

• лінійні резистори;
• нелінійні (напівпровідникові) резистори:
  1. варистори — опір залежить від прикладеної напруги;
  2. терморезистори — опір залежить від температури;
  3. фоторезистори — опір залежить від освітленості;
  4. тензорезистори — опір залежить від деформації резистора;
  5. магніторезистори — опір залежить від величини напруженості магнітного поля.

Послідовне, паралельне та змішане з’єднання опорів.

З’єднані між собою за допомогою провідників джерела струму (батарейки, акумулятори, генератори) і пристрої, які споживають електричну енергію, називають електричним колом. Якщо електричне коло ніде не має розривів то таке коло є замкнутим. Відомо що постійний електричний струм може проходити тільки в замкнутому електричному колі. Повний електричний опір замкнутого електричного кола складається з двох основних частин: з внутрішнього опору джерела струму і зовнішнього опору, який складається з опору споживача і опору провідників (мал..3.7.1).

Малюнок 3.7.1 Зовнішня і внутрішня частини електричного кола.

Таким чином, якщо позначити опір кола R, внутрішній опір R_внутр. і зовнішній опір R_зовн., то загальний опір всього кола буде рівний:

R=R_внутр.+R_зовн.

Що стосується електрорушійної сили джерела струму, то частина її йде на подолання внутрішнього опору джерела струму, інша витрачається на подолання опору зовнішнього кола. Тому і е.р.с. може бути представлена у вигляді суми: напруги всередині джерела струму (U_внутр.) і напруги у зовнішньому колі (U_зовн.):

E=U_внутр.+U_зовн.

Як відомо, в замкнутому електричному колі струм циркулює завжди в одному і тому ж напрямку, тому у зовнішньому колі він іде від плюса джерела струму до його мінуса, всередині ж джерела струму, струм протікає від негативного полюса до позитивного. З попереднього відношення, яке ми отримали для визначення е.р.с. видно, що напруга на затискачах джерела струму, тобто зовнішнє падіння напруги можна отримати віднявши від величини яка визначає е.р.с. величину внутрішнього падіння напруги:

U_зовн.=E-U_внутр.

Послідовне з’єднання. 

Електричне коло може бути складено так, що початок одного опору з’єднується з кінцем другого,  струм при цьому проходить послідовно один за одним всі опори. Таке з’єднання називається послідовним. Загальний опір кола, яке складається з декількох з’єднаних послідовно опорів, рівний сумі цих опорів (мал..3.7.2).

Мал.. 3.7.2 Послідовне з’єднання резисторів. 

Коло складається з послідовно ввімкнених опорів. Опір цього кола буде рівний:

R=R₁+R₂+R₃.

Очевидно, що сила струму в такому колі буде однакова у всіх його частинах. Напруга на затискачах кола рівняється сумі напруг на окремих її ділянках:

U=U₁+U₂+U₃.

Паралельне з’єднання.

Паралельним з’єднанням опорів називається таке з’єднання, при якому з однієї сторони з’єднуються всі початки опорів, а з іншої – всі їх кінці (мал..3.7.3).

Мал.. 3.7.3 Паралельне з’єднання опорів.

При такому з’єднанні струм розгалужується, проходячи одночасно по декільком опорам. Всі опори паралельного кола знаходяться під однаковими напругами, тому:

U=U₁=U₂=U₃;    I=I₁=I₂=I₃.

Загальний опір паралельного кола менший опору любої з складових гілок цього кола. Що стосується провідності паралельного кола, то вона рівна сумі провідностей окремих гілок всього кола. Таким чином, провідність кола, яка зображена на мал..3.7.3, буде рівна:

G=G₁+G₂+G₃.

або

Щоб отримати опір такого кола, потрібно перевернути дріб, визначаючи величину її провідності. Звідси, опір паралельного розгалуження повинно рівнятися:

Змішане з’єднання. 

Змішаним з’єднанням називають таке з’єднання, при якому в колі є опори, ввімкнені і послідовно і паралельно.

Мал..3.7.4 Змішане з’єднання опорів.

При змішаному з’єднанні опорів загальна величина опору кола визначається на основі тих правил, які були викладені вище для послідовних і паралельних ввімкнень. Таким чином, щоб визначити загальний опір декількох елементів кола, з’єднаних змішано, необхідно діяти наступним чином: знайти спочатку опори тих частин кола які з’єднані паралельно. Потім, отримані опори окремих ділянок кола потрібно скласти. Результат дасть нам величину опору всього змішаного кола.