Электрическая цепь постоянного тока и ее характеристики

В электротехнике рассматривается устройство и принцип действия основных электротехнических устройств, используемых в быту и промышленности. Чтобы электротехническое устройство работало, должна быть создана электрическая цепь, задача которой передать электрическую энергию этому устройству и обеспечить ему требуемый режим работы.

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.

ЭДС - величина, характеризующая источник энергии неэлектростатической природы в электрической цепи, необходимый для поддержания в ней электрического тока. Эдс численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи. Полная эдс в цепи постоянного тока равна разности потенциалов на концах разомкнутой цепи. В СИ измеряется в вольтах.

«Электрический ток – это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц – электронов » правильно только для электрического тока в вакууме, а точнее - электровакуумных приборах.

Альтернативой классическому понятию Электрического тока в проводнике является дипольная атомарная модель. При воздействии энергии источника электрического тока, все диполи атомов проводника поворачиваются, ориентируясь своими одноимёнными полюсами в одном направлении, обеспечивающем мгновенную (со скоростью света), передачу энергии на противоположный конец проводника.
Тогда определение электрического тока для проводников будет выглядеть так:
«Электрический ток – это способность атомов проводника осуществлять перенос электрических зарядов, путём магнитной ориентации под воздействием энергии источника электрического тока ».
Не понятно, что является носителем электрического заряда? Ведь диполи, не перемещаются вдоль проводника, они лишь ориентируются по магнитному полю, поворачиваясь на месте. А заряд это свойство материальных тел и в свою очередь без носителя существовать не может.
А носителя энергии, перемещающегося по проводнику на самом деле и нет! Энергия перемещается в виде фотонов – точечных электромагнитных колебаний имеющих чёткую геометрическую форму и поляризацию. Так как фотон не имеет массу, он способен двигаться со скоростью света – подобно радиосигналу, поскольку и свет, и радиосигнал – это тоже поток фотонов. При этом, двигаясь с такой огромной скоростью он, при отсутствии массы способен резко (без инерции) менять своё направление. Если это движение доверить электронам, то они «пробивали» бы металлы, разрушая их на молекулярном уровне, подобно мелкому космическому «мусору», вращающемуся на космической скорости на околоземных орбитах, и периодически выводящему из строя дорогие космические аппараты, «прошивая» обшивку аппаратов насквозь. Кстати, в электровакуумных приборах, где носителями энергии действительно выступают электроны, такое явление наблюдается.

Электрическое напряжение (электрический потенциал) измеряется прибором называемым Вольтметром - разность потенциалов, которая заставляет течь ток, измеряется в Вольтах (В). Так же, как для тока, для увеличения диапазона обозначений, существуют кратные приставки: (микро - микровольт (мкВ), мили – милливольт (мВ), кило – киловольт (кВ), мега – мегавольт (МВ).

Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения. Электрическая схема простейшей электрической цепи, обеспечивающей работу осветительной аппаратуры, представлена на рис. 1.1.

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:

1) Источники электрической энергии (питания).

Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

2) Потребители электрической энергии.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.

3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

В электрической схеме на рис. 1.1 электрическая энергия от источника ЭДС E, обладающего внутренним сопротивлением r 0 , с помощью вспомогательных элементов цепи передаются через регулировочный реостат R к потребителям (нагрузке): электрическим лампочкам EL 1 и EL 2 .

Основные понятия и определения для электрической цепи

Для расчета и анализа реальная электрическая цепь представляется графически в виде расчетной электрической схемы (схемы замещения). В этой схеме реальные элементы цепи изображаются условными обозначениями, причем вспомогательные элементы цепи обычно не изображаются, а если сопротивление соединительных проводов намного меньше сопротивления других элементов цепи, его не учитывают. Источник питания показывается как источник ЭДС E с внутренним сопротивлением r 0 , реальные потребители электрической энергии постоянного тока заменяются их электрическими параметрами: активными сопротивлениями R 1 , R 2 ,…,R n . С помощью сопротивления R учитывают способность реального элемента цепи необратимо преобразовывать электроэнергию в другие виды, например, тепловую или лучистую.

При этих условиях схема на рис. 1.1 может быть представлена в виде расчетной электрической схемы (рис. 1.2), в которой есть источник питания с ЭДС E и внутренним сопротивлением r 0 , а потребители электрической энергии: регулировочный реостат R, электрические лампочки EL 1 и EL 2 заменены активными сопротивлениями R,R 1 и R 2 .

