Основные элементы линейных электрических цепей

Резистор – это двухполюсник, напряжение и ток которого связаны уравнением , где R – сопротивление резистора, оно измеряется в омах (Ом). Резистор необратимо преобразует электромагнитную энергию в другие виды, в частности, в тепло. Мощность, потребляемая резистором, может быть вычислена по формулам:

.

Иногда вместо сопротивления резистора в расчетах удобно рассматривать его проводимость – величину, обратную сопротивлению: . Единица измерения проводимости - сименс (См), или 1/Ом; См = 1/Ом.

Катушка индуктивности – это двухполюсник, мгновенные значения напряжения и тока которого связаны уравнением , где L – индуктивность катушки. Единица измерения индуктивности - генри (Гн), Гн = Ом×с.

Катушка индуктивности запасает энергию электромагнитного поля в виде энергии магнитного поля и отдает ее обратно в цепь.

Ток в катушке невозможно изменить скачком. Быстрое изменение тока приводит к появлению импульсов высокого напряжения, искр и электрической дуги, которые могут быть опасны. Это нужно учитывать при переключениях в цепях, содержащих большие индуктивности.

Как правило, катушка индуктивности состоит из медного провода, намотанного на каркас, внутри которого для усиления магнитного поля и увеличения индуктивности обычно помещается стальной или ферритовый сердечник.

Конденсатор – это двухполюсник, мгновенные значения напряжения и тока которого связаны уравнением , где С – емкость конденсатора. Единица измерения емкости - фарада (Ф), Ф = с/Ом. Конденсатор запасает энергию электромагнитного поля в виде энергии электрического поля и отдает ее обратно в цепь.

Конденсатор не проводит постоянный ток. Напряжение на конденсаторе невозможно изменить скачком. После отключения источников питания на конденсаторах долгое время может сохраняться опасное напряжение.

Конденсатор чаще всего представляет собой две тонкие металлические полоски, разделенные тонким слоем диэлектрика.

Идеальный источник напряжения – это двухполюсник, напряжение которого не зависит от других элементов цепи: , где е - электродвижущая сила (э.д.с.) источника.

Э.д.с. - это работа сил источника по перемещению эл. заряда от одного полюса источника к другому, деленная на величину этого заряда. Э.д.с. измеряется в вольтах. Направление вычисления э.д.с. указывает стрелка внутри кружка. Стрелку напряжения удобно направлять противоположно стрелке э.д.с.

У источников постоянного напряжения стрелка э.д.с. направлена от "минуса" к "плюсу".

Напряжение на зажимах идеального источника равно его э.д.с., т.к. работа, которую совершает заряд, перемещаясь по цепи под действием электрического поля, равна работе, которую затрачивает на перемещение этого же заряда в противоположном направлении источник напряжения.

Источники электрической энергии обычно работают в режимах, близких к идеальному источнику напряжения.

Внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю. Это означает, что ток проходит по нему беспрепятственно, как по проводу. Это очевидно, если рассмотреть источник с нулевой э.д.с.

Рис. 4.1.

Рис. 4.2.

Реальный источник напряжения часто представляют в виде соединения идеального источника напряжения и внутреннего сопротивления R ₀ (рис. 4.1). Напряжение и ток реального источника напряжения связаны уравнением . ВАХ реального источника напряжения показана на рис. 4.2.

Идеальный источник тока – это двухполюсник, ток которого не зависит от других элементов цепи: .

Рис. 4.3.

Рис. 4.4.

Внутреннее сопротивление идеального источника тока равно бесконечности. Это означает, что другие источники не могут пропускать свой ток через источник тока - так же, как через разрыв в цепи. Это очевидно, если рассмотреть источник с нулевым током.

Реальный источник тока часто представляют в виде параллельного соединения идеального источника тока и проводимости G ₀ (Рис. 4.3). Напряжение и ток реального источника напряжения связаны уравнением . ВАХ реального источника напряжения показана на рис. 4.4.

Гидравлическая аналогия уподобляет резистор пористому телу, через которое просачивается жидкость. Конденсатор подобен широкому отрезку трубы, разделенному поперечной резиновой перегородкой. Катушка индуктивности подобна турбине, вращающейся без трения на холостом ходу. Источник напряжения подобен центробежному насосу, создающему заданное давление независимо от потока. Источник тока подобен поршневому насосу, создающему заданный поток независимо от давления.