Введение

Представляется конспект лекций первой части курса «Электротехника и электроника», читаемый автором студентам специальностей «Программно-вычислительные средства» и «Автоматические средства управления». В соответствии с действующими стандартами отражен лишь один раздел обычно читаемого курса «Электротехника» - «Теория электрических цепей». При этом особое внимание уделено тем темам, материалы которых будут использоваться во второй части читаемого курса.

В основу курса лекций положены материалы, изложенные в книгах «Электротехника» (под ред. В.Г. Герасимова) и «Основы электрических цепей» (авторы Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов), которые автор считает классическими учебниками, имеющие наибольшую значимость, несмотря на то, что они изданы в 80-х годах прошлого столетия.

Некоторые фрагменты этих учебников можно встретить в предлагаемых лекциях.

При необходимости студенты могут воспользоваться и другими учебными пособиями, список которых приведен в конце представленного материала.

Автор с благодарностью воспримет замечания по представленным материалам.

Введение электрическая цепь и ее элементы

Электрическую цепь можно рассматривать состоящую из источников и приемников электрической энергии, соединенных проводами для обеспечения замкнутого пути протекания тока.

Рис. 1. Пример схемы электрической цепи, состоящей из источника (аккумуляторной батареи) и приемника (лампы накаливания).

Элементы электрической цепи характеризуются:

- электродвижущей силой (ЭДС) – Е;

- током – I;

- напряжением – U;

- сопротивлением – R.

Они могут быть активными и пассивными, линейными и нелинейными.

Источники электрической энергии являются активными элементами. Они характеризуются определенным значением ЭДС.

Основной характеристикой элементов электрической цепи является вольт-амперная характеристика – зависимость напряжения от тока. Линейным считается элемент, у которого вольт-амперная характеристика является прямой. В противном случае – элемент нелинейный. Вольт-амперные характеристики пассивных элементов проходят через начало координат. Ток в таких элементах равен нулю в отсутствии напряжения.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика линейного пассивного элемента - приемника.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика нелинейного пассивного элемента - приемника.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика линейного активного элемента - приемника.

Зависимость напряжения от тока в пассивном линейном элементе определяется законом Ома:

U = RI.

Зависимость напряжения от тока в активном линейном элементе-приемнике определяется как:

U = E + R_внI,

где Е – напряжение на элементе, когда через него ток не протекает, R_вн – внутреннее сопротивление элемента.

Вольт-амперная характеристика источника электрической энергии часто называется внешней характеристикой. Она может быть линейной и нелинейной, а источники могут быть линейные и нелинейные.

Рис. 5. Линейная внешняя характеристика источника электрической энергии.

Рис. 6. Нелинейная внешняя характеристика источника электрической энергии.

Рис. 7. Схема замещения линейного источника электрической энергии, имеющего линейную внешнюю характеристику (схема замещения источника ЭДС). Е – ЭДС источника, R_вн – его внутреннее сопротивление.

За направление ЭДС источника энергии выбирается направление от положительного разъема к отрицательному. Ток, обусловленный источником в цепи, направлен от «минуса» к «плюсу».

Выходное напряжение источника энергии:

U = E – I R_вн. (1)

Режим «холостого хода» - когда через источник не протекает ток, т.е. при разомкнутых выходных клеммах. В этом режиме выходное напряжение равно ЭДС источника U_хх = E.

Режим «короткого замыкания» - когда через источник протекает максимальный ток, т.е. при замкнутых выходных клеммах. В этом режиме ток: