5)Линейные и нелинейные электрические цепи

Линейной электрической цепью называют такую цепь, все компоненты которой линейны. К линейным компонентам относятся зависимые и независимые идеализированные источники токов и напряжений, резисторы (подчиняющиеся закону Ома), и любые другие компоненты, описываемые линейными дифференциальными уравнениями, наиболее известны электрические конденсаторы и индуктивности. Если цепь содержит отличные от перечисленных компоненты, то она называется нелинейной.

Электрические цепи, в которых параметры всех элементов не зависят от величины и направлений токов и напряжений, т.е. графики вольт-амперных характеристик (ВАХ) элементов являются прямыми линиями, называются линейными. Соответственно такие элементы называются линейными.  Когда параметры элементов электрической цепи существенно зависят от тока или напряжения, т.е. графики ВАХ этих элементов имеют криволинейный характер, то такие элементы называют нелинейными.  Если электрическая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент, то она является нелинейной электрической цепью.

6) Источник ЭДС (идеальный источник напряжения) — двухполюсник, напряжение на зажимах которого постоянно (не зависит от тока в цепи). 

7) Исто́чник то́ка (также генератор тока) — двухполюсник, который создаёт ток  , не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён. В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так, более того, обычно используемые в быту источники напряжения по своим характеристикам гораздо ближе кисточнику ЭДС, чем к источнику тока.

8) Мощность электрического тока в источнике равна произведению его напряжения на ток проходящий через источник P=EI

Мощность электрического тока в приемнике равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена: 

9) активные и пассивные элементы.

В теории электрических цепей различают активные и пассивные элементы. Первые вносят энергию в электрическую цепь, а вторые ее потребляют.

Пассивные элементы электрических цепей резистивное сопротивление, индуктивный элемент, емкостный элемент (емкость). Активные элементы электрических цепей

источник напряжения, источник тока.

10)Резистивным сопротивлением называется идеализированный элемент электрической цепи, обладающий свойством необратимого рассеивания энергии.

Напряжение и ток на резистивном сопротивлении связаны между собой зависимостями: u = iR, i = Gu. Коэффициенты пропорциональности R и G в этих формулах называются соответственно сопротивлением и проводимостью и измеряются в омах [Ом] и сименсах [См]. R = 1/G.

11)Индуктивным элементом называется идеализированный элемент электрической цепи, обладающий свойством накопления им энергии магнитного поля.

Линейная индуктивность характеризуется линейной зависимостью между потокосцеплением ψ и током i, называемой вебер-амперной характеристикой ψ = Li. Напряжение и ток связаны соотношением u = dψ/dt = L(di/dt)

Коэффициент пропорциональности L в формуле и называется индуктивностью и измеряется в генри (Гн).

12)Емкостным элементом (емкостью) называется идеализированный элемент электрической цепи, обладающий свойством накапливания энергии электрического поля.

Линейная емкость характеризуется линейной зависимостью между зарядом и напряжением, называемой кулон-вольтовой характеристикой q = Cu

Напряжение и ток емкости связаны соотношениями i = dq/dt =C(du/dt).

Активные элементы электрических цепей

Активными называются элементы цепи, которые отдают энергию в цепь, т.е. источники энергии. Существуют независимые и зависимые источники. Независимые источники: источник напряжения и источник тока.

Источник напряжения - идеализированный элемент электрической цепи, напряжение на зажимах которого не зависит от протекающего через него тока.

Внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю.

Источник тока – это идеализированный элемент электрической цепи, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.

Внутреннее сопротивление идеального источника тока равно бесконечности.

Источники напряжения (тока) называются зависимыми (управляемыми), если величина напряжения (тока) источника зависит от напряжения или тока другого участка цепи. Зависимыми источниками моделируются электронные лампы, транзисторы, усилители, работающие в линейном режиме.

13) Схема замещения электрической цепи состоит из совокупности различных идеализированных элементов, выбранных так, чтобы можно бьпо с заданным или необходимым приближением описать процессы цепи.

14,15,16.) Схемы замещения реальных электротехнических устройств. В элементах реальных электротехнических устройств(электрических цепях) происходят достаточно сложные процессы протекания токов проводимости, токов смещения, выделения тепловой энергии, наведения ЭДС, накопления и перераспределения энергии электрического и магнитного полей и т. п. Для того чтобы можно было математически описать эти процессы, в теории цепей пользуются расчетными схемами (схемами замещения), вводя в них резистивные, индуктивные и емкостные элементы. С помощью резистивного элемента учитывают выделение теплоты в реальном элементе; с помощью индуктивного элемента — наведение ЭДС и накопление энергии в магнитном поле; с помощью емкостного элемента — протекание токов смещения и накопление энергии в электрическом поле.  Каждый элемент реальной электрической цепи на схеме замещения можно представить той или иной совокупностью идеализированных схемных элементов. Так, резистор для низких частот можно представить одним ре-зистивным элементом R (рис. 1.14, а). Для высоких частот тот же резистор должен быть представлен уже иной схемой (рис. 1.14, б). В ней малая (паразитная) индуктивность L_п учитывает магнитный поток, сцепленный с резистором, а малая паразитная емкость C_п учитывает протекание тока смещения между зажимами резистора. Конденсатор на низких частотах замещают одним емкостным элементом (рис. 1.14, в), а на высоких частотах конденсатор представляют схемой (рис. 1.14, г). В этой схеме резистор R_п учитывает потери в неидеальном диэлектрике конденсатора, a L_п паразитная индуктивность подводящих контактов.  Индуктивную катушку в первом приближении можно представитьодним индуктивным элементом L (pис. 1.14, д). Более полно она может быть представлена схемой (рис. 1.14, е). В ней R учитывает тепловые потери в сопротивлении обмотки и в сердечнике, на котором она намотана, а паразитная емкость C_п учитывает токи смещения между витками катушки.   Обобщенно можно сказать, что при составлении схемы замещения реальных элементов цепи и цепи в целом в нее входят те идеализированные схемные элементы, с помощью которых описываются основные процессы в реальных элементах цепи, а процессами, являющимися относительно второстепенными в этих элементах для рассматриваемой полосы частот и амплитуд воздействий, обычно пренебрегают.

