Вопрос 1. Электрическая цепь и ее элементы (20 мин. )

Учебный вопрос разбивается по времени на подвопросы.

В первом подвопросе рассматривается общая схем электрической цепи и ее основные элементы. Энергетические процессы, происходящие в электрических устройствах, как правило, очень сложны, они связаны с созданием электромагнитных полей или изменением величин, характеризующих эти поля. Для их описания требуется привлечение векторных электрических и магнитных величин, характеризующих электромагнитные поля: напряженности электрического E и магнитного H полей, магнитной индукции B, плотности электрического тока J и др. В следующих лекциях будут рассмотрены электромагнитные процессы ряда электротехнических устройств: электрических машин, аппаратов, приборов. Без такого рассмотрения нельзя понять принцип работы этих устройств.

Однако во многих случаях основные характеристики электротехнических устройств могут быть получены и описаны с помощью известных из курса физики понятий: тока, электродвижущей силы (ЭДС), напряжения.

При таком описании совокупность электротехнических устройств рассматривают как электрическую цепь, состоящую из источников и приемников электрической энергии, характеризуемых ЭДС Е, током I, напряжением U и электрическим сопротивлением постоянному току R (омическому).

Таким образом, источники и приемники (потребители электрической энергии), являющиеся основными элементами электрической цепи, соединяют проводами для обеспечения замкнутого пути для электрического тока. Для включения и выключения электротехнических устройств применяют коммутационную аппаратуру (выключатели, рубильники, тумблеры).

Кроме этих элементов, в электрическую цепь могут включатся электрические приборы для измерения тока, напряжения, мощности.

Следует понимать, что любая замкнутая электрическая цепь делится на две части:

1) внешнюю – называемую внешним участком цепи;

2) внутреннюю – называемую внутренним участком цепи.

В нашем случае источник электроэнергии (генератор постоянного тока с внутренним сопротивлением R₀) является внутренним участком электрической цепи, а потребители электроэнергии: R, аппарат защиты П_Р (предохранитель), амперметр, вольтметр, соединительные провода составляют внешний участок цепи (рис. 1., слайд 4).

R

П_Р

+  

-

I

В

E

V

А

R₀

Рис. 1. Схема электрической цепи

При анализе работы многих электротехнических устройств приходится иметь дело со сложными электрическими цепями, схемы замещения которых содержат как активные, так и пассивные элементы.

Что это значит? Все источники электрической энергии являются активными элементами, так как они характеризуются определенным значением ЭДС. Приемники (потребители) электрической энергии могут быть как активными так и пассивными.

Пассивными элементами, называются элементы, в которых не возникает ЭДС (в них не происходит преобразование энергии), и они характеризуются электрическим сопротивлением.

Во втором подвопросе рассматриваются определения и аналитические соотношения сопротивления, проводимости.

Из школьного курса физики хорошо известно, что для обеспечения протекания электрического тока по проводнику необходимо затрачивать какую-то энергию, так как свободные электроны проводника при своем направленном движении под действием электрического поля, возникающего от приложенного напряжения, сталкиваются между собой и с молекулами вещества из которого сделан проводник. Таким образом, проводник оказывает сопротивление электрическому току. И это называется электрическим сопротивлением.

Электрическое сопротивление определяется как (слайд № 5-7):

R = ρ (1)

где:

ρ – удельное сопротивление материала проводника (Ом * мм²)/м;

L – длина проводника (м);

S – поперечное сечение проводника (мм²).

Величина G, обратная R, есть электрическая проводимость, измеряющаяся в сименсах.

G = (2)

Так же следует учитывать тот факт, что величина электрического сопротивления проводников зависит от температуры. То есть, при увеличении температуры металлов, из которых сделаны проводники, происходит увеличение удельного сопротивления ρ и следовательно, увеличение электрического сопротивления R.

Поэтому аналитически зависимость сопротивления металлических проводников от температуры определяется следующей формулой:

R₂ = R₁[1 + α (t₂ - t₁)] (3)

где:

R₁ и R₂ – сопротивление при температурах t₁ и t₂(Ом);

α – температурный коэффициент сопротивления.

Для примера можно привести таблицу среднего значения α в диапазоне от (0 ÷ 100°С).

Материалы	Среднее значение α
Медь	0,004
Алюминий	0,004 ÷ 0,0043
Бронза	0,004
Латунь	0,002
Вольфрам	0,004 ÷ 0,005

Основными топологическими понятиями теории электрических цепей являются (третий подвопрос): ветвь, узел, контур, двухполюсник, четырехполюсник, схема.

Дадим определения этим топологическим понятиям (слайды 8,9).

Ветвь – участок электрической цепи, в которой в любой момент времени сила тока имеет одно и тоже значение.

Узел – место соединения трех и более ветвей.

Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

Двухполюсник – часть электрической цепи с двумя выделенными зажимами – полюсами (рис. 4).

Четырехполюсник – часть электрической цепи, имеющей две пары зажимов, которые могут быть входными (а и в) и выходными (с и д) (рис.2).

Электрическая схема – графическое изображение электрической цепи (рис. 3).

Рис. 2. Рис. 3.

В полном виде это выглядит так

Рис. 4.

Дата добавления: 2014-01-04