4.3. Классификация электрических цепей и их элементов

В зависимости от того, для какого тока предназначается электрическая цепь, ее называют соответственно: «электрическая цепь постоянного тока», «электрическая цепь изменяющегося тока», «электрическая цепь синусоидального тока», «электрическая цепь несинусоидального тока».

Аналогично именуют и элементы цепей: «машина постоянного тока», «машина переменного тока», «источник постоянного тока», «приемник переменного тока» и т. д.

Элементы цепей и составленные из них цепи подразделяют еще по виду вольт-амперных (в.а.х.), вебер-амперных (вб.а.х.) и кулон-вольтных (к.в.х.) характеристик элементов цепи, выражаю­щих зависимости их напряжения от тока U(I), u(i)потокосцепления от тока ψ(I),ψ_t(i)заряда от напряженияq(U), q(u).

Примеры таких характеристик приведены на рис. 4.2, а, б, в. Элементы цепей, в.а.х., вб.а.х. и к.в.х. которых линейны, называют линейными элементами (л. э.). Нелинейные характеристики имеют нелинейные элементы (н.э.).

Электрическую цепь, состоящую из линейных элементов, называ­ют линейной цепью. Электрическая цепь, в которую входит хотя бы один н.э., называют нелинейной цепью. Электрические цепи постоянного и переменного токов различают также: по способу соединения их элементов — неразветвленные и разветвленные цепи, по числу источ­ников электрической энергии — цепи с одним и несколь­кими источниками электрической энергии. Встречаются и другие наименования цепей, о которых будет ска­зано в последующих главах.

4.4. Параметры элементов электрической цепи

Каждый элемент электрической цепи обладает свойствами поглощать электрическую энергию из цепи и преобразовывать ее в, другие виды энергии (необратимый процесс), создавать свои магнитное и электрическое поля, энергии которых могут накапливаться и при определенных условиях возвращаться обратно в цепь (обратимый процесс). Чтобы характеризовать эти свойства, вводят понятие параметров элемента.

Параметр сопротивления rхарактеризует свойство элемента поглощать энергию из электрической цепи и преобразовывать ее в другие виды энергии. Известно, что мощность (Р,р) преобразования электрической энергии пропорциональна квадрату тока (I²,i²), поэтому величина этого параметра определяется отношениемr_= p/I2для постоянного тока иr~ = р/i2для переменного тока.

Свойства элемента цепи создавать собственное магнитное поле (поле самоиндукции), когда в нем имеется электрический ток, ха­рактеризуют параметром индуктивности L. Параметр индуктивности является коэффициентом пропорциональности между током (I, i) и потокосцеплением (ψ,ψ_t) данного устройства:ψ=LIилиψ_t, =Li. Его называют коэффициентом самоиндукции и измеряют в Генри (Г).

Вебер-амперная характеристика элемента дает возможность судить об изменении его параметра индуктивности в зависимости от тока.

Параметр взаимной индуктивности Mхарактеризует свойство первого элемента с токомi₁создавать магнитное поле, частично сцепляющееся с виткамиw₂второго элемента. Потокосцеплениеψ₂₁второго элемента (первый индекс), обусловленное токомi₁первого элемента (второй индекс), называют потокосцеплением взаимоиндукции второго элемента. Параметр взаимной индуктивности М является коэффициентом пропорциональности между током первого элемента и созданным этим током потокосцеплением второго элемента:ψ₂₁=МI₁илиψ₂₁=Мi₁.

Аналогичная связь имеется между потокосцеплением перво­го элемента, обусловленного током второго элемента: ψ₁₂=МI₂илиψ₂₁=Мi₂.

Емкостный параметр Cхарактеризует свойство элемента накапливать заряды или возбуждать ими электрическое поле. Этот параметр является коэффициентом пропорциональности между напряжением и зарядом элемента:q = СU, q = Сu. О величине емкостного параметра при разных напряжениях можно судить по кл. в. х. элемента.

В общем случае любое реальное устройство обладает всеми тремя параметрами r,LиС.

В настоящее время имеются специиально изготовленные резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы, работу которых в определенных условиях с достаточной степенью точности можно характеризовать только одним параметром. Нарушение заданных условий приводит к возникновению явлений, характеризующихся другими параметрами.

Кроме специально изготовленных устройств с одним параметром, встречаются устройства, работу которых приближенно характеризуют также одним параметром. Например, лампы накаливания, печи нагрева характеризуют только параметром сопротивления, а некоторые обмотки возбуждения машин и аппаратов — только параметром индуктивности.

Основное свойство источника электрической энергии — способность создавать и поддерживать разность потенциалов на отдельных участках цепи, а также возбуждать и поддерживать электрический ток в замкнутой цепи — характеризуют его электродвижущей силой. Величина э. д. с. (Е, е) равна той энергии, которую приобретает положительный заряд величиной в 1 Кл, перемещаясь под действием сторонних сил по источнику. Если за времяdtпо источнику переменного тока проходит зарядdq=idt, то развиваемая источником энергияdW_э=eqt=eidtи мгновенная мощностьр = dW_э /dt = ei. Для источника постоянного тока развиваемые энергия и мощность соответственно равны:W_э = EItиР = ЕI.

Прохождение тока по источнику сопровождается потерей энергии внутри источника на нагрев. Эти потери характеризуют параметром сопротивления г. Поэтому параметр сопротивления наряду с э.д.с. является важнейшим параметром источника. В некоторых случаях в источниках переменного тока учитывают также параметр индуктивности L.

Элементы цепи, работу которых можно описать с помощью параметров r, L, МиС, называют пассивными. Термин «пассив­ный» подчеркивает, что такие элементы не могут выполнить свое назначение без воздействия на них посторонних источников.

Элементы цепи, для описания работы которых, кроме пассивных параметров, необходимо вводить э.д.с, называют активными. К активным элементам относят все источники электрической энергии и некоторые приемники, при описании процессов в которых нельзя ограничиться только пассивными параметрами (аккумуляторы при зарядке, двигатели постоянного тока и др.).

Элементы цепи, обладающие только одним параметром, будем называть идеальными. Идеальный источник питания имеет только параметр Е, идеальныйиндуктивный элемент (идеальная индуктивная катушка) — только параметрL, идеальный емкостный элемент (идеальный конденсатор) — только параметрС; только один параметр сопротивленияrимеет резистивный элемент (резистор). На рис.4.3 показаны обозначения этих элементов в схемах.