Источник ЭДС на электрической схеме (рис. 1.2) может быть заменен источником напряжения U, причем условное положительное направление напряжения U источника задается противоположным направлению ЭДС.

При расчете в схеме электрической цепи выделяют несколько основных элементов.

Ветвь электрической цепи (схемы) – участок цепи с одним и тем же током. Ветвь может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных элементов. Схема на рис. 1.2 имеет три ветви: ветвь bma, в которую включены элементы r 0 ,E,R и в которой возникает ток I; ветвь ab с элементом R 1 и током I 1 ; ветвь anb с элементом R 2 и током I 2 .

Узел электрической цепи (схемы) – место соединения трех и более ветвей. В схеме на рис. 1.2 – два узла a и b. Ветви, присоединенные к одной паре узлов, называют параллельными. Сопротивления R 1 и R 2 (рис. 1.2) находятся в параллельных ветвях.

Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям. В схеме на рис. 1.2 можно выделить три контура: I – bmab; II – anba; III – manbm, на схеме стрелкой показывают направление обхода контура.

Условные положительные направления ЭДС источников питания, токов во всех ветвях, напряжений между узлами и на зажимах элементов цепи необходимо задать для правильной записи уравнений, описывающих процессы в электрической цепи или ее элементах. На схеме (рис. 1.2) стрелками укажем положительные направления ЭДС, напряжений и токов:

а) для ЭДС источников – произвольно, но при этом следует учитывать, что полюс (зажим источника), к которому направлена стрелка, имеет более высокий потенциал по отношению к другому полюсу;

б) для токов в ветвях, содержащих источники ЭДС – совпадающими с направлением ЭДС; во всех других ветвях произвольно;

в) для напряжений – совпадающими с направлением тока в ветви или элемента цепи.

Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные.

Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным, например электропечь.

Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке.

Следовательно, в линейной электрической цепи все элементы – линейные, а нелинейной называют электрическую цепь, содержащую хотя бы один нелинейный элемент.

• Печать
• E-mail

Подробности Категория: Электротехника

Электрическая цепь. Электрическая схема

Источник тока и потребитель электроэнергии, соединенные между собой проводниками , образуют электрическую цепь . Когда цепь замкнута, по ней идет ток. Если один проводник убрать или разорвать его в любом месте, ток по цепи не пойдет. Потребитель электроэнергии в этом случае работать не будет. Замыкать и размыкать цепь, не снимая и не разрывая проводников, можно с помощью выключателя.

Самая простая электрическая цепь состоит из четырех элементов (рис. справа): источник тока, выключатель, потребитель электроэнергии, проводники.

Нетрудно нарисовать их и показать, как они соединены между собой. Но обычно цепи бывают гораздо сложнее. Например, в учебной мастерской есть электрические цепи, в которые входят несколько ламп, электродвигатели станков, электрические печи и другое электрооборудование. Выполнить рисунки таких цепей сложно. Вот почему в электротехнике принято изображать цепи с помощью условных обозначений . Часть из них приведена в таблице ниже.

С помощью этих условных обозначений электрическую цепь (см. рис. выше) можно изобразить, как это показано на рисунке слева. Такое изображение электрической цепи с помощью условных знаков называется электрической схемой .

Самая простая электрическая цепь состоит из: источника тока, нагрузки и проводников. Смотри пример на рисунке ниже:

В состав более сложных электрических цепей могут входить и другие разнообразные элементы и приборы, например, устройства коммутации и защиты.

Как известно из предыдущих лекций, для требуется соединить две точки, одна из которых обладает избыток свободных электронов в сравнении с другой. Другими словами необходимо получить разность потенциалов или между этими двумя точками. Как раз для поучения в цепи напряжения и используется источник тока. Им в электрической цепи могут являться такие электротехнические приборы как генераторы, аккумуляторные или химические батареи и т.п.

Нагрузкой в электрической цепи является абсолютно любой потребитель энергии. Нагрузка оказывает какое-то сопротивление прохождению электрическому току и от номинала сопротивления нагрузки зависит и значение протекающего тока. Ток от источника напряжения к нагрузке следует по проводникам. В качестве проводников применяют материалы с наименьшим сопротивлением (медь, серебро, золото). Представляете, сколько будет стоить электрическая цепь с золотыми проводниками.

