Раздел I Электрические цепи

Глава 1. Основные понятия

§ 1.1. Электрическая цепь и ее элементы. Назначение элементов цепи

Основные электротехнические устройства по своему назначению подразделяются на устройства генерирующие и использующие

электрическую энергию.

Чтобы привести в действие устройство, использующее электрическую энергию (приемное устройство), на его входных зажимах необходимо создать и поддерживать определенную разность элек­трических потенциалов — электрическое напряжение. Для этой цели приемное устройство подключают к гене­рирующему, образуя тем самым комплекс устройств — электричес­кую цепь.

Электрической цепью называют совокупность уст­ройств, предназначенных для генерирования, передачи, преобра­зования и использования электрической энергии, процессы, в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, электрическом напряжении и электродвижущей силе (э. д. с).

Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, назы­вают также элементами электрической цепи. Часть электрической цепи, содержащую выделенные в ней элементы, называют участком цепи.

Элементы цепи, предназначенные для генерирования электри­ческой энергии, называют источника ми питания, а элементы, использующие электрическую энергию,— приемники электрической энергии.

В источниках в электрическую энергию преобразуются иные виды энергии: механическая в машинных генераторах, химическая в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловая в термоэле­ментах, лучистая в фотоэлементах и т.д.

В приемниках, наоборот, электрическая энергия преобра­зуется в иные виды энергии: механическую в электрических дви­гателях, химическую в аккумуляторах, тепловую в различных нагревательных приборах и печах, лучистую в осветительных приборах и т. д.

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 (трансформаторы, выпрямители и др.), в которых электри­ческая энергия доводится до такого состояния, когда ее становится удобно передавать на расстояния и распределять между приемника­ми.

Преобразователи электрической энергии с первичной стороны, куда поступает преобразуемая энергия, можно рассматривать как приемники, а со вторичной стороны, от которой преобразованная энергия отводится — как источники.

§ 1.2. Классификация электрических токов, э.Д.С. И напряжений

Элементы цепи выполняют свое назначение, когда цепь замкнута и в ней имеет место направленное движение носителей электрических зарядов — электрический ток.

Величина или сила электрического тока опре­деляется количеством электричества (зарядом), проходящего сквозь поверхность, равную поперечному сечению проводника, в единицу времени.

Электрический ток, величина и направление которого остаются неизменными, называют постоянным током (рис. 1.1, а) и обозначают прописной буквой I. Если за t секунд прошло (qку­лонов электрического заряда, то сила постоянного тока

I=q/t (1.1)

Отсюда заряд, который переносит постоянный ток за время t,

q = It. (1.2)

Электрический ток, величина или направление которого не оста­ются постоянными, называют изменяющимся или пе­ременным током. Значения изменяющегося тока в рассма­триваемый момент времени называют мгновенными зна­чениями и обозначают строчной буквой i. Ток i связан с за­рядом q и временем t соотношением

i=dq/dt. (1.3)

За промежуток времени от 0 до t изменяющийся ток переносит заряд

q (1.4)

Основной электрической единицей в Международной системе единиц измерения (СИ) является единица силы тока Ампер (А). Заряд в этой системе измеряется в Ампер-секундах (А • с), или Ку­лонах (Кл). Заряд в 1 Кл соответствует заряду 6,29-10¹⁸ электро­нов. При токе в 1 А через поперечное сечение проводника в 1 с про­ходит заряд, равный заряду 6,29 • 10¹⁸ электронов.

Формы кривых изменяющихся токов весьма разнообразны. Доминирующее значение среди них имеют периодические токи. Периодическими называют такие токи, мгновенные зна­чения которых повторяются через равные промежутки времени. Наименьший промежуток времени, по истечении которого мгновен­ные, значения тока повторяются, называют периодом и обозна­чают буквой Т. Число периодов в одну секунду называют часто­той периодического тока; частоту измеряют в Герцах (Гц) и обо­значают буквой f. Частота и период связаны соотношением

f=1/T. (1.5)

Токи, изменяющиеся по гармоническому закону, называют синусоидальными токами (рис. 1.1, 6). Обще­принято синусоидальные токи называть переменными то­ками, хотя было бы целесообразнее переменными токами назы­вать любые изменяющиеся токи.

Если закон изменения мгновенных значений периодического тока отличен от гармонического, то такой ток называют неси­нусоидальным током (рис. 1.1, в). Наибольшее зна­чение синусоидального тока называют амплитудой и обозна­чают прописной буквой I с нижним индексом т (I_т). Наибольшее значение несинусоидального тока обозначают строчной буквой (с нижним индексом max (I_max).

Постоянные или изменяющиеся токи возникают в электрических цепях под действием э.д.с, возбуждаемых в источниках в про­цессе преобразования в них какого-либо вида энергии в электри­ческую энергию. Э.д.с. и напряжения в соответствии с законом изменения их мгновенных значений называют постоянными, изменяющимися, синусоидальными и несинусоидальными. Постоянные э.д.с. и напряже­ния обозначают прописными буквами Е и U, а изменяющиеся э.д.с. и напряжения — строчными буквами e и и.

Совокупность величин, характеризующих воздействие на цепь э.д.с. и возникающих в результате этого воздействия напряже­ний и токов, определяет режим работы электрической цепи и ее элементов.