ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ЭЛЕМЕНТЫ, ПАРАМЕТРЫ И ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

[МаэстроZ]

1.1 Электрическая цепь и ее элементы
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 понятий: ток, напряжение (разность потенциалов), заряд, магнитный поток, электродвижущая сила (ЭДС), сопротивление, индуктивность, взаимная индуктивность и емкость.
Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определенные функции и называемых элементами цепи. В общем случае электрическая цепь состоит из источников и приемников электрической энергии, а так же устройств, для передачи электрической энергии от источников к приемникам.
Источниками электрической энергии называются электротехнические устройства, в которых другие виды энергий (тепловая, механическая, химическая, световая), преобразуются в электрическую энергию.
К источникам электрической энергии относятся: электромеханические и электронные генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы, термодатчики, фотоэлементы и др. К источникам можно отнести вторичные обмотки трансформаторов и приемные антенны, в которых в отличие от перечисленных выше устройств не происходит изменения вида энергии.
Приемниками электрической энергии называются электротехнические устройства, в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды энергий (механическую, тепловую, световую, химическую), а также в информацию.
К ним относятся: электрические двигатели, нагревательные приборы, электрические лампы, электронно-лучевые трубки, динамические громкоговорители и др. К приемникам относятся и передающие антенны, излучающие электромагнитную энергию в пространство.
Кроме основных элементов (источников и приемников), цепь содержит различные вспомогательные элементы которые: связывают источники с приемниками, (соединительные провода, линии передач); подавляют или усиливают определенные составляющие сигналов (фильтры, усилители); изменяют уровни напряжений и токов (трансформаторы); преобразуют постоянные токи в переменные и переменные в постоянные (инверторы и выпрямители); улучшают или изменяют характеристики и параметры участков цепи и ее элементов (корректирующие устройства, фазовые звенья).
По назначению различают цепи для передачи 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.).
В теории электрических цепей различают активные и пассивные элементы.
Активными элементами считаются источники электрической энергии: источники напряжения и источники тока. К пассивным элементам относятся сопротивления, индуктивности и емкости.

[МаэстроZ]

1.2 Параметры электрических цепей
Основными параметрами электрической цепи являются: электрический ток, электрическое напряжение, ЭДС, электрическая мощность.
Электрический ток проводимости есть упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. В дальнейшем, для краткости, можно использовать термины электрический ток или ток. Свободными носителями в металлах являются отрицательно заряженные частицы электроны, в жидкостях и газах как положительно, так и отрицательно заряженные ионы.
В любом проводнике упорядоченное перемещение носителей происходит в одном из двух возможных направлений, в соответствии с этим ток так же имеет одно и двух направлений.
За направление тока, независимо от природы носителей электрического заряда принимают направление, в котором перемещаются
(или могли бы перемещаться) положительные заряды. Таким образом, направление тока в наиболее распространенных проводниковых материалах металлах, противоположно фактическому направлению перемещения носителей заряда электронов. О направлении тока судят по его знаку, который зависит от того, совпадает или нет направление тока с направлением условно принятым за положительное. Условно-положительное направление тока при расчете электрических цепей может быть выбрано совершенно произвольно.
Если в результате расчетов, выполненных с учетом выбранного направления, ток получится со знаком плюс, значит его направление, т. е. направление перемещения положительных зарядов, совпадает с направлением, выбранным за положительное; если ток получается со знаком минус, значит его направление противоположно условно-положительному направлению. Количественно ток оценивают зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени.
[math]i=\frac{dq}{dt}
Ток численно равен скорости изменения электрического заряда через сечение проводника во времени. Значение тока i в произвольный момент времени называется мгновенным.
При расчетах электрических цепей все размерности физических величины должны быть представлены в Международной системе единиц (СИ).
В этой системе заряд q выражают в кулонах (Кл), время t в секундах (с),ток i в амперах (А).

