Теоретическое введение. 2.1.1 Электрические цепи и их элементы

2.1.1 Электрические цепи и их элементы

Электрическая цепь постоянного тока, в общем случае содержит источники электрической энергии, приемники, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные провода. В источниках электрической энергии осуществляется преобразование различных видов энергии (механической – в генераторах электростанций, тепловой – в термопреобразователях и термопарах, химической – в гальванических элементах и аккумуляторах) в электрическую энергию. В приемниках электрическая энергия, наоборот, преобразуется в другие виды энергии (механическую – в электродвигателях, тепловую – в электрических печах, химическую – в электролизных ваннах). Коммутационная аппаратура, соединительные провода и измерительные приборы служат для передачи электрической энергии от источников, распределения ее между приемниками и контроля режима работы электрической цепи. Графическое изображение электрической цепи называется электрической схемой. Существует несколько видов электрических схем. Если каждое электротехническое устройство изображается с помощью соответствующего ему условного обозначения (по правилам ГОСТ), то такое графическое изображение электрической цепи называется принципиальной электрической схемой. Принципиальная схема показывает назначение электротехнических устройств, но неудобна для расчета режима работы цепи. Для упрощенного анализа электрических цепей зачастую реальную цепь представляют математической моделью – набором идеальных элементов (идеальное сопротивление, индуктивность, емкость, источники ЭДС и тока). Графическое изображение цепи с помощью идеальных элементов, параметры которых соответствуют параметрам реальных элементов, называют схемой замещения. На рисунке 2.1 показаны два варианта изображения одной и той же электрической схемы: принципиальная схема (а) и схема замещения (б). На схеме замещения аккумулятор представлен в виде двух идеальных элементов – источника ЭДС и внутреннего сопротивления, а лампа накаливания, вольтметр и амперметр – соответствующими сопротивлениями, равными сопротивлениям реальных элементов.

Рисунок 2.1 - Варианты изображения электрической схемы

При рассмотрении электрических цепей используются следующие основные понятия. Участок цепи, вдоль которого ток имеет одно и тоже значения, называют ветвью, а место соединения трех и более ветвей - узлом. Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким участкам электрической цепи, называют контуром электрической цепи.

Соединение, при котором все ветви электрической цепи присоединены к одной паре узлов, называют параллельным соединением. При параллельном соединении суммируются токи ветвей, и обеспечивается одинаковое напряжение на всех ветвях. Соединение, при котором по всем участкам электрической цепи проходит один и тот же ток, называют последовательным. При последовательном соединении нескольких источников ЭДС их напряжения, также суммируются. Электрическую цепь с параллельным и последовательным соединением называют разветвленной цепью.

При расчете электрической цепи направления токов в ее элементах в общем случае заранее неизвестны. Поэтому необходимо предварительно выбрать условно положительные направления токов во всех элементах электрической цепи. Положительное направление тока в элементе цепи или ветви выбирается произвольно и показывается на схеме стрелкой. Если при выбранных положительных направлениях токов в результате расчета цепи ток в элементе получился положительным, то действительное направление тока в данном элементе совпадает с выбранным условно положительным направлением. Если же при расчете ток в элементе получился отрицательным, значит действительное направление тока противоположно выбранному условно положительному направлению. Условно положительное направление напряжения на элементе схемы также может быть выбрано произвольно, но для участков цепи не содержащих источников энергии рекомендуется выбирать его совпадающим с условно положительным направлением тока.

2.1.2 Основные элементы схем замещения электрических цепей постоянного тока

В схемах замещения на постоянном токе используют следующие основные элементы, показанные на рисунке 2.2, сопротивление (1), идеальный источник ЭДС (2), идеальный источник тока (3).

Рисунок 2.2 - Основные элементы схем замещения на постоянном токе

Идеальное сопротивление - с опротивление характеризует свойство проводника поглощать энергию из электрической цепи и преобразовывать ее в другие виды энергии (в основном в тепловую). Единица измерения сопротивления – ом (Ом). Для участка цепи с сопротивлением r ток и напряжение связаны простым соотношением – законом Ома:

.

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью:

.

Единица измерения проводимости – сименс (См).

Электротехническое устройство, обладающее сопротивлением, называют резистором. Регулируемый резистор (резистор с изменяемым сопротивлением) называется реостатом.

При параллельном соединении n ветвей с сопротивлениями Ri эквивалентное сопротивление этой цепи находится по формуле:

.

Для распространенного случая параллельного соединения двух сопротивлений:

.

Эквивалентное сопротивление последовательно включенных элементов цепи равно сумме сопротивлений отдельных элементов.