7. Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем дисциплины в семестре.

7.1. Основные определения и методы расчета линейных и нелинейных электрических цепей постоянного тока. Основные темы:

7.1.1.Основные определения и топологические параметры электрических цепей.

Вводная часть

Электротехника как наука теоретическая и прикладная вначале развивалась на основе постоянного тока, поскольку первыми источниками электрического тока были гальванические элементы. В этот период (1800-1850 гг.) были открыты основные закономерности электрических явлений: законы электрической цепи (Г. Ом и Г. Кирхгоф), тепловое действие электрического тока и его практическое использование (Э. Ленц, Д. Джоуль, В.В. Петров), законы электромагнитной индукции и электромагнитных сил (М. Фарадей, Д. Максвелл, Э. Ленц, А. Ампер, Б. С. Якоби и др.), электрохимическое действие тока и т.д.

В дальнейшем по мере развития электроэнергетических остановок и роста их мощности все больше выявлялся основной недостаток системы постоянного тока – трудность экономичной передачи электрической энергии на значительные расстояния. Возможность передачи электрической энергии на дальние расстояния, большая простота машин и другие преимущества обеспечили системе переменного тока широкое развитие. Однако и теперь, когда переменный ток занимает центральное место в электроэнергетике, многие потребители электрической энергии нуждаются в постоянном токе, который является для них либо единственным приемлемым по технологическим условиям родом тока (электрохимия), либо родом тока, обеспечивающим ряд технико-экономических преимуществ (электротранспорт, некоторые промышленные электродвигатели). Источниками питания для большинства современных установок постоянного топка являются различные преобразователи переменного тока в постоянный (электромашинные, электронно-ионные, полупроводниковые) и в меньшей мере аккумуляторы, генераторы постоянного тока и термоэлектрические батареи.

В электрических цепях как постоянного, так и переменного тока при любых возможных режимах одновременно происходит непрерывный процесс получения электрической энергии и преобразование ее в другие виды энергии.

Определения и топологические параметры электрических цепей.

Электрические цепи в общем случае представляют собой сочетание следующих элементов:

1. источников электрической энергии – генераторов;

2. электроприемников, преобразующих электрическую энергию в другие виды энергии;

3. устройств, связывающих источники электрической энергии с электроприемниками.

Поэтому представляется возможным дать основные определения простейшей электрической цепи постоянного тока, основные законы.

Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока.

Электрическая схема – графическое изображение электрической цепи, составленное из условных обозначений её элементов и показывающее способы соединения этих элементов.

Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. Активными элементами электрической цепи являются все источники электрической энергии (рис. 1. а) и приемники (рис. 1. б), которые характеризуются значением ЭДС Е и внутренним сопротивлением R.

Пассивными элементами, являются приемники, обладающие сопротивлением R (рис. 1. в), называемые резисторами. Резистор учитывает необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую, механическую.

Регулируемый резистор называется реостатом (рис. 1. г). При перемещении движка реостата влево его сопротивление увеличивается.

Физическую сущность сопротивления проводника составляет противодействие направленному движению свободных электронов, т. е. постоянному току. Сопротивление проводника постоянному току зависит от материала проводника, т. е. его удельного сопротивления  ( ), поперечного сечения S (мм²), длины l (м) проводника и определяется как R=l/S. Единицей сопротивления является Ом. Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью G=1/R. Единицей проводимости является сименс (См). С повышением температуры сопротивление металлического проводника увеличивается, а с понижением – уменьшается. Изменение сопротивления проводника в зависимости от изменения его температуры определяется:

, (1)

где R₁ – сопротивление, соответствующее температуре t₁;

R₂ – сопротивление, соответствующее температуре t₂;

 - температурный коэффициент сопротивления, равный относительному изменению сопротивления при изменении температуры на 1 ⁰С.

Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным.

При анализе линейных электрических цепей пользуются топологическими понятиями:

Ветвь электрической цепи – участок цепи, ток которого имеет одно и тоже значение и направление.

Узел – место соединения трех и более ветвей.

Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

Различают понятия геометрического и потенциального узлов. Геометрические узлы 3 и 3' (рис. 2), имеющие одинаковые потенциалы, являются одним потенциальным узлом. На схеме рис. 2 четыре геометрических и три потенциальных узла.