Вопросы для самопроверки:

1. Что такое э.д.с. источника электрической энергии?

2. Какие бывают источники э.д.с.?

3. Каковы частота и напряжение в электрической сети?

4. Что такое электрический ток?

5. Что такое резистор?

6. Какие резисторы выпускаются промышленностью?

7. Какими основными параметрами характеризуются резисторы?

8. Сформулируйте закон Ома.

9. Чем определяется сопротивление электрических проводов?

10. Сформулируйте первый и второй закон Кирхгофа.

11. Чему равно сопротивление двух последовательно включенных резисторов? Докажите.

12. Чему равно сопротивление двух параллельно включенных резисторов? Докажите.

13. В чем состоит различие между источниками напряжения и тока?

14. Как преобразовать источник напряжения в источник тока и обратно?

15. Докажите эквивалентность преобразования источника тока в напряжение.

16. Какой элемент схемы называется линейным?

17. Что такое линейная электрическая цепь?

18. В чем состоит принцип наложений (суперпозиции)?

19. Как можно использовать принцип наложений для расчета линейных цепей?

20. Что такое четырехполюсник и трехполюсник?

21. Дайте определение коэффициенту передачи напряжения для четырехполюсника.

22. Выведите формулу для коэффициента передачи делителя напряжений, состоящего из двух резисторов.

23. Почему коэффициент передачи цепи, состоящей из резисторов, всегда меньше 1?

1.2. Реактивные компоненты электрических и электронных цепей.

В резисторах электрический ток преобразует электрическую энергию в тепловую, т.е. происходит потеря электрической энергии. В электрических и электронных цепях используют и другие компоненты, в которых энергия не расходуется, а накапливается, а затем снова может быть отдана в электрическую цепь. Такими наиболее часто используемыми компонентами являются конденсаторы и катушки индуктивности. Их называют реактивными компонентами, т.к. при их включении в электрическую цепь создается реактивная мощность, которая так называется потому, что она не расходуется, а приводит лишь к накоплению электрической или магнитной энергии.

Конденсатор – компонент электрической цепи, способный накапливать электрический заряд Q, измеряемый в кулонах – К, и электрическую энергиюW_E, измеряемую в Джоулях – Дж. Основной параметр, характеризующий свойства конденсатора накапливать электрический заряд и энергию – его емкость С, измеряемая в Фарадах - Ф. В электрических схемах конденсатор изображается так: и обозначается буквой С. Приведенное изображение конденсатора отражает его простейшую конструкцию: две близко расположенные друг к другу одинаковые металлические пластины, между которыми располагается диэлектрик. В воздушном конденсаторе диэлектриком является воздух.

При подключении конденсатора к источнику постоянной э.д.с. (Е) он заряжается до напряженияU_C, равного э.д.с. источника: U_C=E. При этом в конденсаторе накапливается заряд Q, определяемый по формуле: Q=CU_C=CE.

Чтобы запомнить эту формулу можно использовать аналогию с цилиндрическим ведром с очень высокими стенками, наполняемым водой. При этом площадь донышка ведра S аналогична емкости конденсатора С, а высота верхнего уровня воды h - приложенному напряжению E. Площадь донышка ведра не зависит от того, есть ли в нем вода или нет. Это свойство самого ведра. Таким же образом емкость конденсатора не зависит от того, заряжен ли конденсатор. Заполнение ведра водой аналогично заряду конденсатора, поэтому объем воды в ведре будет аналогичен накопленному заряду в конденсаторе. Объем воды в ведре V равен произведению площади донышка S на высоту верхнего уровня воды: V=Sh. Соответственно заряд конденсатора равен: Q=CU_{C ,} а электрическая энергия равна: W= .

Если в ведро с очень высокими стенками налить много воды, то при каком-то объеме воды стенки ведра развалятся. При этом ведро потеряет свое свойство сохранять воду. Таким же образом, если к конденсатору приложить чрезмерно большое напряжение, то он пробьется, т.е. потеряет способность сохранять электрический заряд и энергию. Чтобы не допускать пробоя конденсатора, на его корпусе, кроме ёмкости, указывается максимально допустимое напряжение U_ПРОБ.

