Область применения устройств постоянного тока.

Как известно, электрическая энергия является основным видом энер­гии, с помощью которой осуществляется механическая работа, на­грев, освещение, химическое преобразование одних веществ в другие.

Постоянный ток широко используется на транспорте (электропо­езда, трамваи, троллейбусы, рудничный транспорт), так как электро­двигатели постоянного тока обладают хорошими возможностями для плавного регулирования частоты вращения ротора в широком диа­пазоне, что необходимо для транспортных средств, особенно для го­родского транспорта.

Постоянный ток используется также для освещения в шахтах , летательных аппаратах и в некото­рых других случаях. Источники постоянного напряжения широко применяются для питания устройств автоматики, промышленной электроники и вычислительной техники.

Электрическая цепь и ее элементы

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.

Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения.

Электрическая схема простейшей электрической цепи, обеспечивающей работу осветительной аппаратуры, рис. 1.1.

В электрической схеме на рис. 1.1 электрическая энергия от источника ЭДС E, обладающего внутренним сопротивлением r 0 , с помощью вспомогательных элементов цепи передаются через регулировочный реостат R к потребителям (нагрузке): электрическим лампочкам EL1 и EL2.

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:

1) Источники электрической энергии (питания).

Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

2) Потребители электрической энергии.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.

3) Вспомогательные элементы цепи:

соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

Совокупность электротехнических устройств рас­сматривают как электрическую цепь, состоящую из источников и приемников электрической энергии, характеризуемых э. д. с., током I , напряжением U и электрическим со­противлением постоянному току R (для элект­ротехнических устройств постоянного тока). Источники и приемники электрической энергии, являющиеся основными элементами электриче­ской цепи, соединяют проводами для обеспече­ния замкнутого пути для электрического тока. Для включения и отключения электротехнических устройств применяют коммутационную ап­паратуру (выключатели, рубильники, тумбле­ры ). Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включать­ся электрические приборы для измерения тока, напряжения, мощ­ности.

1.3. Схемы замещения электрических цепей

Наиболее абстрактное представление об электрической цепи дают схемы замещения. Они предназначены для исследования электромагнитных процессов и являются расчётной моделью соответствующего устройства.

Реальные элементы электрической цепи заменяют в схеме замещения расчётными моделями, в которых учитывают только существенные параметры и свойства. Так химический источник (аккумулятор) заменяют идеальным источником ЭДС E и включают последовательно с ним резистор r, соответствующий потерям энергии внутри аккумулятора. Амперметр и вольтметр заменяют их входными сопротивлениями (RA и RV). Соединительные провода считаются идеальными проводниками без потерь, т.е. обладающими нулевым сопротивлением. Если входное сопротивление амперметра RA существенно меньше сопротивления лампы накаливания RL, а входное сопротивление вольтметра RV существенно больше, то их исключают из схемы замещения. Если параметры всех элементов схемы замещения известны, то, пользуясь законами электротехники, можно определить их состояние в любой момент времени.

В любой схеме электрической цепи можно выделить один или несколько участков, подключённых к остальной части двумя проводами. Такой участок электрической цепи называется двухполюсником . В простейшем случае двухполюсник состоит из одного элемента цепи, например, лампа накаливания, вольтметр и амперметр.

Если двухполюсник не содержит источников электрической энергии, то он называется пассивным , в противном случае двухполюсник относится к активным двухполюсникам.

При анализе процессов в электрических цепях используют некоторые топологические (геометрические) понятия. К ним относятся понятия узла, ветви и контура.

Узлом электрической цепи называют соединение трёх и более элементов.

Ветвью электрической цепи называют связную совокупность элементов, образующих путь для протекания тока между двумя узлами.

Из признака отсутствия узлов внутри ветви следует, что по всем её элементам протекает одинаковый ток.

Контуром называется замкнутый путь вдоль ветвей электрической цепи.

Узлы, ветви и контуры являются топологическими параметрами цепи и не изменяются при любых преобразованиях схемы, производимых без разрыва связей.

Лекции по ТОЭ/ №1 Электрическая цепь и ее элементы.

Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи и потребления электрической энергии. Пример простейшей электрической цепи показан на рис. 1.1. Кружок со стрелкой внутри и стоящей рядом буквой Е (рис. 1.1, а) обозначает так называемый источник ЭДС (его еще называют источником напряжения). Это идеализированный источник энергии, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение постоянно по величине, равно ЭДС реального источника и не зависит от протекающего по нему тока. Стрелка показывает направление возрастания потенциала внутри источника. Плюс находится у острия, минус – у хвоста стрелки. Ток во внешней цепи протекает по направлению стрелки ЭДС – от плюса источника к минусу. Внутреннее сопротивление реального источника R0 соединяется последовательно с ЭДС Е, и в совокупности они образуют схему замещения реального источника (на рис. 1.1, а обведена пунктиром).

Другое представление схемы генератора осуществляется в виде параллельного соединения источника тока и сопротивления R0 (рис. 1.1, б). Под источником тока понимают также идеализированный источник энергии, внутреннее сопротивление которого бесконечно велико, и который вырабатывает ток J, не зависящий от величины нагрузки R и равный частному от деления ЭДС реального источника на его внутреннее сопротивление J = E/R0. На схеме он изображается кружком с двойной стрелкой, рядом с которым ставится буква J (рис. 1.1, б).