[МаэстроZ]

1.3. Электрическое напряжение
Из курса физики известно, что на всякий заряд, помещенный в электрическое поле, действует сила, значение и направление которой определяются напряженностью электрического поля, а также зарядом и его знаком. Если носитель заряда является свободным, т. е. не закрепленным в какой-то фиксированной точке, то под действием приложенной силы он перемещается. Перемещение заряда происходит за счет энергии электрического поля. При перемещении единичного положительного заряда между двумя любыми точками А и Б электрического поля силами его совершается работа, равная разности потенциалов этих точек.
Потенциал [math]\varphi_A произвольной точки А электрического поля определяется как работа, которая совершается силами электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность. Разность потенциалов точек А и Б называется напряжением между этими точками:
[math]u_{AB}=\varphi_A - \varphi_B
В системе СИ единицей измерения напряжения и потенциала является Вольт (В). Напряжение представляет собой скалярную величину, которой приписывается определенное направление. Принято, что в электрических цепях, напряжение всегда направлено от точки цепи с большим потенциалом к точке цепи с меньшим потенциалом.
На участках цепи, в которых нет источников электрической энергии, положительные заряды под действием электрического поля перемещаются в том же направлении, следовательно на пассивных элементах и участках цепи, направление напряжения и тока совпадают. Внутри источников электрической энергии носители электрического заряда перемещаются за счет энергии сторонних сил, т. е. сил, которые обусловлены не электромагнитными при макроскопическом рассмотрении процессами, такими как: химические реакции; тепловые процессы; воздействие механических сил. Носители заряда через источники перемещаются в направлении, противоположном направлению действия сил электрического поля, в частности носители положительного заряда от зажима источника с более низким потенциалом к зажиму с более высоким потенциалом.
Таким образом, направление тока через источник противоположно направлению напряжения. При расчетах электрических цепей направление напряжения сравнивается с направлением, условно выбранным за положительное. Если в результате расчетов напряжение на рассматриваемом участке цепи получается со знаком плюс, значит, направление напряжения совпадает с направлением, условно принятым за положительное, если напряжение получится со знаком минус - его направление противоположно условно-положительному направлению.

[МаэстроZ]

1.4. Электродвижущая сила, мощность и энегрия
Электродвижущая сила
При перемещении сторонними силами носителя электрического заряда внутри источника энергия процессов, вызывающая эти силы, преобразуется в электрическую энергию. Источники электрической энергии характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), которая может быть определена как работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда внутри источника от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом. Не зависимо от природы сторонних сил, ЭДС источника Е численно равна напряжению между разомкнутыми зажимами источника.
ЭДС скалярная величина, направление которой совпадает с направлением перемещения положительных зарядов внутри источника.
Мощность и энергия.
Пусть разность потенциалов точек А и Б электрической цепи рана u. При перемещении элементарного электрического заряда dq через участок электрической цепи, лежащей между этими точками, силы электрического поля совершают элементарную работу, которая равна
[math]dw=u\cdot dq=u\cdot i\cdot dt
Элементарная работа характеризует изменение энергии электрического поля и количественно равна энергии, поступившей в рассматриваемый участок электрической цепи за промежуток времени dt. Эту энергию ко времени t = t1 определяют интегрированием
[math]w=\int_{-\infty}^{t_1} u\cdot i\cdot dt
Нижний предел [math]t=-\infty выбирают для того, чтобы учесть все поступления энергии в цепь. Производная энергии по времени, т. е. скорость поступления энергии в текущий момент времени t, представляет собой мгновенную мощность участка цепи
[math]p=\frac{dw}{dt}=ui.
Мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений напряжения и тока. Если в данный момент времени направления напряжения и тока совпадают, то мгновенная мощность исследуемого участка положительна. Это означает, что в данный момент времени получает электрическую энергию от остальной части цепи. Если направления напряжения и тока не совпадают, значение мгновенной мощности отрицательно, в данный момент времени участок отдает энергию остальной части цепи.
Используя формулы [math]w=\int_{-\infty}^{t_1} u\cdot i\cdot dt и [math]p=\frac{dw}{dt}=ui., выразим энергию через мгновенную мощность
[math]w=\int_{-\infty}^{t_1} p\cdot dt
В системе СИ работу и энергию выражают в джоулях (Дж), а мощность в ваттах (Вт). Токи, напряжения и ЭДС в электрических цепях могут быть постоянными (неизменными во времени) или переменными. В ТОЭ принято параметры электрических цепей неизменных во времени обозначать прописными (заглавными) буквами, а параметры переменные во времени малыми (строчными) буквами.
Пример таких обозначений приведен в таблице 1.1.

таблица 1.1.png (60.25 КБ) 986 просмотров