Цепи постоянного тока
Цепи постоянного тока
СОДЕРЖАНИЕ
1 Электрическая цепь и её элементы
2 Схема замещения электрической цепи
3 Параметры и характеристики элементов электрической цепи
4 Классификация электрической цепи
5 Топологические понятия в теории цепи
6 Основные величины, характеризующие процессы в электрических цепях
7 Энергия и мощность в электрической цепи. Баланс мощности
8 Мощность потерь и КПД электрической цепи
9 Режимы работы электрической цепи
10 Основные законы электрических цепей
11 Эквивалентные преобразования пассивных участков электрической цепи
12 Расчёт электрической цепи с одним источником ЭДС
13 Анализ сложных электрических цепей с несколькими источниками ЭДС
14 Распределение потенциала в электрической цепи. Потенциальная диаграмма
15 Основные свойства и области применения мостовых цепей, потенциометров и делителей напряжений
Список использованных источников
1 Электрическая цепь и её элементы
Электрической цепью называют совокупность у средств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе (ЭДС), токе, напряжении и сопротивлении.
Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и выполняющее в ней определённую функцию, называется элементом электрической цепи. К основным элементам относятся источники электрической энергии и приёмники этой энергии. В источниках неэлектрические преобразуются в электрическую. К ним относятся гальванические батареи, акуммуляторы, солнечные батареи, термопары, электромагнитные генераторы.
В приёмниках происходит обратное преобразование электрической энергии в иные виды энергии. К приёмникам относятся электрические двигатели, гальванические ванны, нагревательные приборы и элементы, осветительные приборы и др.
Электрическая цепь содержит кроме того вспомогательные элементы, предназначенные для регулирования величины тока (реостаты), для регулирования напряжения (делители и потенциометры), для защиты цепи от перегрузок (предохранители), для коммутации (выключатели), для контроля режимов работы цепи (измерительные приборы) и др.
На схеме электрической цепи её элементы изображаются с помощью условных графических изображений (рис. 2.1.9)
2 Схема замещения электрической цепи
Электрические цепи принято изображать в виде различного рода схем. Чаще всего пользуются тремя видами схем: монтажными, принципиальными и замещения.
Монтажными цепями пользуются при изготовлении, монтаже и ремонте электрических устройств и цепей.
Принципиальными схемами пользуются при изучении принципа работы устройства, а также при монтаже и ремонте устройств и цепей.
Схемами замещения пользуются при расчёте режима работы электрической цепи. Схема замещения – графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения её основных элементов и способы их соединения. На этой схеме реальные элементы замещаются расчётными моделями (идеализированными элементами). При этом все вспомогательные элементы, не влияющие на результаты расчёта на схеме замещения, отсутствуют. На (рис. 1.1) приведена схема замещения разветвлённой электрической цепи с двумя источниками электрической энергии (источниками ЭДС) и пятью приёмниками (резисторами).
U3
1 I3 2
I1 I2 R3
R03 R02 U4 R4 U5 R5
Uab
a b I4 I5
E1 + U1 E2 + U2
_ _
3 3‘
Рис. 1.1
3 Параметры и характеристики элементов электрической цепи
При расчёте режима работы электрической цепи по схеме замещения каждый элемент цепи учитывается с его основными электрическими параметрами.
Источник электрической энергии задаётся величиной ЭДС E и внутренним сопротивлением R0.
Напряжение на зажимах реального источника ЭДС зависит от величины тока. Эта зависимость U(I) называется вольт – амперной характеристикой.
В цепях постоянного тока приёмник на схеме замещения обозначается резистором и учитывается величиной электрического сопротивления R. Зависимость величины тока через резистор от величины приложенного напряжения является его основной характеристикой.
Если параметры элемента цепи не зависят от величины тока (напряжения), то такой элемент линейную вольт – амперную характеристику и сам элемент называется линейным.
Если элемент имеет нелинейную характеристику, то его называют нелинейным.