Конденсатор не является идеальным компонентом, обладающим лишь емкостью, поскольку при его зарядке до какого-либо напряжения он рано или поздно разрядится. Разряд конденсатора происходит через сопротивление утечки, которое можно считать включенным параллельно емкости конденсатора. Чем больше сопротивление утечки, тем дольше сохраняется заряд на конденсаторе, тем он лучше. Следует также отметить, что конденсаторы имеют паразитную индуктивность выводов, что ограничивает диапазон частот, на которых они могут быть использованы.

Промышленностью выпускаются конденсаторы различных типов и номинальных значений емкостей от 1пФ (пикофарады) до единиц фарад. Последовательность номинальных значений емкостей такая же, как у резисторов. Выпускаются также переменные и подстроечные конденсаторы. Низкочастотные конденсаторы могут использоваться на частотах до единиц МГц, а высокочастотные – до единиц ГГц. Прецизионные конденсаторы имеют малые отклонения от номинальных значений и высокую температурную стабильность. Максимальные допустимые напряжения отдельных конденсаторов лежат в пределах от десятков вольт до единиц киловольт. Следует отметить, что, как правило, чем больше емкость конденсатора одного типа и его максимальное допустимое напряжение, тем больше его габариты. Заметим, что конденсатор может заряжаться или разряжаться, но через него не может проходить постоянный электрический ток (между пластинами конденсатора – диэлектрик!).

Катушка индуктивности - компонент электрической цепи, способный преобразовывать электрическую энергию протекающего по нему тока в магнитную. Такое название данный компонент получил потому, что очень похож на обычную катушку с нитками, отличие от которой состоит в основном в том, что вместо ниток обычно используется медная проволока. Каркас катушки изготовляется из диэлектрического материала, либо намотка проволоки производится на магнитный сердечник. Ток, протекающий по медной проволоке, создает магнитное поле, т.е. в катушке индуктивности накапливается магнитная энергия. Таким образом, катушка индуктивности не только преобразует электрическую энергию в магнитную, но и способна аккумулировать эту энергию.

Параметр, который характеризует свойство катушки индуктивности преобразовывать электрическую энергию в магнитную и сохранять ее, называется индуктивностью, обозначается L и измеряется в Генри – Гн. Энергию магнитного поля, накопленную в катушке индуктивности W_L , можно определить по формуле: , гдеL – величина индуктивности, I – ток, протекающий по катушке.

Индуктивность – это параметр, отражающий основное свойство катушки индуктивности, поэтому в идеальном случае катушку индуктивности обозначают буквойL и изображают на схеме так: . Индуктивность катушки без магнитного сердечника пропорциональна числу витков намотанной проволоки, индуктивность катушки с магнитным сердечником зависит также от материала, размера и формы сердечника. Через катушку может протекать постоянный ток, причем падения напряжения на идеальной катушке индуктивности можно считать равным нулю.

Катушка индуктивности характеризуется еще и паразитными параметрами. В частности, во многих случаях необходимо учитывать сопротивление R провода, намотанного на катушку. В этом случае катушку индуктивности можно представить последовательным включением индуктивности и сопротивления. При протекании по такой реальной катушке индуктивности постоянного тока I, будет возникать падение напряжения равное IR.

Катушки индуктивности не выпускаются промышленностью в виде отдельных компонентов, как выпускаются резисторы и конденсаторы (исключением являются специальные катушки индуктивности – дроссели, используемые в источниках и цепях питания). Это связано с плохой повторяемостью их характеристик и параметров. Кроме того, потребность в катушках индуктивности при производстве электронной аппаратуры неуклонно падает, так как они имеют чрезмерно большие габариты, что не позволяет делать микроминиатюрные изделия с их применением. Вместе с тем, в ряде случаев без катушек индуктивности иногда обойтись не удается. В этих случаях они изготавливаются на заводах, производящих электронную аппаратуру.