Введение. Основные понятия теории электрических цепей

Электромагнитное поле является тем основным физическим агентом, который широко применяется в технических и физических устройствах для передачи и преобразования энергии или сигналов. Связанные с электромагнитным полем процессы характерны тем, что требуют описания электромагнитного поля во времени и в пространстве. Это предопределяет необходимость развития методов теории электромагнитного поля. Сложный характер описания электромагнитных явлений в конкретных устройствах заставляет изыскивать способы расчёта этих процессов главным образом в зависимости от времени, что связано с развитием теории электрических и магнитных цепей (ТЭМЦ). ТЭМЦ получила большое развитие именно благодаря тому обстоятельству, что она даёт возможность упростить расчёты электромагнитных процессов. Вместе с тем эти упрощения в своей основе содержат ряд допущений и предположений, которые необходимо осознать и оценить.

Таким образом, курс ТОЭ включает в себя ТЭМЦ и теорию электромагнитного поля.

Предметом курса ТОЭ является изучение электромагнитных процессов и явлений, происходящих в различных электротехнических устройствах как с качественной, так и с количественной стороны. Курс ТОЭ является фундаментальной дисциплиной, теоретической базой для всех специальных электротехнических дисциплин, а сам он базируется на знаниях, полученных в курсах физики и математики.

Примечание. Строчные буквы i, q, u используются для представления величин, являющихся в общем случае функциями времени. Прописные буквы i, q, u представляют собой величины, не изменяющиеся во времени.

Основной величиной является электрический заряд. Заряды могут быть положительными (у протона) или отрицательными (у электрона). Заряд q измеряется в Кулонах.

Электрический ток проводимости i – это упорядоченное движение носителей электрического заряда. Он равен скорости прохождения заряда через поперечное сечение проводника: i = . Измеряется в Амперах. Ток характеризуется величиной и направлением. За положительное направление тока принимается направление переноса положительных зарядов. Если ток с течением времени не меняет своего направления, он называется выпрямленным, если при этом он не изменяется по величине – постоянным.

Потенциал  некоторой точки равен энергии по перемещению единичного положительного заряда (1 Кл) из точки с нулевым потенциалом в рассматриваемую точку. Разность потенциалов точек a и b называется напряжением между этими точками: u_аb =  _а –  _b. Потенциал и напряжение измеряются в Вольтах (В). Разность потенциалов, связанная с источником электрической энергии, называется электродвижущей силой (эдс). Условно положительным направлением напряжения называется направление от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом. При перемещении электрического заряда q источник с ЭДС e совершает работу W = e·q, Дж.

Мощность есть производная по времени от энергии:

p = = e = e·i, Ватт = Дж/с.

Существует много определений понятия «электрическая цепь», каждое из которых отражает одно из характерных свойств электрической цепи. Вот эти определения.

Електричним колом називається сукупність пристроїв, що утворюють шляхи для електричного струму, електромагнітні процеси в яких можна описати з допомого понять електрорушійної сили, струму та напруги /1/.

Электрической цепью называют совокупность соединённых друг с другом источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток /4/.

Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для создания в них электрического тока. Они предназначены для распределения и взаимного преобразования электрической и других видов энергии.

При расчетах электрические цепи идеализируются, то есть выделяются главные явления, происходящие в цепи, а второстепенные не учитываются. Изображение идеализированной цепи на рисунке или чертеже с помощью условных знаков с целью её расчёта или монтажа называется электрической схемой. На практике цепь и схема – тождественные понятия.

Основными элементами электрической цепи являются источники и приёмники (потребители) электрической энергии, которые соединяются между собой проводами.

Источники электрической энергии или активные элементы цепи – устройства, в которых тепловая, механическая, химическая, ядерная и т.п. энергия превращается в электрическую. Такие источники называются первичными. Вторичными считаются источники, в которых происходит преобразование электрической энергии в электрическую с другими параметрами. Примером может служить трансформатор.

Потребители или пассивные элементы (электрические двигатели, нагреватели, осветительные приборы и др.) – преобразователи электрической энергии в другие виды энергии.

При моделировании реальных устройств электрическими цепями необходимо учитывать явления трёх видов (преобразование электрической энергии в тепло, наличие электрического и магнитного полей), а между напряжением и током в цепи используются связи трёх различных типов (алгебраическая, дифференциальная, интегральная), и поэтому выделяют три различных типа идеализированных элементов: резистивный, индуктивный и емкостный.