Тема Основные законы, элементы и параметры электрических цепей

1.1. Общие сведения об элементах цепи

Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. В общем случае электрическая цепь состоит из источников и приемников электрической энергии. Источниками электрической энергии являются гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и другие устройства, в которых происходит процесс преобразования химической, тепловой, механической или другого вида энергии в электрическую. Приемниками электрической энергии или так называемой нагрузкой служат электрические лампы, электронагревательные приборы, двигатели и другие устройства, в которых электрическая энергия превращается в световую, тепловую, механическую. В теории электрических цепей различают активные и пассивные элементы. Активными элементами считаются источники электрической энергии: источники напряжения и источники тока. К пассивным элементам относятся активные сопротивления, индуктивности и емкости.

Электрический ток в проводящей среде есть упорядоченное движение электрических зарядов. Численно электрический ток определяется как скорость изменения заряда во времени и измеряется в амперах (A):

.

Электрический ток может быть постоянным или переменным, т.е. изменяющимся во времени. За положительное направление тока принимается движение положительных зарядов от плюса к минусу. Направление тока обычно выбирается произвольно и указывается стрелкой. Если в результате расчета тока, выполненного с учетом выбранного положительного направления, ток имеет знак плюс, то это означает, что его направление совпадает с выбранным положительным направлением. В противном случае, когда ток отрицателен, он направлен противоположно.

П усть через активное сопротивление R течет ток I. Обозначим концы (зажимы) этого участка цифрами 1 и 2 (рис. 1.1).

Потенциал точки – это потенциальная энергия, которой обладает единичный заряд, помещенный в данную точку. Разность электрических потенциалов точек 1 и 2 представляет напряжение на данном участке цепи: , где - потенциалы точки 1 и 2.

Таким образом, напряжение – это энергия, которая затрачивается на перемещение единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2. Измеряется в вольтах (В).

Мгновенная мощность – это скорость поступления в цепь электрической энергии в данный момент времени. Мощность измеряется в ваттах (Вт).

,

где u – напряжение, i – ток.

Каждый источник электрической энергии характеризуется электродвижущей силой – ЭДС Это работа сторонних сил, присущих источнику, на перемещение единичного заряда внутри источника от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим.

Электрическая схема – это графическое изображение электрической цепи. На схеме источники электрической энергии могут быть представлены в виде источника ЭДС (рис. 1.2.) и в виде источника тока (рис. 1.3.).

Рис. 1.2 Рис. 1.3

И сточник ЭДС – это элемент, напряжение между зажимами которого не зависит от величины тока, отдаваемого во внешнюю цепь. Внутреннее сопротивление идеального источника ЭДС равно нулю. Источник тока – элемент, ток которого не зависит от параметров цепи, которую он питает. Внутреннее сопротивление источника тока бесконечно велико. Внешняя характеристика источника тока представлена на рис. 1.4, а источника ЭДС на рис. 1.5.

Для отображения свойств реальных устройств, не являющихся источниками, вводят пассивные идеальные элементы: резистивные R, учитывающие необратимые преобразования электрической энергии в тепловую; индуктивные L, учитывающие накопление энергии в магнитном поле; емкостные С, учитывающие накопление энергии в электрическом поле. Резистивные элементы измеряются в омах (Ом), индуктивные в генри (Гн), емкостные в фарадах (Ф).

Рассмотрим взаимосвязи между напряжениями и токами, а также энергетические характеристики линейных пассивных элементов.

1. Резистивный элемент R (рис. 1.6)

;

;

.

2. Индуктивный элемент L (рис. 1.7)

; ; ,

где – энергия магнитного поля.

3 . Емкостной элемент С (рис. 1.8)

; ; ,

где – энергия электрического поля.

В электрических цепях потребители электрической энергии могут быть представлены в виде линейных и нелинейных элементов. Линейные элементы характеризуются линейными характеристиками и их параметры R,L,C постоянны. В свою очередь, нелинейные элементы обладают нелинейными характеристиками и их параметры R,L,C непостоянны. На практике электрические цепи в основном нелинейные. В ряде случаев для упрощения анализа и расчета электрические цепи могут быть представлены в виде линейных цепей. В данном разделе мы будем рассматривать свойства и методы расчета линейных электрических цепей.