17)Для описания топологических свойств электрической цепи используются топологические понятия, основными из которых являются узел, ветвь и контур.

Узлом электрической цепи называют место (точку) соединения трех и более элементов.

Графически такое соединение может изображаться различными способами.

Обратите внимание на точку в месте пересечения линий схемы. Если она отсутствует, то это означает отсутствие соединения. Точка может не ставиться там, где при пересечении линия заканчивается (рисунок а)).

Узел не обязательно имеет вид точки. На рис. 1 б) вся нижняя линия связи, соединяющая R₂, E, R₅ и R₃ , является узлом, а на рис. 1 а) этот же узел представлен диагональной связью.

 

Ветвью называют совокупность связанных элементов электрической цепи между двумя узлами.

Ветвь по определению содержит элементы, поэтому вертикальные связи рис. 2 а) и б) ветвями не являются. Не является ветвью и диагональная связь рис. 1 а).

Контуром (замкнутым контуром)называют совокупность ветвей, образующих путь, при перемещении вдоль которого мы можем вернуться в исходную точку, не проходя более одного раза по каждой ветви и по каждому узлу.

По определению различные контуры электрической цепи должны отличаться друг от друга по крайней мере одной ветвью.

Количество контуров, которые могут быть образованы для данной электрической цепи ограничено и определено.

18) .Напряжение на участке цепи. Под, напряжением на некотором участке электрической цепи понимают разность потенциалов между крайними точками этого участка.

На рис. 2.5 изображен участок цепи, крайние точки которого обозначены буквами а и b. Пусть ток I течет от точки а к точке b (от более высокого потенциала к более низкому). Следовательно, потенциал точки а(φ_a) выше потенциала точки b(φ_b) на значение, равное произведению тока I на сопротивление R: φ_a = φ_b + IR.

В соответствии с определением напряжение между точками а и b U_ab = φ_a - φ_b.

Cледовательно, U_ab = IR, т. е. напряжение на сопротивлении равно произведению тока, протекающего по сопротивлению, на значение этого сопротивления.

В электротехнике разность потенциалов на концах сопротивления называют либо напряжением на сопротивлении, либо падением напряжения. В дальнейшем разность потенциалов на концах сопротивления, т. е. произведение IR, будем именовать падением напряжения.

Положительное направление падения напряжения на каком-либо участке (направление отсчета этого напряжения), указываемое на рисунках стрелкой, совпадает с положительным направлением отсчета тока, протекающего по данному сопротивлению.

В свою очередь, положительное направление отсчета тока I (ток - это скаляр алгебраического характера) совпадает с положительным направлением нормали к поперечному сечению проводника при вычислении тока по формуле  , где δ - плотность тока;   - элемент площади поперечного сечения (подробнее см. § 20.1).

Рассмотрим вопрос о напряжении на участке цепи, содержащем ЭДС.

На рис. 2.6, а, б показаны участки некоторых цепей, по которым протекает ток I. Найдем разность потенциалов (напряжение) между точками а и с для этих участков. По определению,

U_ac = φ_a - φ_c          (2.1)

Выразим потенциал точки а через потенциал точки с. При перемещении от точки с к точке b встречно направлению ЭДС E(рис. 2.6, а) потенциал точки b оказывается ниже (меньше), чем потенциал точки с, на значение ЭДС Е: φ_b = φ_c - Е. При перемещении от точки с к точке b согласно направлению ЭДС E(рис. 2.6, б) потенциал точки bоказывается выше (больше), чем потенциал точки с, на значение ЭДС Е: φ_b = φ_c + Е.

Так как по участку цепи без источника ЭДС ток течет от более высокого потенциала к более низкому, в обеих схемах рис. 2.6 потенциал точки а выше потенциала точки b на значение падения напряжения на сопротивлении R: φ_a = φ_b + IR. Таким образом, для рис. 2.6, а

φ_a = φ_c - E + IR , U_ac = φ_a - φ_c = IR - E ,          (2.2)

для рис. 2.6, б

φ_a = φ_c + Е + IR ,

или

U_ac = φ_a - φ_c = IR + E.          (2.2 a)

Положительное направление напряжения U_ac показывают стрелкой от а к с. Согласно определению, U_ca = φ_c - φ_a, поэтому U_ca = - U_ac,т. е. изменение чередования (последовательности) индексов равносильно изменению знака этого напряжения. Следовательно, напряжение может быть и положительной, и отрицательной величиной.