Понятие об электрическом токе. Основные определения

Электрическая цепь, ее элементы и их назначение.

Цепи постоянного тока.

Классификация цепей.

Электрическая цепь - это совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи и преобразования в другие виды электрической энергии. Она состоит из источника и приемника электрической энергии, связанных соединительными проводами. В источниках в электрическую энергию преобразуются другие виды энергии, например энергия падающей воды – в гидрогенераторах, химическая – в гальванических элементах. На промышленных предприятиях источником является подстанция предприятия.

В приемниках электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии, например в механическую – в двигателях, в тепловую – в нагревательном и сушильном оборудовании, в световую – в осветительной аппаратуре.

Кроме этих элементов цепь включает в себя коммутационную, измерительную и защитную аппаратуру. Эти устройства служат для управления и контроля за работой цепи, а также для защиты ее элементов от перегрузок.

В зависимости от рода тока, протекающего в цепях, они подразделяются на цепи постоянного и переменного токов, в зависимости от способа соединения элементов цепей – на неразветвленные и разветвленные, а в зависимости от числа источников энергии – на цепи с одним или несколькими источниками.

Элементы, входящие в цепь, подразделяются по виду вольт-амперных характеристик, которые выражают зависимость тока, протекающего по элементу, от напряжения на нем. Элементы цепей, вольт-амперные характеристики которых линейны, называются линейными, а элементы, вольт-амперные характеристики которых нелинейны, называются нелинейными. Электрическая цепь, составленная из линейных элементов, называется линейной. Электрическая цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент, называется нелинейной.

Электрическим током называется направленное движение электрических зарядов, которое происходит под действием сил электрического поля.

За положительное направление тока условно принято направление движения положительных зарядов. На схемах положительное направление тока указывается стрелкой “ “. Величина или сила тока определяется зарядом всех частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Ток, величина и направление которого остаются неизменными, называется постоянным, его величина обозначается символом I.

(1.1)

В системе СИ основной единицей силы тока является ампер (А) – заряд в 1 кулон (Кл), протекающий через поперечное сечение проводника в 1 секунду.

Ток, величина и направление которого не остаются неизменными, называется переменным. Значение переменного тока в данный момент времени называется мгновенным. Для обозначения мгновенного значения используется буква i.

(1.2)

По форме переменные токи могут быть весьма разнообразными, но наибольшее значение и распространение имеют токи периодические. Периодическим током называется ток, мгновенное значение которого повторяется через равные промежутки времени. Полный круг изменения периодического тока называется циклом. Время одного цикла называется периодом, обозначается буквой Т. Число периодов в секунду называется частотой периодического тока. Обозначается частота буквой f.

(1.3)

В системе СИ частота измеряется в герцах (Гц).

Периодические токи, которые изменяются по гармоническому закону, называются синусоидальными. Наибольшее значение синусоидального тока называется амплитудой и обозначается символом I_m.

Токи постоянные и переменные возникают в цепях под действием электродвижущих сил (ЭДС), возбуждаемых в источниках в процессе преобразования в них какого-либо вида энергии в электрическую. Постоянные ЭДС обозначают буквой Е, а переменные – е. За положительное направление ЭДС принято направление действия сторонних сил, под действием которых заряды внутри источника переносятся от отрицательного полюса к положительному. На схемах для обозначения направления ЭДС используют стрелку “ “, которая указывает направление увеличения потенциала. Такая же стрелка, используемая для обозначения положительных направлений напряжений, указывает направление уменьшения потенциала.

1.3. Параметры элементовэлектрической цепи.

Любой элемент электрической цепи обладает свойствами поглощать электрическую энергию и преобразовывать ее в другой вид, создавать свои магнитное и электрическое поля и накапливать в них энергию. Для характеристики этих свойств служат понятия параметров элемента.

Параметр сопротивления R характеризует свойство элемента необратимо преобразовывать электрическую энергию в другие виды. Этот параметр является коэффициентом пропорциональности между мощностью преобразования электроэнергии Р и квадратом протекающего через элемент тока, т.е

(1.4)

Параметр индуктивности L характеризует свойство элемента создавать свое собственное магнитное поле и накапливать в нем энергию при протекании через элемент тока. Этот параметр является коэффициентом пропорциональности между энергией W, накопленной в магнитном поле и квадратом тока, т.е.

(1.5)

Параметр емкости С характеризует свойство элемента создавать свое собственное электрическое поле и накапливать в нем энергию при протекании через элемент тока. Этот параметр является коэффициентом пропорциональности между энергией W, накопленной в электрическом поле и квадратом напряжения U, т.е.

(1.6)

В общем случае любой реальный элемент цепи обладает всеми тремя параметрами R, L и С. Однако встречаются устройства, работу которых приближенно можно характеризовать только одним параметром, например лампы накаливания можно характеризовать только сопротивлением.

Элементы цепи, обладающие только одним параметром, называются идеальными.

Источники электроэнергии характеризуются двумя параметрами: электродвижущей силой и внутренним сопротивлением.

Параметр ЭДС – Е характеризует способность источника создавать и поддерживать разность потенциалов на отдельных элементах цепи.

Прохождение тока по источнику сопровождается нагревом источника и потерей некоторой части энергии. Поэтому параметр внутреннего сопротивления r характеризует потери энергии внутри источника. В тех случаях, когда эти потери малы, внутреннее сопротивление не учитывают, а источник будет обладать только параметром Е и будет называться идеальным. На схемах идеальные элементы обозначаются следующими символами:

Рис. 1.1. Обозначение идеальных элементов: а – резистивного; б - внутреннего сопротивления источника; в – индуктивного; г – емкостного; д - источника ЭДС постоянного тока; е – источника ЭДС переменного тока

Элементы электрической цепи, работу которых можно охарактеризовать параметрами R, L и С, называются пассивными.

Элементы цепи, при работе которых в них самих возникает ЭДС, называются активными. К активным элементам относятся все источники электрической энергии, трансформаторы, двигатели, аккумуляторы. Для обозначения на схемах источников и приемников электрической энергии используют символы, представленные на рис. 1.2 и 1.3.

Рис. 1.2. Схемные обозначения источников электрической энергии:

а – аккумулятора; б – генератора постоянного тока; в – генератора однофазного переменного тока; г – трехфазного генератора

Рис. 1.3. Схемные обозначения приемников электрической энергии:

а – аккумулятора при зарядке; б – двигателя постоянного тока;

в – лампы накаливания; г – электрической печи нагрева;

д – трехфазного двигателя

1.4. Схема замещения электрической цепи.

При изучении процессов, протекающих в цепях, их изображают графически при помощи схем соединения элементов. Однако, изучение свойств цепи с учетом всех параметров сложно, т.к. процессы, описываемые этими параметрами, протекают одновременно и не разделимы. Поэтому реальную цепь представляют в виде набора идеальных элементов.

Графическое изображение цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов, называется схемой замещения.

На схемах замещения не указывают элементы, которые не влияют на работу цепи в установившемся режиме (измерительные приборы, выключатели, предохранители и т.д.), а параметры соединительных проводов считаются нулевыми.

Рассмотрим цепь, представленную на рис. 1.4.

На схеме рис. 1.4а генератор однофазного переменного тока, защищенный от перегрузок двумя предохранителями Пр, автоматическим выключателем АП подключается к линии передачи, снабжающей электроэнергией два приемника П1 и П2, составленных из ламп накаливания. Работа генератора периодически контролируется вольтметром V, который подключается выключателем В. На схеме замещения рис. 1.4б генератор изображен в виде источника ЭДС Е и включенного последовательно элемента r, который учитывает потери энергии в генераторе.

Рис. 1.4. Электрическая цепь (а) и ее схема замещения (б)

Потери энергии в линии передачи учитываются идеальным элементом R_Л. Так как в лампах накаливания происходит только необратимое преобразование электроэнергии в тепло и свет, на схеме замещения они представлены эквивалентными идеальными элементами R1 и R₂. В установившемся режиме вольтметр, выключатели и предохранители на работу цепи не влияют, поэтому в схему замещения они не включены. В соответствии с положительным направлением ЭДС на схеме замещения указаны положительные направления токов во всех элементах и напряжения на зажимах аb источника энергии. Источник энергии с параметрами Е, r образует внутреннюю часть цепи, а приемники вместе с соединительными проводами – внешнюю. Зажимы ab, к которым подключается внешняя часть цепи, называются выходными зажимами источника. Зажимы cd, при помощи которых внешняя цепь подсоединяется к проводам, идущим от источника, называются входными зажимами внешней цепи. На схеме замещения можно выделить: ветви – участки цепи, в любом сечении которых течет один ток (во внешней цепи схемы замещения это участки R_Л, R₁ и R₂); узлы – точки соединения не менее трех ветвей; контуры – любые замкнутые пути для электрического тока. Контуры, имеющие хотя бы один элемент, не принадлежащий другим контурам, называются независимыми. Элементы цепей, по которым протекает один и тот же ток называются последовательным и, а подключенные к одной паре узлов – параллельными.

Дата добавления: 2015-05-06