Лекция 2. Электрическая цепь. Схема замещения

Электрическая цепь – совокупность устройств и соединяющих их проводников, образующих путь для прохождения электрического тока.

Электрическая цепь – совокупность устройств для получения электрической энергии, передачи ее на расстояние и преобразование в другие виды энергии.

Таким образом, электрическую цепь можно представить состоящей из источника электрической энергии, приемника электрической энергии и вспомогательных устройств.

Графическое изображение электрической цепи называется электрической схемой.

Принципиальными схемами (рис. 2.1) называют графическое изображение электрической цепи, составленное из условных обозначений элементов электрической цепи в соответствии с ГОСТ.

Рис. 2.1. Принципиальная схема

Но по принципиальной схеме невозможно проводить количественный анализ электрической цепи и рассчитывать режимы ее работы. Строго математически это можно сделать с позиции теории электромагнитного поля.

Однако этот путь чрезвычайно трудоемок из-за сложности решения уравнений электромагнитного поля. Поэтому для упрощения математического описания процессов в электрической цепи вводится понятие «электрическая схема замещения».

Схема замещения – это схема, которая содержит идеализированные элементы, удобная для математического описания, но выбрана таким образом, чтобы с хорошим приближением можно было описывать реальные элементы и процессы в электрической цепи.

Схеме, изображенной на рис. 2.1, соответствует следующая схема замещения (рис. 2.2):

Рис. 2.2. Схема замещения

Для математического описания процессов в электрической цепи на основе схемы замещения вводятся понятия электрического тока, потенциала, напряжения, ЭДС.

Лекция 3. Электрический ток. Электрическое поле

Электрический ток – это упорядоченное движение электрических зарядов.

Для возникновения электрического тока необходимо (рис. 3.1):

1. наличие свободных зарядов;

2. наличие электрического поля, за счет энергии которого положительные заряды перемещаются по полю, а отрицательные – против.

На рис. (3.1) Е – напряженность электрического поля (силовая характеристика электрического поля), численно равная силе, действующей со стороны электрического поля на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:

. (3.1)

Единица напряженности электрического поля:

Для графического изображения электрического поля используют линии напряженности (силовые линии) электрического поля.

Линии напряженности – это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором напряженности электрического поля в данной точке (рис. 3.2).

За направление электрического тока принято движение положительных зарядов.

Основные характеристики электрического тока:

1) сила тока;

2) плотность тока.

Сила электрического тока – это количественная характеристика электрического тока, которая численно равна заряду, протекающему через поперечное сечение проводника в единицу времени, т. е.

или(3.2)

Единица силы тока: .

1А численно равен такому току, при котором через поперечное сечение проводника за 1 с протекает заряд равный 1 Кл.

В зависимости от силы тока электрический ток подразделяется:

а) постоянный ; график представлен на рис. 3.3;

Рис. 3.3. График постоянного электрического тока

б) пульсирующий; меняет величину, но не меняет направление (рис. 3.4);

или

Рис. 3.4. График пульсирующего электрического тока

в) переменный; меняет величину и направление (рис. 3.5);

синусоидальный ток Рис. 3.5. Графики электрического тока

Плотность электрического тока – это физическая величина, определяемая силой электрического тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, расположенную перпендикулярно направлению тока.

, (3.3)

Единица плотности тока:

.

Потенциал электрического поля– это скалярная характеристика (энергетическая) электрического поля. Потенциал электрического поля φ_Мв некоторой точке М численно равен работе, которую совершает сила электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из точки М в бесконечно удаленную точку (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Потенциал электрического поля

, (3.4)

где (;) ­– скалярное произведение векторови.

Численное значение потенциала определяется по формуле:

d, (3.5)

где – вектор, характеризующий бесконечно малый участок пути, на которомможно считать постоянной.

Единица измерения потенциала: [φ] = В (Вольт).

Разностью потенциаловмежду двумя точками 1 и 2 называется физическая величина, численно равная работе сил электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

– предел суммы бесконечно малых величин. (3.6)