В схеме рис. 1.1, а ЭДС равна сумме напряжений на нагрузке и внутреннем сопротивлении источника:

Последнее выражение представляет так называемую внешнюю характеристику генератора. Оно говорит о том, что напряжение на его зажимах меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении (рис. 1.2). Чем больше ток и внутреннее сопротивление генератора, тем меньше выдаваемое им напряжение. При холостом ходе генератора (при I = 0) напряжение, измеренное на его разомкнутых зажимах равно ЭДС: U = E.

На практике часто приходится сталкиваться с элементами схемы, показанными на рис. 1.3. Разница между ними заключается во взаимном направлении стрелок ЭДС и напряжения. В первом случае (рис. 1.3, а), когда эти стрелки направлены противоположно друг другу, напряжение определяется как разность потенциалов положительного и отрицательного зажимов источника и поэтому положительно. При одинаковых направлениях стрелок E и U (рис. 1.3, б) напряжение равно разности отрицательного и положительного потенциалов, а потому оно отрицательно: U = – E.

Пример 1.1. Напряжение холостого хода батареи равно 16,4 В. Чему равно ее внутреннее сопротивление, если при токе во внешней цепи, равном 8 А, напряжение на ее зажимах равно 15,2 В?

При решении задачи мы полагали, что измерение проводилось идеальным вольтметром, имеющим бесконечно большое сопротивление. При конечной величине сопротивления вольтметра в измерение вносится погрешность.

Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения. Как следует из формулы (1.2), только при RV →∞ показание вольтметра равно ЭДС: UV = E.

Нагрузкой в схеме на рис. 1.1 служит сопротивление R. Напряжение на его зажимах связано с током законом Ома

Где G – проводимость, величина, обратная сопротивлению R; единица измерения – cименс (См).

При G = const выражение (1.3) представляет собой уравнение прямой, проходящей через начало координат. Его график (рис. 1.6) называется вольтамперной характеристикой. Элементы электрической цепи, имеющие аналогичную (прямолинейную) вольтамперную характеристику, называются линейными. Электрическая цепь, состоящая только из линейных элементов, также называется линейной.

Полагая в уравнении G=1/R (1.3), получим U = IR. Последнее выражение справедливо, когда стрелки напряжения и тока у резистора направлены в одну сторону (рис. 1.7, а). При изменении на схеме направления любой из стрелок в правой части закона Ома следует ставить минус (рис. 1.7, б). Здесь при определении напряжения на элементе мы "идем по стрелке" напряжения против стрелки тока.

Рядом с буквой U можно ставить два индекса, обозначающие точки, между которыми определяется напряжение; например, Uab – напряжение между точками а и b. При этом направление стрелки напряжения на схеме определяется порядком следования индексов – от а к b (от первого индекса ко второму).

Желаем удачного изучения материала и успешной сдачи!

Понятие электрической цепи . Электрическая цепь – это совокупность генерирующих, приемных и вспомогательных устройств, соединенных между собой электрическими проводами. Все элементы электрических цепей можно разделить на три группы: приемники электроэнергии (пассивные элементы), источники электроэнергии (активные элементы) и элементы для передачи электроэнергии от источников к потребителю.

Схемы электрических цепей. В теории электрических цепей (ТЭЦ) оперируют не реальными электрическими цепями, а их схемами .

Электрическая схема – это графическое изображение электрической цепи идеализированными элементами, которые учитывают явления, происходящие в реальной цепи.

Электрические функциональные схемы раскрывают принцип действия устройства.

С помощью электромонтажных схем изображается структура монтажа (соединения) электрических элементов цепи.

Электрические принципиальные схемы раскрывают электрические связи всех отдельных элементов электрических цепей между собой.

Все схемы вычерчиваются по определенным стандартам - ГОСТам. ГОСТы являются основой технического языка, применяемого в масштабе всей страны.

Условные обозначения элементов электрической цепи на схеме стандартизованы. Примеры изображений некоторых элементов электрических цепей на схемах приведены в табл. 2.1.

Схемы замещения элементов электрических цепей. Кроме основных электрических схем существуют схемы замещения , по которым наиболее удобно составлять математические уравнения, описания электрических и энергетических процессов. Отличие схем замещения от принципиальных схем цепей состоит в том, что на принципиальной схеме отображаются реальные (физические) резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы, а в схемах замещения эти реальные элементы изображаются некоторыми схемами- комбинациями идеальных элементов. В схемы замещения реальных деталей входят все три идеальных элемента – резистор, катушка индуктивности и конденсатор, но

Таблица 2.1

Примеры изображений некоторых элементов электрических цепей на схемах

количественно значения их параметров существенно различны: у резистора основное значение имеет резистивная составляющая схемы замещения, а индуктивная и емкостная составляющая намного меньше, у катушки индуктивности основное значение имеет индуктивная составляющая и т.д.

Такие схемы являются эквивалентными моделями электрической цепи. Пример схемы замещения рассмотрим далее после рассмотрения идеальных элементов электрической цепи.

Основные параметры электрических цепей постоянного тока делятся на мгновенные, постоянные и переменные.

Мгновенными электрическими величинами называются величины, значения которых измерены для данного момента времени. Мгновенные величины принято обозначать малыми (строчными) буквами. Например,

q (t ) – мгновенное значение заряда,

i (t ) – мгновенное значение тока,

u (t ) – мгновенное значение напряжения,

p (t )=i (t )∙u (t ) – мгновенное значение мощности.

В ряде случаев буква “t ” может быть опущена.

Постоянными электрическими величинами называются величины, не изменяющиеся во времени. Постоянные величины принято обозначать большими (заглавными) буквами, например,

– I , А - сила тока - количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени,

– U, В - напряжение на некотором участке электрической цепи, равное разности потенциалов на концах этого участка,

– R , Ом - сопротивление,

– Р , Вт - мощность.

Переменными электрическими величинами называются величины, изменяющиеся во времени.

В ряде случаев применяются дольные и кратные единицы:

̶ милливольт, миллиампер, милливатт: 1 мВ = 10 -3 В, 1 мА = 10 -3 А, 1 мВт = 10 -3 Вт.

̶ микровольт, микроампер: 1 мкВ = 10 -6 В, 1 мкА = 10 -6 А.

̶ киловольт, килоампер, килоом, киловатт: 1 кВ = 10 3 В, 1 кА = 10 3 А,1 кОм = 10 3 Ом, 1 кВт = 10 3 Вт.

В качестве практической единицы измерения электроэнергии применяются ватт-час (вт·ч), киловатт-час (кВт·ч)

Все обозначения основных физических величин предусмотрены государственным стандартом. Единицы измерения даются международной системой единиц.

Источники электроэнергии. Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектрического происхождения. Такие устройства называются источниками энергии . Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников энергии, называются сторонними силами . Природа сторонних сил может быть различной: электрохимической (в аккумуляторах), электромеханической (в генераторах), световой (в фотодиодах) и др.

Сторонние силы, действующие внутри источников энергии, совершают работу по перемещению электрических зарядов по цепи постоянного тока. Способность источника совершать указанную работу оценивается электродвижущей силой источника (ЭДС).

Поскольку законы электрических цепей нам еще не известны, проведем качественный анализ источников энергии. Количественный анализ рассмотрим после изучения указанных законов.

В теории электрических цепей различают два вида идеализированных источников электроэнергии: идеальный источник ЭДС и идеальный источник тока.

У идеального источника ЭДС (рис. 2.1, а ) внутреннее сопротивление бесконечно мало. Вследствие этого напряжение на зажимах источника при изменении нагрузки не меняется, меняется ток. Стрелка источника показывает направление увеличения потенциала.

Примерами подобных источников могут служить аккумуляторы либо индуктивные генераторы напряжения.

а б в

Рис. 2.1. Условное графическое изображение (а), вольт-амперная характеристика (б) и зависимость напряжения от нагрузки идеального источника ЭДС

У идеального источника тока (рис. 2.2, а ) внутреннее сопротивление бесконечно велико. Поэтому при изменении нагрузки ток источника не меняется, меняется напряжение на его зажимах.

а б в

Рис. 2.2. Условное графическое изображение (а), вольт-амперная характеристика (б) и зависимость тока от нагрузки идеального источника тока

Теоретически идеальный источник тока создает заданный ток J даже в разомкнутой цепи, что возможно только в предположении бесконечно большого напряжения между его зажимами. Идеальный источник тока при J = 0 эквивалентен разомкнутой цепи. Примером подобного источника может служить емкостной генератор, основанный на возникновении тока при изменении электрического поля.

В зависимости от степени управляемости различают независимые (неуправляемые) и зависимые (управляемые) источники энергии.

Рассмотренные выше идеальные источники энергии являются независимыми .

Управляемый источник – четырехполюсный элемент, состоящий из двух ветвей и двух пар выводов: входной и выходной. Он обладает следующими свойствами:

1) выходная величина пропорциональна входной;

2) выходная величина не влияет на входную.

Входной и выходной величинами управляемого источника могут быть токи или напряжения. Поэтому различают четыре вида управляемых источников (рис. 2.3).

a b

c d

Рис. 2.3. Структурные схемы управляемых источников энергии

1. Источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), рис. 2.3, а . Входной ток этого элемента равен нулю: i = 0. Напряжение на выходе ИНУН пропорционально входному напряжению: Е = ku . Основным параметром является безразмерный коэффициент усиления напряжения k .

2. Источник тока, управляемый напряжением (ИТУН), рис. 2.3, b . Выходной ток этого источника пропорционален входному напряжению: J = ku . Входной ток ИТУН равен нулю. Коэффициент пропорциональности k , имеющий размерность проводимости, называют передаточной проводимостью или крутизной.

3. Источник напряжения, управляемый током (ИНУТ), рис. 2.3, c . Напряжение на выходе ИНУТ пропорционально входному току: E = si .

Управляющий параметр ИНУТ имеет размерность сопротивления.

4. Источник тока, управляемый током (ИТУТ), рис. 2.3, d . Поскольку входная ветвь представляет короткое замыкание, входное напряжение этого источника равно нулю: u = 0. Выходной ток ИТУТ пропорционален входному: J = si . Безразмерный коэффициент пропорциональности k называют коэффициентом усиления тока.

