1.7 Електричне коло

Електричним колом називають сукупність пристроїв, що утворюють шлях для електричного струму, електромагнітні процеси в яких можна описати з допомогою ЕРС, напруги, струму.

Електричні кола поділяють за видом струму на кола постійного і змінного струму; за характером розподілу параметрів - на кола із зосередженими і розподіленими параметрами; за складом елементів – на лінійні і нелінійні, активні й пасивні.

У загальному випадку електричне коло складається : 1) з джерела електроенергії; 2) споживача (приймача) електричної енергії; 3) з’єднувальних проводів.

Крім основних елементів, до складу електричних кіл входять різні допоміжні елементи : керування (рубильники, перемикачі, контактори та ін.), захисту (плавкі запобіжники, реле тощо), регулювання (реостати, стабілізатори струму й напруги, трансформатори), контролю (електровимірювальні прилади – амперметри, вольтметри, ватметри і т.д.).Допоміжні елементи, як і основні, вмикаються в коло за допомогою проводів.

Джерелами електричної енергії називаються пристрої, в яких перетворюється один з видів енергії (механічної, хімічної, теплової, молекулярно-кінетичної або будь-якої іншої) на електричну.

Прикладами джерел електроенергії є електричні генератори, акумулятори, гальванічні елементи, термоелементи, МГД-генератори і т.д.

Умовні позначення деяких джерел електричної енергії на схемах показані на рис.2.1: а – акумулятор, гальванічний елемент; б – електромеханічний генератор постійного струму; в – термопара (термоелектричний генератор); г – фотодіод (фотоелемент); д – загальне позначення джерела ЕРС на схемах заміщення; е – загальне позначення джерела струму на схемах заміщення.

Рис.2.1

Споживачами приймачами електричної енергії, або електричним навантаженням, називають пристрої, в яких електрична енергія перетворюється на інший вид енергії: механічну, світлову, теплову, хімічну та ін. Наприклад, електричні двигуни, нагрівальні елементи, лампи розжарення тощо.

Умовні позначення деяких споживачів на схемах показані на рис.2.2 :

а – електродвигун; б – резистор; в – нагрівальний елемент; г – електронагрівальна піч; д – лампа розжарення.

Рис.2.2

З’єднувальні проводи також належать до основних елементів електричного кола. Для передавання й розподілу електричної енергії використовують проводи і кабелі, з допомогою яких з’єднуються в електричні кола джерела, приймачі електричної енергії та проміжні пристрої.

Елементом електричного кола в електротехніці називають не фізично існуючі реальні складові частини електротехнічного пристрою, а його ідеалізовану модель, якій теоретично приписують відповідні електричні й магнітні властивості так, що вони в сукупності з достатньою мірою точності відображують явища, які відбуваються у реальних пристроях.

Елементи електричного кола поділяють на активні (джерела електричної енергії – джерела напруги, струму) та пасивні (опори, індуктивності, ємності).

У зв’язку з цим розрізняють активні та пасивні електричні кола.

Опором, як уже зазначалося, називається ідеалізований елемент електричного кола, в якому проходить необоротний процес перетворення електричної енергії на теплову.

Індуктивністю називається ідеалізований елемент електричного кола, що за своїми властивостями наближується до індуктивної котушки, в якій може накопичуватися енергія магнітного поля.

Ємністю називається ідеалізований елемент електричного кола, що приблизно замінює конденсатор, в якому може накопичуватися енергія електричного поля.

Отже, основними параметрами електричних кіл є ЕРС , напруга , струм , опір , індуктивність , ємність .

Якщо в якомусь електричному колі відбувається електромагнітна взаємодія з іншими колами або така взаємодія відбувається в межах даного кола з боку однієї ділянки кола на іншу, то до параметрів електричного кола належатиме і взаємна індуктивність .

При строгому розгляді параметри елементів кола майже завжди якоюсь мірою залежать від струму, що протікає по цих елементах, і від прикладеної до них напруги. Опір змінюється тому, що при зміні струму в провіднику змінюється його температура, а при зміні температури змінюється і величина опору. Ємність конденсатора може залежати від напруги, якщо діелектрична проникність речовини діелектрика в конденсаторі залежить від напруженості електричного поля. Індуктивність котушки залежить від струму, якщо магнітна проникність матеріалу осердя котушки залежить від напруженості магнітного поля. Але здебільшого ця залежність дуже слабко виражена і нею можна знехтувати.

При цьому вважають, що параметри кола не залежать ні від струму, що проходить у колі, ні від напруги кола. Тоді характеристики елементів кола будуть прямими лініями (рис.2.4). Такі елементи кола називають лінійними.

Зауважимо, що характеристиками пасивних елементів називаються залежність напруги від струму в опорі – вольтамперними характеристиками (ВАХ), заряду від напруги на конденсаторі з ємністю – кулонвольтовими характеристиками і потокозчеплення від струму в котушці з індуктивністю – вебер-амперними характеристиками.

Рис.2.4

Електричні кола, складені тільки з лінійних елементів, називаються лінійними.

Процеси в лінійних електричних колах описуються при постійних струмах і напругах алгебраїчними рівняннями, а при змінних протягом часу струмах і напругах – лінійними алгебраїчними і диференціальними рівняннями.

Якщо параметри елементів електричного кола істотно залежать від струму чи напруги, то характеристики цих елементів мають на діаграмах криволінійний характер. Такі елементи називають нелінійними. Електричне коло, що містить принаймні один нелінійний елемент називається нелінійним.