Тема 2. Электрические цепи постоянного тока в установившемся режиме Лекция 4. Электрическая цепь постоянного тока и ее элементы
1. Понятие электрической цепи. Схемы электрической цепи.
2. Идеальные и реальные элементы электрической цепи.
Литература: 1. Касаткин А.С. Электротехника: Учеб. для вузов /
А.С.Касаткин, М.В.Немцов. – 8-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2003.
2. Иванов И.И., Соловьев Г.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учебник. 3-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2005.
1 Понятие электрической цепи. Схемы электрической цепи
Как было показано при изучении предыдущей темы, электрическое и магнитное поля являются неотъемлемой частью единого электромагнитного поля. Поэтому, изучая физические процессы и явления, происходящие в каком-либо электротехническом устройстве, нужно учитывать не только процессы на заряженных телах и в проводниках устройства, образующих контуры с токами, но и физические процессы в диэлектрике, окружающем эти тела и проводники. Таким образом, рассматривая явление в электротехническом устройстве во всей его полноте, всегда необходимо изучать электромагнитное поле исследуемого устройства.
В конкретных практических случаях представляется возможным выполнить анализ процессов в электротехническом устройстве с достаточной для практики точностью, оценивая только одну сторону электромагнитного поля – электрическое поле или магнитное поле. При этом достаточно точно можно описать процессы в электротехнических устройствах, пользуясь только такими понятиями, как электродвижущая сила (е), электрическое напряжение (и), электрический заряд (q), электрический ток (i), магнитный поток (Ф). Это становится возможным благодаря тому, что на практике стремятся создать достаточно узкие пути для электрического тока, располагая вдоль них проводники из материалов с низким электрическим сопротивлением, окруженные хорошо изолирующей средой (например, в линиях электропередачи, в обмотках электрических машин).
Совокупность устройств, образующих пути для электрического тока, электромагнитные процессы в которой могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении, называют электрической цепью.
Электрические цепи подразделяются на электрические цепи постоянного тока и электрические цепи переменного тока.
При изучении данной темы уделим внимание цепям постоянного тока.
Основными элементами электрических цепей являются источники и приемники электромагнитной энергии, а также устройства для ее передачи и преобразования.
Источниками электромагнитной энергии являются различные генерирующие устройства, в которых энергия какого-либо вида (механическая, тепловая, ядерная, химическая) преобразуется в электромагнитную.
В качестве источников электромагнитной энергии используют гальванические элементы, аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлементы и т. д.
Передающими электромагнитную энергию элементами электрической цепи являются линии электропередачи, электрические сети, линии связи.
Преобразование электромагнитной энергии осуществляется с помощью трансформаторов, изменяющих напряжение и ток, преобразователей частоты, усилителей, выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный и т. п.
Приемниками в электрической цепи являются устройства, в которых осуществляется преобразование электромагнитной энергии в энергию другого вида (механическую, тепловую, акустическую, химическую).
В качестве приемников электромагнитной энергии используются электрические лампы накаливания, резисторы, электрические двигатели, нагревательные элементы и т. п.
Обычно вместо термина «приемник электромагнитной энергии» используют более краткие термины – «приемник» или «потребитель», а вместо термина «источник электромагнитной энергии» – «источник энергии», «источник питания» или «источник».
Элементы электрической цепи можно разделить на активные (источники электромагнитной энергии, полупроводниковые приборы, электровакуумные приборы) и пассивные (все прочие потребители и соединительные провода).
Электрические цепи, в которых получение электрической энергии в источниках, ее передача и преобразование в приемниках происходят при неизменных во времени токах и напряжениях, называются цепями постоянного тока.
Приведенное определение является достаточно строгим. На практике очень сложно найти такие электрические цепи, в которых на достаточно большом интервале времени токи и напряжения оставались бы неизменными. Если рассмотреть электрическую цепь, в которой в качестве источника энергии используется аккумуляторная батарея или гальванический элемент, по своей природе являющиеся источниками постоянного напряжения, то в такой цепи даже при неизменных во времени сопротивлениях потребителей в результате разряда источника энергии токи в потребителях (напряжения на потребителях) со временем хоть и медленно, но будут изменяться. Поэтому к электрическим цепям постоянного тока будем относить те цепи, в которых токи и напряжения либо не изменяются с течением времени, либо на достаточно большом интервале времени изменяются незначительно.
Графическое изображение электрической цепи называется схемой. Различают несколько видов схем электрической цепи. На рисунке 1 в качестве примера показана эскизная схема цепи, на которой отображены натурные изображения электротехнических устройств и способ их соединения в простейшей цепи постоянного тока.
Рисунок 1 – Эскизное изображение электрической цепи
Изображать схему электрической цепи в виде, представленном на рисунке 1, очень трудоемко и неудобно. Особенно это ощутимо, когда электрическая цепь содержит большое количество элементов. Поэтому на практике для изображения цепи используют условные графические обозначения (УГО) элементов, предусмотренные ГОСТами. На рисунке 2 в качестве примера приведены УГО некоторых источников и приемников электромагнитной энергии.
а б в г д
Рисунок 2 - Условные графические обозначения элементов
электрической цепи
а – плавкий предохранитель; б – электрохимический элемент;
в – солнечный фотоэлемент; г – лампа накаливания; д – резистор
Графическое изображение электрической цепи, содержащее условные графические обозначения ее элементов и показывающее соединения этих элементов, называется схемой электрической принципиальной.
На рисунке 3 приведен пример электрической принципиальной схемы простейшей электрической цепи, изображенной на рисунке 1.
Рисунок 3
Электрическая принципиальная схема наглядно показывает назначение элементов (устройств), входящих в состав электрической цепи, их взаимодействие, но является непригодной для расчета режима работы цепи, поскольку не в полной мере отображает свойства элементов. Чтобы выполнить инженерный расчет электрической цепи, необходимо каждое из электротехнических устройств представить его схемой замещения (эквивалентной схемой).
Схема электрической цепи, состоящая из совокупности идеализированных элементов и отображающая при определенных условиях свойства реальной цепи, называется схемой замещения электрической цепи (кратко – схемой замещения). На рисунке 4 приведен пример схемы замещения электрической цепи, рассмотренной ранее.
Рисунок 4
Конфигурация схемы замещения цепи определяется следующими геометрическими (топологическими) понятиями: ветвь, узел, контур.
Ветвью электрической цепи называется весь участок электрической цепи, в котором в фиксированный момент времени ток имеет одно и то же значение вдоль всего участка.
Ветвь схемы состоит из одного или нескольких последовательно соединенных элементов, каждый из которых имеет два вывода (начало и конец), причем к концу каждого предыдущего элемента присоединяется начало следующего. Элементами ветви, в общем случае, могут быть, например, участки с сопротивлением, катушки индуктивности, конденсаторы, диоды, источники ЭДС и др.
Узлом электрической цепи называют место соединения трех или более ветвей.
На схеме электрической цепи узел изображают точкой.
Контуром электрической цепи называется замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречается больше одного раза.
Схема замещения (рисунок 4) цепи, показанной на рисунке 1, содержит три ветви, причем две состоят из одного элемента каждая, а третья – из трех элементов.