1. Электрические цепи постоянного тока

1.1. Основные понятия

Основные электротехнические устройства по назначению подразделяются на генерирующие и потребляющие.

Генерирующие устройства производят электрическую энергию. В них происходит преобразование различных видов энергии (химической, механической, тепловой, лучистой и др.) в электрическую энергию. Они называются источниками (рис. 1, а).

Потребляющие – это устройства, в которых происходит преобразование электрической энергии в другие виды. Эти устройства называются приемниками (рис. 1, б).

Чтобы привести в действие приемник электрической энергии, на его входных зажимах необходимо создать и поддерживать определенную разность потенциалов, т. е. электрическое напряжение. Для этого приемное устройство подключают к генерирующему.

Электрическая цепь – совокупность электротехнических устройств, состоящая из источников и приемников электрической энергии, характеризуемых ЭДС – Е, током – I, напряжением – U, и электрическим сопротивлением – R.

Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, называются элементами электрической цепи (рис. 2): S – выключатель – (коммутационная аппаратура); E – аккумуляторная батарея (источник электрической энергии); HL – приемник электрической энергии (лампа накаливания); рА – амперметр; pV – вольтметр; R1, R2 – приемники электрической энергии: 1, 2, 3, 4 – узлы схемы; I, II – независимые контуры

Часть электрической цепи, содержащая выделенные в ней элементы, называется участком цепи. Передающие элементы цепи являются звеном, связывающим источники и приемники. Кроме электрических проводов в это звено могут входить приборы контроля и управления, а также преобразующие устройства, благодаря которым электрическую энергию становится удобно передавать на расстояние и распределять между приемниками.

Графическое изображение электрической цепи называется схемой. В сложных электрических цепях выделяют такие понятия, как ветвь, узел, контур.

Ветвь – участок электрической цепи с одним и тем же током, состоящий из последовательно соединенных элементов (рис. 2, ветвь 1–3 или 1–2, или 2–4).

Узел – место соединения трех и более ветвей (рис. 2, узел 1, 2, 3, 4).

Различают геометрический и потенциальный узлы. Узлы 1 и 2–по-тенциальные, так как их потенциалы не равны (₁  ₂) из-за наличия падения напряжения на резисторе R1. Узлы 3 и 4 – геометрические, так как ₃ = ₄, таким образом, это будет один потенциальный узел.

Контур – замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям и узлам так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречаются больше одного раза (например, на рис. 2: контур 1– 2– 4–3 = 1).

Независимый контур – это такой контур, в который входит хотя бы одна новая ветвь (например, на рис. 2 – контуры I и II).

1.2. Классификация электрических цепей

Основной характеристикой электрических цепей является вольт-амперная характеристика (ВАХ) – зависимость напряжения от тока. По виду ВАХ различают линейные и нелинейные цепи.

Элементы электрической цепи характеризуются электрическим сопротивлением, которое у одних приемников зависит от приложенного напряжения, причем ток пропорционален напряжению и R = const, а у других не зависит. В первом случае эти элементы называются линейными, они имеют линейную ВАХ (рис. 3, а).

Зависимость тока от напряжения в таком элементе определяется законом Ома: , где R – сопротивление линейного элемента.

Во втором случае эти элементы называются нелинейными, они имеют нелинейную ВАХ (рис. 3, б). Это – выпрямительные диоды, стабилитроны, терморезисторы и др.

Электрические цепи также различают по способу соединения их элементов: неразветвлённые (рис. 4, а) и разветвлённые (рис. 4, б).

По числу источников электрической энергии цепи бывают с одним источником ЭДС и с несколькими (рис. 5).

Обозначение источника электрической энергии может отсутствовать на схеме. В этом случае указывается напряжение, подводимое к электрической цепи от источника, а последний лишь подразумевается, положительное направление напряжения выбирается произвольно и указывается стрелкой (рис. 6).