Отметим, что входные зажимы источников, управляемых током, условно замкнуты накоротко, а входные зажимы источников, управляемых напряжением, условно разомкнуты.

Управляемые источники являются необратимыми элементами, так как передача сигнала осуществляется только от входа к выходу. Для передачи сигнала от выхода к входу источника необходима внешняя цепь, которую называют цепью обратной связи.

Идеальных устройств в реальной жизни нет. Реальный (расчетный ) источник ЭДС обладает небольшим, но ненулевым внутренним сопротивлением R вн (рис. 2.4, а ).

а b

Рис. 2.4. Внешняя характеристика источника ЭДС

С увеличением тока нагрузки увеличивается и падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника, поэтому выходное напряжение источника будет уменьшаться, как показано на рис. 2.4, b .

При расчете электрических цепей идеальный источник тока также заменяют расчетным источником тока. Расчетный источник представляет источник тока с параллельно включенным внутренним резистором с сопротивлением R вн, (рисунок 2.5, а ). Сопротивление резистора источника тока имеет относительно большую величину и ток нагрузки с ее увеличением (т.е. с уменьшением величины сопротивления нагрузки) уменьшается, как показано на рис. 2.5, b .

Рис. 2.5. Внешняя характеристика источника тока

Анализ работы источников энергии в цепи рассмотрим после изучения основных законов электрических цепей.

Приемники (потребители ) энергии образуют внешнюю часть схемы. Приемником электрической энер-гии (потребителем) называют устройство, преобразующее электроэнергию в какой-либо другой вид энергии (электро-двигатель − в механическую, электронагреватель − в тепло- вую, источник света − в световую (лучистую) и т.п.).

Приемник электроэнергии создает нагрузку для источника. Поэтому сопротивление приемника называют сопротивлением нагрузки и обозначают индексом «н» (нагрузка).

Нагрузка – это ток, потребляемый приемником электроэнергии, или мощность, то есть величина, которая может быть выражена количественно.

Известно, что в практике научных исследований и прикладных расчетов широко применяемым способом представления объекта исследования или расчета является моделирование, т.е. замена реальных элементов их идеализированными моделями. В электротехнике различают три идеализированных приемных элемента: резистор, катушка индуктивности и конденсатор (рис. 2.6).

a b c

Рис. 2.6. Условные графические изображения идеализированных приемников электрической энергии: резистора (а ), катушки индуктивности (b ) и конденсатора (c )

При анализе электрических цепей используются математические описания (уравнения) этих моделей либо их вольтамперные характеристики – зависимости U = f (I ) или I = f (U ).

Резистивный элемент , или идеальный резистор (рис. 2.6, а ) – это пассивный элемент, основной характеристикой которого является сопротивление R или проводимость G = R – 1 . Он моделирует преобразование электрической энергии в тепловую.

В зависимости от поведения величины сопротивления при изменении режима работы цепи резисторы делят на линейные и нелинейные. Для линейных резисторов R = const и текущий через него мгновенный ток i (t ) и приложенное к нему мгновенное напряжение u (t ) пропорциональны друг другу

Вольтамперная характеристика линейного резистора представляется прямой линией, проходящей через начало координат (рис. 2.7).

a b

Рис. 2.7. Изображение резистора R как элемента цепи (а ) и его вольтамперная характеристика (b )

Единицей сопротивления является 1 Ом = 1 В /1 А , т.е. на резисторе в 1 Ом разность потенциалов в 1 В создает ток в 1 А .

Величина сопротивления линейных резисторов определяется геометрическими размерами тела и свойствами материала: удельным сопротивлением ρ (Ом ·м ) или обратной величиной – удельной проводимостью γ = ρ –1 (См /м ). В простейшем случае проводника длиной l и сечением S его сопротивление определяется выражением

(Ом ).

Величина сопротивления нелинейных резисторов является функцией режима работы цепи: R = f (I ) или R = f (U ). Вольт-амперная характеристика нелинейного резистора имеет вид некоторой кривой (рис. 2.8) Если характеристика расположена в первом и третьем квадрантах (кривая 1 на рис. 2.8, b ), то элемент является пассивным, поскольку мгновенная мощность p = ui положительна. Если какой-либо участок ВАХ находится во втором или четвертом квадрантах (кривая 2 на рис. 2.8, b ), то произведение напряжения и тока отрицательно, что соответствует генерированию мощности.

а b

Рис. 2.8. Условное графическое изображение (а ) и примеры вольт-амперных характеристик (b ) нелинейных резистивных элементов

Нелинейный резистивный элемент характеризуется несколькими параметрами.

При постоянном напряжении в цепи будет проте-кать токотношениеназывается статическим сопротивлением или сопротивлением данного элемента постоянному току, т.е.

где − ток, текущий в цепи при напряжениина зажимах нелинейного двухполюсника. Статическое сопротивление пропорционально тангенсу угла наклоналуча, проведенного из начала координат в данную точку вольт-амперной характеристики.

В отличие от обычного линейного резистора величина статического сопротивления нелинейного резистора непостоянна, а зависит от величины приложенного напряжения или протекающего по нему тока.