Все элементы электрической цепи можно условно поделить на две различные группы: пассивные элементы или резисторы и активные, источники электромагнитной энергии.

Резистор, он-же пассивный элемент, описывается величиной, называемой сопротивлением R . Иногда при расчете на практике применяют другую величину, обратное сопротивлению: его назвали проводимостью G

Сопротивление резистора R , напряжение на его зажимах U R и ток через резистор I R связаны между собой, в соответствии с для электрической цепи.

Под активными элементами понимают любые источники электрической энергии, такие как источники напряжения и тока.

Источник напряжения описывается в электротехнике двумя параметрами: величиной электродвижущей силы (ЭДС) Е и внутренним сопротивлением r .

Напряжение на зажимах источника напряжения отличается от величины ЭДС E на значение падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Для идеального случая, когда I = 0 , будет абсолютно верно U = E .

Источник тока, также описывается двумя этими же параметрами. На принципиальных схемах отображается следующим образом.

В некоторых случаях, при решении различных задач появляется необходимость трансформировать источник тока в источник напряжения. Эти вычисления легко можно реализовать с помощью формул.

В электротехники электрическая цепь в зависимости от вида соединения бывает: последовательной, параллельной и смешанной.

Последовательная электрическая цепь все элементы соединяются последовательно относительно друг друга, т.е конец первого устройства, с началом второго и т.д

При таком типе соединения ток может идти только одним путем от источника к нагрузке, поэтому общий ток, равен току в каждом участке ЭЦ:

I общ = I 1 =I 2 =I 3

Падение напряжения на всем участке цепи определяется суммой падений напряжений, на каждом участке цепи:

E = U 1 +U 2 +U 3

В Параллельная электрическая цепь , это когда все начальные и конечные выводы ЭЦ соединены вместе, смотри рисунок:

При таком варианте включения схемы у тока есть три вариантра маршрута, а общий ток вычисляется из суммы токов отдельных участков цепи, в данном случае трех:

I общ =I 1 +I 2 +I 3

Падение напряжения на всех отдельных элементах будет равно приложенному напряжению к о всей цепи:

E=U 1 =U 2 =U 3

Последовательно-параллельная электрическая цепь На самом деле в ней нет ничего сложного, и она состоит всего лишь из комбинации двух рассмотренных выше вариантов:

Сопротивление - это свойство любого материала препятствовать направленному движению потока свободных носителей заряда - электронов., т.е создавать сопротивление протеканию электрического тока.

К простым относятся ЭЦ, которые имеют в своем составе либо один источник, либо несколько, но находящихся в одной ветви ЭЦ.

Первая схема содержит один источник питания, поэтому точно относится к простым цепям. Вторая имеет два источника, но они расположены в одной ветви.

В первой схеме: Сначала осуществляют упрощение схемы последовательно преобразуя все пассивные компоненты ЭЦ в одно эквивалентное сопротивление. Для этого требуется выделить участок схемы, на которых сопротивления соединены последовательно или параллельно, и по рассмотренным выше формулам заменить их эквивалентными сопротивлениями. ЭЦ постепенно упрощают и подводят к наличию в цепи одного эквивалентного резистора.

Во втором варианте подобную процедуру осуществляют с активными элементами(источниками тока). По аналогии с предыдущим абзацем упрощаем до тех пор, пока не получим в схеме всего один эквивалентный источник напряжения.

В итоге мы должны получить простую ЭЦ следующего вида:

Теперь необходимо использовать закон Ома и фактически вычислить значение тока протекающего через источник электрической энергии.

Теперь поэтапно полученную эквивалентную схему преобразовывают к первоначальному виду. После каждого обратного преобразования схемы применяют законы Ома и Кирхгофа определяют токи и напряжения на каждом участке цепи. По окончании преобразования получаем полный расчет электрической цепи.

Пример 1:

Классификация электрических цепей и их элементо в

Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, предназначенных для распределения, взаимного преобразования и передачи электрической и других видов энергии и (или)информации . Свое назначение цепь выполняет при наличии в ней электрического тока. Электромагнитные процессы в цепи и ее параметры могут быть описаны с помощью известных из курса физики интегральных понятий: ток, напряжение (разность потенциалов), заряд, магнитный поток, электродвижущая сила, сопротивление, индуктивность, взаимная индуктивность и емкость.

Следует отметить, что именно в теории поля дается определение интегральных понятий (таких, как ток и напряжение), характеризующих электрическую цепь. Расчет параметров цепи (сопротивлений, индуктивностей, емкостей) в общем случае также возможен только с помощью понятий, используемых в теории поля.

Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определенные функции и называемых элементами цепи.

Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов ).

Источники энергии (сигналов ) , такие, как электромеханические или электронные генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы, термодатчики и т. д., предназначены для преобразования различных видов энергии в электрическую энергию.

Приемники энергии (сигналов ) служат для преобразования электрической энергии в другие виды энергии. К ним относятся электрические двигатели, нагревательные приборы, электрические лампы, электронно-лучевые трубки, динамические громкоговорители и др.

Кроме основных элементов, цепь содержит различные вспомогательные элементы, которые связывают источники с приемниками (соединительные провода, линии передачи), подавляют или усиливают определенные составляющие сигналов (фильтры, усилители), изменяют уровень напряжения и тока в других частях цепи (трансформаторы), улучшают или изменяют характеристики и параметры участков цепи и ее элементов (корректирующие устройства, фазовые звенья) и т. п.

По назначению различают цепи для передачи и преобразования электрической энергии (цепи, применяемые в электроэнергетике) и цепи для передачи и преобразования информации (цепи в технике связи, радиотехнические цепи, цепи устройств автоматики и телемеханики и т. д.).

Цепи можно классифицировать по типу элементов, из которых они состоят, например, резистивные цепи - цепи, состоящие из резисторов и источников энергии,электронные цепи - цепи, содержащие электронные лампы и транзисторы, и т. д.

У каждого элемента цепи можно выделить определенное число зажимов (полюсов, выводов), с помощью которых он соединяется с другими элементами.

Различают двухполюсные и многополюсные (трехполюсные, четырехполюсные и т. д.) элементы цепи. Двухполюсные элементы имеют два зажима; к ним относятся источники энергии (за исключением многофазных и управляемых источников), резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки.

Наиболее распространенные трехполюсные элементы - это электронные лампы (вакуумные триоды) и транзисторы (полупроводниковые триоды). 4

Примерами четырехполюсных элементов могут служить трансформаторы (двухобмоточные), индуктивные катушки с подмагничиванием (дроссели с подмагничиванием), интегральные операционные усилители.

Элементы цепи, имеющие более четырех зажимов, также находят применение (например, многообмоточные трансформаторы, различные микромодули - твердотельные компоненты электронных схем, многоэлектродные электронные лампы).

Различают активные и пассивные элементы цепи . К активным элементам относятся источники энергии. Часто активными элементами называют также электронные лампы, транзисторы, операционные усилители, которые способны усиливать электрические сигналы. К пассивным относят элементы, в которых рассеивается и (или) накапливается энергия (резисторы, индуктивные катушки, конденсаторы, трансформаторы).

Если элемент цепи характеризуется линейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями (при упомянутой ранее идеализации), то его называют линейным . Коэффициенты, связывающие напряжения и токи и их производные, представляют собой параметры элемента.Параметры линейного элемента могут быть постоянными (стационарный элемент) или могут изменяться в зависимости от времени по какому-либо закону (нестационарный, параметрический элемент).

Если элемент цепи описывается нелинейными алгебраическими или дифференциальными уравнениями, то он называется нелинейным. Нелинейные элементы могут быть также параметрическими.

Во многих случаях параметры элемента рассматриваются как сосредоточенные (элемент с сосредоточенными параметрами ); при этом напряжения и токи на зажимах элемента не являются функциями пространственных координат, определяющих геометрические размеры элемента. Параметры элемента могут быть также распределенными (элемент с распределенными параметрами); такой элемент характеризуется уравнениями, в которых напряжения и токи зависят от пространственных координат. В качестве примеров элементов сраспределенными параметрами можно назвать линии передачи энергии и информации, многослойные пленочные резистивно-емкостные микроструктуры.

Элементы электрической цепи могут удовлетворять или не удовлетворять принципу взаимности. Упрощенно принцип взаимности состоит в следующем: реакция цепи на участке 1 от возмущения на участке 2 равна реакции на участке 2 от такого же возмущения на участке 1. Математическая формулировка этого принципа и его иллюстрации даны ниже. В соответствии с этим различают взаимные и невзаимные элементы. Примеры взаимных элементов - резисторы, индуктивные катушки, конденсаторы, трансформаторы; к невзаимным элементам относятся электронные лампы, транзисторы и др.

