2020-08-05
142
Электротехническое устройство и происходящие в нем физические процессы в теории электротехники заменяют расчетным эквивалентом – электрической цепью. Электрическая цепь - это совокупность соединенных друг с другом проводниками источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток. Электромагнитные процессы в электрической цепи можно описать с помощью следующих понятий: ток, напряжение, Э.Д.С., сопротивление, проводимость, индуктивность, емкость. Электрический ток может быть постоянным и переменным. Постоянным называют ток, неизменный во времени. Он представляет направленное упорядоченное движение носителей электрического заряда. Как известно из курса физики, носителями зарядов в металлах являются электроны, в полупроводниках электроны и дырки (ионы), в жидкостях – ионы. Упорядоченное движение носителей зарядов в проводниках вызывается электрическим полем. Поле создается источниками электрической энергии. Источник преобразует химическую, механическую, кинетическую, световую или другую энергию в электрическую энергию. Он характеризуется Э.Д.С. и внутренним сопротивлением. Э.Д.С. источника может быть постоянной или переменной во времени. Переменная Э.Д.С. может изменяться во времени по любому физически реализуемому закону. Ток, протекающий по цепи под воздействием переменной Э.Д.С., также переменный. Для обозначения основных физических величин в теории электротехники используют определенные символы: – постоянный ток I,– переменный ток – i(t),– постоянную Э.Д.С. – Е, – переменную Э.Д.С. – е(t),– напряжение постоянного тока – U,– напряжение переменного тока – u(t),– сопротивление – R, – проводимость – G,– индуктивность – L,– емкость – С. В международной системе единиц (СИ) ток измеряют в «Амперах» (А), Э.Д.С. и напряжение – в «Вольтах» (В). К единицам измерения параметров электрических цепей относятся: – Ом (Ом) – единица сопротивления; – Сименс (См) – единица проводимости; – Генри (Гн) – единица индуктивности; – Фарада (Ф) – единица емкости. При анализе электрических цепей, как правило, оценивают значение токов, напряжений и мощностей. В этом случае нет необходимости учитывать конкретное устройство различных нагрузок. Важно знать лишь их сопротивление – R, индуктивность – L или емкость – С. Такие элементы цепи называют приемниками электрической энергии. Для включения и отключения элементов электрических цепей применяют коммутационную аппаратуру – рубильники, выключатели, тумблеры. Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включаться электрические приборы для измерения тока, напряжения, мощности и других параметров. Изображение электрической цепи с помощью условных графических обозначений называют электрической схемой. Зависимость тока, протекающего по приемнику электрической энергии, от напряжения на этом приемнике принято называть вольтамперной характеристикой (ВАХ). Приемники электрической энергии, вольтамперные характеристики которых являются прямыми линиями, называются линейными. Электрические цепи, в состав которых включены только линейные элементы, называются линейными электрическими цепями. Электрические цепи, в состав которых входит хотя бы один нелинейный элемент, называются нелинейными электрическими цепями.
2. ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕПЕЙ 1. Резистивный элемент (резистор) - пассивный элемент, характеризующийся резистивным сопротивлением. В простейшем случае проводника длиной 
и сечением S его 
сопротивление определяется выражением R=pl/S (Ом). В общем случае определение сопротивления связано с расчетом поля в проводящей среде, разделяющей два электрода. Основная характеристика: зависимость u(i), называемая вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Если зависимость u(i) представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, то резистор называется линейным и описывается соотношением u=Ri, i=gu, где g=1/R – проводимость. R=const. Нелинейный резистивный элемент, ВАХ которого нелинейна, характеризуется несколькими параметрами. В частности безынерционному резистору ставятся в соответствие статическое R=U/I и дифференциальное R=du/di сопротивления. 2. Индуктивный элемент (катушка индуктивности) – пассивный элемент, характеризующийся индуктивностью. Для расчета индуктивности катушки необходимо рассчитать созданное ею магнитное поле. Индуктивность определяется отношением потокосцепления к току, протекающему по виткам катушки, L=ψ/I (Гн). В свою очередь потокосцепление равно сумме произведений потока, пронизывающего витки, на число этих витков ψ=ΣWФ. Основной характеристикой катушки индуктивности является зависимость ψ(i), называемая вебер-амперной характеристикой. Для линейных катушек индуктивности зависимость ψ(i) представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, при этом L=m*tgα=const. Нелинейные свойства катушки индуктивности определяет наличие у нее сердечника из ферромагнитного материала, для которого зависимость магнитной индукции от напряженности поля нелинейна. Без учета явления магнитного гистерезиса нелинейная катушка характеризуется статической L=ψ/I и дифференциальной L=dψ/di индуктивностями. 3. Емкостный элемент (конденсатор) – это пассивный элемент, характеризующийся емкостью. Для расчета последней необходимо рассчитать электрическое поле в конденсаторе. Емкость определяется отношением заряда q на обкладках конденсатора к напряжению u между ними C=q/u (Ф) и зависит от геометрии обкладок и свойств диэлектрика, находящегося между ними.