Дифференциальное сопротивление нелинейного двух-полюсника

Дифференциальное сопротивление пропорционально тангенсу угла наклона между касательной, проведен-ной к данной точке вольт-амперной характеристики и осью независимой переменной величины (рис. 2.9.b , c ) - ось напряжений. В общем случае дифференциальное сопротивление в каждой точке ВАХ имеет различные значения.

a b c

Рис. 2.9. Нелинейный резистор: a – условное графическое изображение; b , c – варианты вольтамперных характеристик

Статические и дифференциальные параметры связаны между собой следующим образом

.

Индуктивный элемент , или идеальная индуктивная

катушка моделирует преобразование электрической энергии в магнитную энергию, а также ЭДС самоиндукции.

Индуктивный элемент (рис. 2.10, a ) обозначается символом L , а величина его индуктивности измеряется в генри (Гн ).

a b

Рис.2.10. Условное графическое изображение (а ) и примеры вебер-амперных характеристик линейных и нелинейных индуктивных элементов (b )

Линейная, не зависящая от времени индуктивность (рис. 2.9, а ) определяется из линейного уравнения, связывающего протекающий по катушке мгновенный ток с создаваемым им магнитным потоком

ψ = Li , (2.1)

где потокосцепление ψ = w  Ф – обозначает (A – магнитный поток, w – число витков) суммарный магнитный поток в веберах (Вб).

Мгновенное напряжение на индуктивности определяется из выражения

u (t ) = dψ /dt . (2.2)

Подставляя (2.1) в (2.2) получим, учитывая, что L = const

а обратную зависимость можно представить в форме

где I 0 – константа интегрирования, числено равная начальному току, протекающему через катушку индуктивности.

При работе электрических цепей в режиме постоянного тока, когда ,, напряжение на любой катушке индуктивности

следовательно, катушка индуктивности представляет проводник с нулевым сопротивлением («закоротка»).

Мгновенная мощность , поступающая в индуктивность, равна

Основной характеристикой катушки индуктивности является вебер-амперная характеристика – зависимость ψ (i ). Для линейных катушек индуктивности зависимость ψ (i ) представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (см. рис. 2.10,б); при этом

Нелинейные свойства катушки индуктивности (см. кривую ψ (i ) на рис. 2.10, b ) определяет наличие у нее сердечника из ферромагнитного материала, для которого зависимость магнитной индукции от напряженности поля нелинейна. Без учета явления магнитного гистерезиса нелинейная катушка характеризуется статической и дифференциальнойиндуктивностями.

Емкостный элемент , или идеальный конденсатор (рис. 2.11, а ) учитывает энергию электрического поля конденсатора, а также токи смещения. Обладает емкостью С , измеряемой в фарадах (Ф ).

Большинство материалов, используемых для изоляции обкладок конденсаторов, имеют постоянное значение диэлектрической проницаемости , поэтому зависимость для них значение линейной, не зависящий от времени емкости описывается линейным уравнением

q = Cu . (2.3)

В этом случае зависимость q (u ) представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, (см. рис. 2.11, b ) и

a b

Рис.2.11. Условное графическое изображение (а ) и примеры вебер-амперных характеристик линейных и нелинейных и нелинейных емкостных элементов (b )

Ток, текущий через конденсатор, согласно равен

i (t ) = dq /dt . (2.4)

Подставляя (2.4) в (2.3) и учитывая, что С = const , получим

а обратную зависимость можно получить из выражения

где U o – константа интегрирования, числено равная начальному напряжению на конденсаторе.

При работе электрических цепей в режиме постоянного тока, когда ,, ток через любой конденсатор

следовательно, конденсатор представляет собой разрыв цепи.

У нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) диэлектрическая проницаемость является функцией напряженности поля, что обусловливает нелинейность зависимости q (u ) (рис. 2.11, b ).

В этом случае без учета явления электрического гистерезиса нелинейный конденсатор характеризуется статической

и дифференциальной емкостями.

Мгновенная мощность, поступающая в ёмкость, равна

Она связана с процессом накопления или убыли электрического заряда в ёмкости.

Электрические цепи, состоящие только из линейных элементов, называются линейными электрическими цепями. При использовании хотя бы одного нелинейного элемента электрическая цепь становится нелинейной.

Рассмотренные идеальные элементы дают возможность строить схемы замещения реальных элементов. Рассмотрим, например, схему замещения реальной индуктивной катушки, которую содержат большинство электротехнических устройств (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Схема замещения катушки индуктивности

Индуктивная составляющая (наведение ЭДС при изменении тока в катушке) отображается на схеме замещения катушкой индуктивности L . Индуктивная катушка под действием электрического тока нагревается, что учитывает резистивный элемент R , а емкостный элемент С учитывает энергию электрического поля между ее витками. Параметры элементов схемы замещения катушки определяются ее назначением (величина индуктивности), свойствами используемых материалов (величина сопротивления) и конструкцией (величина емкости).

Элементами передачи электроэнергии от источника питания к приемнику служат провода, а также устройства, обеспечивающие уровень и качество напряжения и др. К ним относят:

а) коммутационную аппаратуру для включения и отключения электриче­ского оборудования и устройств (переключатели, выключатели и др.);

б) контрольно-измерительные приборы (амперметры, вольтметры и др.);

в) аппаратуру защиты (плавкие предохранители, автоматы и др.).

Структурные элементы электрических цепей. Для упрощения понятий вводятся определения элементов электрических цепей. Основные из этих понятий приведены ниже.

Ветвь – часть электрической цепи, состоящая из одного или нескольких последовательно соединенных источников и приемников энергии, ток в которых один и тот же.

Можно сформулировать проще: ветвь – участок цепи с одним током.

Ветви могут быть активными , содержащими источники энергии, и пассивными , состоящими из одних приемников.

Узел – это точка цепи, где сходятся не менее трех ветвей (рис. 2.13).

Ветвь – участок цепи от одного узла до другого узла.

Рис. 2.13. Преставление узлов и ветвей в цепи

Контур – любой замкнутый по ветвям цепи путь. Цепь может быть одноконтурной (рис. 2.14) и многоконтурной (рис. 2.15).

Одноконтурные цепи являются простейшими. Их назы-вают простыми или неразветвленными. Многоконтурные цепи называют сложными или разветвленными. В ряде случаев преобразуют многоконтурную цепь в одноконтур-ную, что упрощает расчет.

Рис. 2.14. Схема Рис. 2.15. Схема многоконтурной

одноконтурной цепи цепи

Направления ЭДС, напряжений и токов в цепи . Для правильной записи уравнений электрических цепей необходимо задаться направлениями ЭДС, напряжений и токов в электрической цепи. С этой целью приняты следующие соглашения:

– внутри источника ЭДС положительным направлением ЭДС является направление от отрицательного полюса к положительному;

– во внешней по отношению к источнику части цепи направление тока совпадает с направлением ЭДС источника (т.е. от положительного полюса к отрицательному);

– положительное направление падения напряжения на элементах схемы совпадает с положительным направлением тока в этих элементах (противоположно положительному направлению ЭДС источника).

Действительные направления напряжений и токов могут отличаться от условно положительных, в этом случае они будут отличаться знаком.

Тема: Электромагнитные явления

Урок: Электрическая цепь и ее составные части

Вспомним, что на прошлом уроке мы оговаривали три условия наличия электрического тока:

1. наличие зарядов;

2. наличие источника тока (гальванического элемента и др.). Источник тока создает электрическое поле внутри проводника, что является причиной движения зарядов;

3. наличие электрической цепи. О последнем понятии мы будет говорить сегодня.

Электрическая цепь должна содержать источник тока (рис. 1-3), т. е. элемент, который создает в цепи электрическое поле и обеспечивает движение заряженных частиц, и потребитель тока, т. е. например, любой бытовой прибор (рис. 4): лампочку, фонарик, компьютер, телевизор, стиральную машину, холодильник и т. п. Источник тока и потребители всегда соединяются проводами (проводниками), т. е. такими элементами, которые способны проводить электрический ток и обладают большим количеством свободных заряженных частиц.

Рис. 1. Гальванический элемент ()

Рис. 2. Аккумулятор ()

Рис. 3. Электростанция ()

Таким образом, электрическая цепь имеет следующие основные составные элементы: источник тока, потребители тока, соединительные провода .

Конечно же, потребители тока сами по себе состоят из более мелких элементов, каждый из которых имеет свое название, функцию и особенности. Электрические цепи бывают сложными и простыми, мы начнем их изучение с простейших вариантов, например, с устройства карманного фонарика. В его составные части входят: источник питания, лампочка, соединительные провода и выключатель. В конце урока мы соберем электрическую цепь, аналогичную цепи внутри фонарика и обсудим ее принцип работы.

Для удобства электрические цепи принято изображать в виде схем, в которых приняты определенные обозначения различных элементов. Условные обозначения элементов электрических цепей известны и классифицированы определенным образом, их достаточно много, но мы познакомимся с основными из них.

Определение . Электрическая цепь , изображенная на рисунке, называется электрической схемой .

Указанные в таблице элементы являются составными частями простейших электрических цепей.

Рассмотрим простейшую электрическую цепь на примере устройства карманного фонарика. В нее входят источник питания, лампочка накаливания, соединительные провода и выключатель (ключ).

Собирать цепь удобно в следующей последовательности: сначала подключим лампочку к одному из полюсов источника тока (батарейки), затем второй контакт на лампочке подключаем к разомкнутому предварительно ключу (выключателю) и, чтобы замкнуть цепь, второй контакт ключа соединяем со свободным полюсом источника тока.

После сбора цепи видно, что лампочка не горит, т. к. она все еще разомкнута с помощью ключа, и электрический ток не идет (не выполнено условие замкнутости электрической цепи). Теперь замыкаем ключ, и лампочка загорается (рис. 5), т. к. цепь становится замкнутой и все условия существования электрического тока выполнены.

Рис. 5.

Изобразим схему собранной нами электрической цепи с использованием приведенных в таблице условных обозначений (рис. 6).

Рис. 6.

Конечно же, бессмысленно рассматривать с практической точки зрения те электрические цепи, в которых не выполняется работа электрического тока. О действии электрического тока и о выполнении им работы мы поговорим позже.

На следующем уроке нашей темой будет «Электрический ток в металлах».

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Дополнительные р екомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Академик ().
2. Интернет-портал Mukhin.ru ().
3. YouTube ().

Домашнее задание

1. Стр. 78: вопросы № 1-4, стр. 79: упражнение № 13. Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. В вашем распоряжении есть гальванический элемент, лампочка, два ключа и соединительные провода. Нарисуйте принципиальную схему электрической цепи, в которой лампочка загорается только тогда, когда включены оба ключа.
3. Железный гвоздь и отрезок медного провода воткнули в лимон. Потечет ли ток через провод, которым соединяют гвоздь и медный провод?
4. С потолка в месте крепления люстры свисают три провода, по которым после подключения люстры идет ток. Если люстру подключить правильно, два выключателя работают таким образом, что один из них включает и выключает одну лампу, а другой - остальные три. Нарисуйте схему соединения ламп в люстре, выключателей и источника тока.

Источником электрической энергии называют элемент электрической цепи, осуществляющий преобразование энергии неэлектрического вида в электрическую. Потребителем электрической энергии называют элемент электрической цепи, преобразующий электрическую энергию в неэлектрическую. Преобразователем электрической энергии называют устройство, изменяющее величину и форму электрической энергии.

Для того чтобы выполнить расчет, необходимо каждое электротехническое устройство представить его схемой замещения . Схема замещения электрической цепи состоит из совокупности идеализированных элементов(резистор, конденсатор, катушка индуктивности).

Напряжение:

Зависимость между током и напряжением на элементе цепи называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) элемента, которая обычно изображается графически.

В качестве потребителя в теории электрических цепей постоянного тока выступает резистор, характеризующийся сопротивлением (R), для которого справедлив закон Ома:

Идеализированный источник тока – это элемент цепи, ток которого не зависит от напряжения и является заданной постоянной величиной.

У реального источника тока с ростом напряжения вырабатываемый ток уменьшается. Любой реальный источник тока может быть приведен к идеализированному следующим образом:

Объединив эти две формулы, получаем:

Для противодействующего источника тока

Объединенная форма обобщенного закона Ома для ветвей, содержащих источник тока:

Где верхний знак соответствуют схеме, на которой U J и J сонаправлены.

1. 
   Структура электрической цепи.

Ветвью электрической цепи называют участок, элементы которого включены последовательно друг за другом и обтекаются одним и тем же током.

Узлом электрической цепи называют место соединения нескольких ветвей. Узел связывает не менее трех ветвей и является точкой разветвления.

Ветви считаются соединенными последовательно, если они обтекаются одним и тем же током. Ветви считаются соединенными параллельно, если они присоединены к одной и той же паре узлов.

Контуром электрической цепи называется совокупность следующих друг за другом ветвей. Узлы, в которых эти ветви соединяются, являются точками разветвления. При обходе замкнутого контура начальная и конечная точки совпадают.
Цепь, в которой отсутствуют разветвления, называют одноконтурной, при наличии разветвлений – многоконтурной. Многоконтурная цепь характеризуется числом независимых контуров. Совокупность независимых контуров определяется тем, что каждый из последующих контуров, начиная от элементарного, отличается по меньшей мере одной новой ветвью. Число независимых контуров может быть определено по формуле Эйлера:

При параллельном соединении роль эквивалентной проводимости (или проводимости эквивалентного потребителя) играет сумма проводимостей всех потребителей (рис. 1.12.).

9-10) Эквивалентное преобразование «Звезда – треугольник»

В узлах a , b , c и треугольник, и звезда на рис. 1.14. соединяются с остальной частью схемы. Преобразование треугольника в звезду должно быть таковым, чтобы при одинаковых значениях потенциалов одноименных точек треугольника и звезды притекающие к этим точкам токи были одинаковы, тогда вся внешняя схема «не заметит» произведенной замены.

Выразим U ab треугольника через параметры потребителей и притекающие к этим узлам токи. Запишем уравнения Кирхгофа для контура и узлов a и b.

Заменим в первом уравнении токи I 3 и I 2 на соответствующие выражения:

Теперь получим выражение для этого же напряжения при соединении потребителей звездой:

Таким образом , сопротивление луча звезды равно произведению сопротивлений прилегающих сторон треугольника, деленному на сумму сопротивлений трех сторон треугольника.

Формулы обратного преобразования можно вывести независимо, либо как следствие соотношений через проводимости:

Или через сопротивления:

11) Баланс мощности.

Согласно закону Джоуля-Ленца, вся электрическая энергия, сообщаемая проводнику в результате работы сил электрического поля, превращается в тепловую энергию:

По обобщенному закону Ома.

Отсюда следует закон сохранения энергии, согласно которому алгебраическая сумма мощностей, подводимых ко всем ветвям разветвленной электрической цепи, равна нулю:

Существует еще одна форма записи баланса мощности:

В левой части суммируются мощности источников энергии, а в правой – мощности, преобразованные в потребителях в тепло. Мощности , отдающих энергию, берутся со знаком «+», а работающих в режиме потребителей – со знаком «–».

12) Расчет неразветвленных электрических цепей

Основой расчета одноконтурных (неразветвленных) электрических цепей, содержащих источники обоих видов и потребители, служат рассмотренные ранее законы Ома и Кирхгофа.

Если в цепи нет источников тока, а параметры потребителей ( R) и источников напряжения (Е ) заданы, то задача обычно состоит в определении тока контура. Положительное направление искомого тока выбирается произвольно и составляется уравнение:

Если в цепи, кроме потребителе ( R ) и источников ЭДС (E ), имеется источник тока (J ), то задача обычно сводится к определению напряжения на источнике тока U J , т.к. ток контура I совпадает с заданным током источника J. Положительная полярность U J выбирается произвольно, но предпочтительно у острия стрелки ставить знак «+» (такой полярности соответствует формула: ). Истинная полярность U J совпадает с выбранной, если при расчете U J выражается положительным числом, и противоположна выбранной, если U J . Искомое падение напряжения на источнике тока U J при отсутствии источников ЭДС определяется по формуле .

13) Метод пропорциональных величин.

В ветви наиболее удаленной от источника (R 6) задаются некоторым значением тока или напряжения. Для удобства расчетов обычно это 1А или 1В. Затем перемещаясь к началу цепи определяют поочередно токи и напряжения всех ветвей вплоть до ветви , содержащей источник. Тем самым определяют какие напряжение U вх и ток I в х . должен иметь источник для того, чтобы вызвать во всех ветвях токи и напряжения вычисленных значений. Если ЭДС (Е ) или задающий ток (J ) с этими значениями не совпадают, то необходимо пропорционально изменить вычисленные значения токов и напряжений ветвей путем умножениях их на отношение или .

I 3 можно определить по I закону Кирхгофа:

U 24 определяем по II закону Кирхгофа:

14) Метод эквивалентных преобразований. Формула токов в параллельных ветвях.

Разветвленную цепь с одним источником обычно упрощают, преобразуя в неразветвленную.

Дальнейший расчет: .

Ток I 3 определяется по закону Кирхгофа:

При расчетах удобно пользоваться формулой о токах в двух параллельных пассивных ветвях . Выведем ее на примере схемы. Напряжение по закону Ома определяется по формуле

15) Метод уравнений Кирхгофа.

1. 
   Обозначить токи ветвей и произвольно выбрать их положительное направление.
2. 
   Произвольно выбрать опорный узел и совокупность p = m – n + 1 независимых контуров.
3. 
   Для всех узлов, кроме опорного, составить уравнения по I закону Кирхгофа. Таких уравнений должно быть (n – 1).
4. 
   Для каждого выбранного контура составить уравнения по II закону Кирхгофа. Таких уравнений должно быть p .
5. 
   Система m уравнений Кирхгофа с m неизвестными токами решается совместно и определяются численные значения токов.
6. 
   Если необходимо, рассчитать с помощью обобщенного закона Ома напряжения ветвей или разность потенциалов узлов.
7. 
   Проверить правильность расчета с помощью баланса мощности.

16)Метод Контурных Токов

За искомые принимают контурные токи. Число неизвестных в этом методе равно числу уравнений, которые необходимо было бы составить для схемы по II закону Кирхгофа, т.е. . Основан на II законе Кирхгофа
По найденным контурным токам при помощи I закона Кирхгофа определяются токи ветвей.

Таким образом , методика расчета цепи постоянного тока методом контурных токов следующая:

1. 
   
2. 
   Произвольно выбрать совокупность p независимых контуров, нанести на схему положительное направление контурных токов, протекающих в выбранных контурах.
3. 
   Определить собственные, общие сопротивления и контурные ЭДС и подставить их в систему уравнений вида.

Собственное сопротивление контура (R ii ) представляет собой арифметическую сумму сопротивлений всех потребителей, находящихся в i -ом контуре.

Контурные ЭДС представляют собой алгебраическую сумму ЭДС источников, входящих в контур. Со знаком «+» в эту сумму входят ЭДС источников, действующих согласно с обходом контура, со знаком «–» входят ЭДС источников, действующих встречно.

1. 
   Разрешить полученную систему уравнений относительно контурных токов, используя метод Крамера.

1. 
   Определить токи ветвей через контурные токи по I закону Кирхгофа.
2. 
   Проверить правильность расчетов при помощи баланса мощности.

17) Метод узловых потенциалов.

В том случае, когда п- 1 – количество узлов, p – количество независимых контуров), данный метод более экономичен, чем метод контурных токов. Выводится из первого закона Кирхгофа и обобщенному закону Ома(через потенциалы).

1. 
   Обозначить все токи ветвей и их положительное направление.
2. 
   Произвольно выбрать опорный узел (? n ) и пронумеровать все остальные (n- 1)-e узлы.
3. 
   Определить собственные и общие проводимости узлов, а также узловые токи, т.е. рассчитать коэффициенты в системе уравнений.

Общая проводимость i-ого и j-ого узлов (G ij = G ji ) представляет собой взятую со знаком «–» сумму проводимостей ветвей, присоединенных одновременно к i- ому и j- ому узлам.

Проводимости ветвей с источниками тока полагаются равными нулю и в собственные и общие проводимости не входят!

Узловой ток (J ii ) состоит из двух алгебраических сумм: первая содержит токи источников тока, содержащиеся в ветвях, соединенных в i - ом узле; вторая представляет собой произведение ЭДС источников напряжения на проводимости соответствующих ветвей, соединенных в i - ом узле. Со знаком «+» в эту сумму входят E и J источников, действие