Тұрақты тоқтың сызықты электр тізбектерін есептеу әдістері мен негізгі заңдары

Негізгі анықтамалары мен түсініктемелері

Электрлік тізбек – электрмагниттік және энергия мен ақпараттың басқа түрлерін өндіру, тасымалдау, тарату және өзара түрлендіру үшін арналған құрылғылар жиынтығы.

Электрлік тізбектің негізгі құрылғылары – электрмагниттік энергияның көзі, электр энергиясын тасымалдау үшін арналған құрылғылар, электрмагниттік энергияны түрлендіру үшін арналған құрылғылар және қабылдағыштар.

Электрмагниттік энергияның көзі − бұл жылулық, механикалық, химиялық және энергияның басқа түрлерін электрмагниттік (генераторлар, гальваникалық элементтер, жылулық элементтер, аккумуляторлар және т.б. құрылғылар) энергияға түрлендіретін құрылғы.

Электрмагниттік энергияны тасымалдайтын құрылғылар – ауалық және кабельдік электр тасымалдау желілері, антенналар және т.б.

Электрмагниттік энергияны түрлендіру құрылғылары – токтар мен кернеулердің шамалары (трансформаторлар), айнымалы токтың жиілігі (жиіліктің бөлгіштері мен көбейткіштері), кернеу мен токтың түрі өзгеретін электртехникалық құрылғылар.

Электрмагниттік энергияның қабылдағыштары (жүктеме) – электрмагниттік энергияны механикалық (электрқозғалтқыштар), жылулық (қыздыру құрылғылары), химиялық (электролизді құрылғылар), жарықтық (жарықтандыру шамы) және энергияның басқа түрлеріне түрлендіретін өндірістік, ауыл шаруашылық және тұрмыстық электртехникалық құрылғылар.

Электр тізбектерінің теориясында есептеулер мен талдау жүргізгенде активті және пассивті элементтерді айырады. Электрлік тізбектің активті бөлігі электрмагниттік энергияның көздерінен тұрады, ал олар ЭҚК (электр қозғаушы күші) және ток көздеріне бөлінеді. Активті элементтер – қорек көздері. Активті бөлігі «А» әріпімен тікүшбұрыш түрінде белгіленеді. Электр тізбектің пассивті бөлігінде электрмагниттік энергияның көздері болмайды. Пассивті элементтерге резисторлар, индуктивтілік орауыштары, конденсаторлар, жартылайөткізгішті аспаптар және т.б. жатады. Пассивті бөлім «П» әріпімен тікүшбұрыш түрінде белгіленеді. Параметрлер – пассивті элементтерді көлемдік бағалайтын шамалар, оларға кедергілер, индуктивтілік және сыйымдылық жатады.

Электрлік тізбектер сызықты және сызықты емес болып бөлінеді. Сызықты электрлік тізбек тек қана сызықты элементтерден тұрады. Сызықты элементтер – параметрлары (кедергі, индуктивтілік, сыйымдылық), олардағы токтан (немесе қыспақтарындағы кернеуден) тәуелсіз болатын элементтер, сондықтан осы элементтердің вольтамперлік сипаттамалары сызықты болады. Сызықты элементтердің параметрлері − R кедергісі, L индуктивтілігі , С сыйымдылығы тұрақты. Кем дегенде, бір сызықты емес элементке ие тізбек сызықты емес болады. Сызықты емес элементтер – параметрлары (кедергі, индуктивтілік, сыйымдылық), олардағы токтан (немесе қыспақтарындағы кернеуден) тәуелді болатын элементтер, сондықтан осы элементтердің вольтамперлік сипаттамалары сызықты емес болады. Сызықты емес элементтердің параметрлері − R кедергісі, L индуктивтілігі , С сыйымдылығы тұрақты емес және олардағы токтан тәуелді.

Өткізгіш ортадағы электр тоғы, бұл электр зарядтарының реттелген қозғалысы. Электрлік тоқ зарядының уақыт бойынша өзгеру жылдамдығы сияқты анықталады және ампермен (A) өлшенеді

Электр тоғы тұрақты және айнымалы болуы мүмкін, яғни уақыт бойынша өзгереді. Токтың оң бағыты ретінде, оң зарядтардың минустан плюсқа қарай қозғалысын қабылдайды. Әдетте, токтың бағыты ерікті алынады және стрелкамен көрсетіледі. Егер алынған оң бағытты ескеріп, токтың есептеулер нәтижесі плюс таңбасына ие болса, онда оның оң бағыты ерікті алынған бағытпен сәйкес келеді. Егер ток теріс таңбалы болса, онда ол қарама – қарсы бағытталған. R активті кедергісі арқылы I тоғы өтсін. Бұл бөліктің соңын (қыспақтарын) 1 және 2 сандарымен белгілейік ( 1.1 суреті). R – Оммен (Ом) өлшенеді.

1.1 Сурет

Нүктенің потенциалы – берілген нүктеде орналасқан бірлік зарядтың потенциалдық энергиясы. 1 және 2 нүктелеріндегі электрлік потенциалар айырымы берілген тізбек бөлігіндегі кернеумен келтіріледі

,

мұндағы − 1 және 2 нүктелердің потенциалдары.

Сондықтан, кернеу – бұл 1 нүктесінен 2 нүктесіне бірлік оң зарядтты алмастыруға қажетті энергия. Вольтпен (В) өлшенеді.

Лездік қуат – берілген уақытта электр энергиясының тізбекке жету жылдамдығы. Қуат ваттпен (Вт) өлшенеді

,

u – кернеу, i – тоқ.

Электр энергиясының кез-келген көзі - электр қозғаушы күшімен (ЭҚК) сипатталады. Бұл қорек көздеріне тиісті, қорек қозі ішінде потенциалы шамалы қыспақтан потенциалы үлкен қыспаққа қарай бірлік зарядттың қозғалуына сыртқы күштердің жұмысы.

Электрлік схема – бұл идеалды элементтердің шартты белгілерінен тұратын электрлік тізбектің графикалық бейнесі. Схемада электр энергияның көздері ЭҚК көзі түрінде (1.2 сурет) және тоқ көзі түрінде ( 1.3 сурет) келтіріледі.

1.2 Сурет 1.3 Сурет

ЭҚК көзі – сыртқы тізбекке берілетін токтың шамасы қыспақтардың арасындағы кернеуден тәуелсіз болатын элемент. ЭҚК идеалды көзінің ішкі кедергісі нөлге тең. Тоқ көзі – тоғы қоректендіретін тізбектің параметрлерінен тәуелді болмайтын элемент. Тоқ көзінің ішкі кедергісі шексіз үлкен болады. Тоқ көзінің сыртқы сипаттамасы 1.5 суретінде, ал ЭҚК көзінің сыртқы сипаттамасы 1.6 суретінде көрсетілген.

1.4 Сурет − Тоқ көзін эқк көзіне баламалы ауыстыру

Қорек көзі болмайтын нақты құрылғылардың қасиеттерін көрсету үшін пассивті идеалды элементтерді енгізеді: электрлік энергияның жылулық энергияға қайтымсыз түрленуін ескеретін резистивті R, магнит өрісінде жиналатын энергияны ескеретін индуктивті L, электрлік өрісте жиналатын энергияны ескеретін сыйымдылықты С.

Тоқ пен кернеу арасындағы өзара байланысты және де сызықты пассивті элементтердің энергетикалық сипаттамаларын қарастырайық.

1.7 Сурет − Резистивті элемент r

; ; .

1.8 Сурет − Индуктивті элемент l

; ; ,

мұндағы –магнит өрісінің энергиясы.

1.9 Сурет − Сыйымдылықты элемент

; ; ,

– электрлік өрістің энергиясы.

Тармақ – бір немесе бірнеше бірізді жалғанған тізбек элементтерінен (кедергілер, ЭҚК немесе тоқ көзі) тұратын схеманың бөлігі.

Тек қана ЭҚК тұратын тармақтың кедергісі нөлге тең.

Түйін – үш немесе одан да көп тармақтардың қосылу нүктесі. Бір түйінде қосылған тармақтар паралель деп аталады.

Бес тармақтан және үш түйіннен тұратын электрлік схеманың мысалы 1.10 суретінде келтірілген.

Бірнеше тармақтан өтетін кез-келген тұйық жол контур деп аталады. Тәуелсіз контур кем дегенде бір жаңа тармаққа ие және ол тармақ басқа контурларға кірмейді.

1.10 суретінде, стрелкамен, берілген схемадан алынған үш тәуелсіз контурлардың бағыттары көрсетілген. Контурдың айналу бағыты ерікті алынады.