Если цепь содержит один или несколько параметрических элементов, то ее называют параметрической (нестационарной).

Аналогично, если цепь содержит один или более нелинейных элементов, то ее называют нелинейной. Для нелинейной цепи в общем случае неприменим принцип наложения.

Можно говорить также об активных и пассивных цепях. Цепь считают активной, если по отношению к некоторым зажимам она является источником энергии. Такая цепь содержит активные элементы. В противном случае цепь называют пассивной.

Электрическая цепь – совокупность устройств (элементов), предназначенных для направленного движения электрических зарядов (электрического тока) и связанных с ним электромагнитных процессов .

Электрическая цепь служит для генерирования, передачи и преобразования электрической (электромагнитной) энергии и сигналов.

Основные элементы электрической цепи – источники, приемники и линии передачи.

Источник электрической энергии и сигналов – устройство, преобразующее различные виды энергии неэлектромагнитной природы в электромагнитную (гальванический элемент, аккумулятор, электромеханический генератор).

Приемник электрической энергии и электрических сигналов – устройство, преобразующее электрическую энергию в другие виды энергии (электротермические устройства, электрические лампы, резисторы, электрические двигатели).

Линия передачи электрической энергии и электрических сигналов – проводники (материалы, среды, имеющие свободные заряды) и электромагнитные поля, с помощью которых осуществляется передача электрической энергии и сигналов от источников к приемникам.

Кроме того, элементами электрической цепи могут быть преобразовательные, коммутационные и измерительные устройства (приборы).

Преобразователь электрической энергии – устройство, преобразующее параметры (напряжение, ток, их форму, величину, частоту) электромагнитной энергии (трансформаторы, выпрямители, инверторы, преобразователь частоты).

Коммутационные устройства предназначены для изменения режима работы электрической цепи: отключение и включение источников, приемников, изменения параметров участков цепи. Это контакторы, переключатели, выключатели, разъединители.

Измерительные устройства – приборы для измерения различных параметров электромагнитных процессов, протекающих в электрической цепи (амперметры, вольтметры, ваттметры и т.д.).

Схема электрической цепи – графическое изображение электрической цепи, содержащее условные изображения ее элементов и показывающее соединение этих элементов.

ЕСКД «Обозначения условные графические в схемах». ГОСТ 2.721-74 – 2.758-81.

Приемники, источники:

–элемент гальванический;

–лампа накаливания;

–генератор постоянного тока электромеханического типа;

–резистор;

–потенциометр;

–реостат;

–катушка индуктивности;

–конденсатор.

Коммутационные устройства:

–нормально разомкнутый контакт;

–нормально замкнутый контакт;

–переключающий контакт.

Показывающие приборы (A, V, W):

Преобразовательные устройства:

–воздушный трансформатор;

–диодный мост (двухполупериодный выпрямитель);

–инвертор.

Принципиальная схема электрической цепи – схема электрической цепи, изображающая соединение реальных элементов этой цепи .

Пример. Простейшая электрическая цепь – гальванический элемент, соединенный с лампой накаливания через выключатель с помощью соединительных проводов. Для измерения напряжения и тока в цепь включены вольтметр и амперметр.

Функциональная (структурная, блок-схема) – схема электрической цепи, изображающая соединение отдельных блоков сложной электрической цепи, выполняющих определенные функции (усиление, выпрямление, инвертирование т.д.)

Двухполюсник – часть электрической цепи, которая рассматривается относительно двух каких-либо зажимов .

Четырехполюсник – часть электрической цепи, имеющая два входных и два выходных зажима.

Активная цепь – часть электрической цепи, в которой действуют источники электрической энергии.

Пассивная цепь – часть электрической цепи, в которой нет источника электрической энергии.

Схема замещения электрической цепи

Ни функциональная, ни принципиальная схемы электрических цепей не отражают количественную сторону электромагнитных процессов, которые имеют место в элементах цепи и которые определяют режим работы этой цепи независимо от конструкции и физической природы этих элементов.

Схема замещения (расчетная математическая модель, эквивалентная)электрической цепи –схема электрической цепи, изображающая соединения абстрактных, идеальных элементов, с достаточным приближением отображающих электромагнитные процессы в электрической цепи.

В теории электрических цепей реальные элементы, из которых составляется электрическая цепь, заменяются абстрактными идеальными элементами с определенными свойствами.

Какие же это элементы? И какие электромагнитные процессы они отражают?