4 Классификация электрической цепи
Электрические цепи классифицируют по различным признакам.
По виду тока цепи подразделяются на цепи постоянного и переменного (изменяющегося) тока.
При этом под постоянным током понимают не изменяющийся во времени ток (ни но величине, не по направлению). Все остальные токи – изменяющиеся во времени или переменные. На рис. 1.2 приведены графики для постоянного тока а), синусоидального тока б), линеобразного тока в).
I i i
t
t t
0
а) б) в)
Рис. 1.2
По характеру параметров элементов цепи разделяются на линейные и нелинейные.
Если все элементы цепи имеют линейные характеристики, то вся цепь относится к линейным цепям. Если хотя бы один элемент цепи является нелинейным, то и вся цепь относится к нелинейным цепям.
По наличию или отсутствию в цепи источника электрической энергии цепи делятся на активные (А) и пассивные (П).
По степени сложности – цепи бывают простые (неразветвлённые) и сложные (разветвлённые). Разветвлённые цепи в свою очередь делятся на разветвлённые – с одним источником электрической энергии и разветвлённые – с несколькими источниками.
5 Топологические понятия в теории цепей
В теории цепей применяются такие топологические понятия как ветвь, узел, контур, независимый контур и другие.
Ветвь электрической цепи – участок цепи, через все элементы которого протекает одинаковый ток. Ветвь может содержать только один пассивный или активный элемент, а также может быть образована последовательным соединением нескольких элементов. Ветви, присоединённые к одной паре узлов называют параллельными.
Узел электрической цепи – место соединения (гальванической связи) трёх и более ветвей. Различают понятия геометрического и потенциального узла. На рис. 1.1 имеется четыре геометрических и три потенциальных узла. Точки 3 и 3‘, имеющие одинаковые потенциалы, могут быть объединены в один потенциальный узел.
Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям без их повторного обхода.
Независимый контур – контур, в состав которого входит хотя бы одна ветвь, не принадлежащая другим контурам.
Число ветвей в цепи принято обозначать буквой “В”, либо “Nв”, число узлов – буквой “у”, либо “Nу”. При этом в числе независимых контуров К=В-(у-1) имеет Nк=Nв-(Nу-1). В электрической цепи (рис. 1.1) три узла у=3, пять ветвей (В=5) и три независимых контура (К=3). Между узлами 1 и 3 включены параллельно две ветви, как и между узлами 2 и 3‘. Между точками 3 и 3‘ расположен проводник, являющийся продолжением ветви R3.
6 Физические величины, характеризующие процессы в электрических цепях
В источниках электрической энергии в результате действия сил неэлектрической природы (химических, механических, тепловых и др.), называемых сторонними силами, создаётся электрическое поле, которое характеризуется напряжённостью.
Напряжённость электрического поля - векторная величина, определяющая силу, с которой электрическое поле действует на единичный заряд . Направление вектора совпадает с направлением силы , действующей на положительный заряд. В системе СИ Е измеряется в В/м.
Разделённые под действием сил стороннего поля заряды создают своё поле, которое при отключённой нагрузке уравновешивает стороннее поле.
Основной характеристикой источника электрической энергии является электродвижущая сила.
Электродвижущая сила характеризует способность стороннего поля (или индуцированного поля) вызывать электрический ток, т.е. совершать работу по перемещению свободных зарядов. ЭДС (Е) численно равна работе (А), совершаемой сторонними силами (полями) при переносе единицы заряда Q.
E=A/Q
В системе СИ ЭДС измеряется в вольтах (В).
Электрический ток – направленное движение заряженных свободных носителей электрического заряда.
В металлах – это электроны, а в электролитах и плазме – ионы.
При переменном токе , а при постоянном токе I=Q/t.
В системе СИ величина тока измеряется в амперах (А). [I]=[Q]/[t]=Кл/с=А.
Во внешней цепи (в нагрузке) за положительное направление тока принято направление от (+) к (-), а внутри источника – от (-) к (+).
